光伏系统损耗分析及效率优化

华电电力科学研究院有限公司 李 忆 刘晓光

0.引言

世界范围内的能源短缺问题成为了人们面临的主要问题，化石燃料的过度使用必然给环境带来严重的影响。此时，清洁能源与可再生能源的地位被进一步提升，太阳能光伏技术也有了更广阔的发展前景。掌握行业内的先进技术，提升光伏发电系统的效率，对于经济发展和社会发展都具有显著的现实意义。

1.光伏系统的常见损耗

光伏发电系统包括光伏阵列、电子变换器、储能设备、负载设备等组成，实际的光伏系统也能将太阳能转化为电能。但转化过程中，必然会因系统因素而产生损耗。

1.1 失配损耗

由于光伏系统的构建涉及到不同组件之间的串联与并联，让电压和电流符合交流逆变水平。但由于组件间的电气参数存在差异，性能方面也存在一定的问题，使得一些组件在正式使用时的匹配性能不佳，电能损失情况严重。由于阵列失配包含了电流与电压的失配，当组串数增加后，单串电缆长度提升，会进一步提升电压失配的速度。所以根据当时的电流值与功率参数对组件进行优化，可以减少因电流失配产生的损失。但是在具体的设计当中还需要考虑到失配损耗系数。

1.2 电缆损耗

电缆的损耗包括直流电缆损耗与交流电缆损耗，前者多体现在双芯电缆之上，后者则体现在并网点至箱变的电缆之上。电缆损耗产生的主要原因在于电阻值与电缆长度的关系而产生电阻率，电缆截面的变化会对电阻率产生影响[1]。即：

此时如果电阻值R保持不变，那么电流值的变化会对电能损耗产生一定的影响。另外，输出功率一定的情况下，电压等级与电流值之间同样存在密切的关系。例如在现场的系统环境中，温度、敷设方式等也会影响到损耗程度。

1.3 系统损耗

系统损耗体现在变压器、逆变器等设备的损耗方面。变压器的损耗主要表现为铁损。光伏电站是利用太阳能来发电，所以工作时间为白天，在夜间时电压器处于连接电网待机状态，空载运行必然产生损耗。从逆变器系统来看，系统效率直接影响到光伏系统的运行，光伏逆变器的功率大于50%时，其功率权值达到最大值，特别是在一些温度较高的区域，直流发电功率会低于STC标准值，逆变器实际性能与作用并不显著，如何对系统进行科学合理的配置，让负载工作位于效率点附近，也是未来的主要工作。

2.光伏系统效率优化探讨

由于光伏系统的阵列输出具有非线性的特征，受到环境因素、太阳辐射等条件的影响程度较大。在一定的环境温度下，光伏阵列可以在不同的输出电压下工作，但输出功率最大值却需要进行合理计算。所以要想提升系统的整体效率，就需要对光伏阵列的工作点进行合理调整，让其能始终工作于最大功率点附近。具体来看可以从以下几个方面展开。

2.1 光伏电池规划

光伏电池的等效电路如图1所示。

通过等效电路图，可以得知光伏电池在正常情况下等效串联的电阻较小，而等效并联电阻较大，对于一般的工程系统来说，需要建立工程应用模型，对输出特性进行规划。太阳能电池的产品组件中也会涉及到开路电压、短路电流与峰值功率等参数，这些参数对于光伏系统具有重要的作用[2]。出于对外界环境因素的考虑，仿真模型需要与系统设计之间具有更加紧密的联系。此时可以构建光伏阵列曲线来对模型进行规划和描述，例如使用MATLAB仿真软件构件模型，可以反映出光伏阵列的特征，与实际的参数相对应，设定简便，对于系统级仿真应用具有显著的参考价值。

图1 光伏电池等效电路

在温度与环境因素一定的条件下，光伏电池输出电流、电压与功率之间也有着密切的联系。伏安特性曲线具有显著的非线性，不可能为负载提供大功率，输出电流在大部分的电压范围内可以保持恒定，电流下降率明显。而光伏电池此时的输出功率也和日照强度、太阳能光谱分布情况有关，太阳能电池的开路电压与输出功率在太阳辐照度不变的情况下都会随着外界变化而变化，温度会直接影响开路电压。

2.2 逆变技术

传统的逆变技术在结构性能上已经相对成熟，但是仍然存在着一定的缺陷。首先逆变器中的升压变压器是工频变压器，为了满足系统的散热要求，会加大工频变压器的体积与重量，此时不仅系统的成本增加，也会导致在系统工作时产生很大的噪音，且必须选用大电流规格的开关元件，对于一些输入电压和负载产生的波动，装置动态响应性能会有所降低。

因此，高频链逆变技术随之产生，不仅可以大幅减少逆变电源的性能，简化结构，还可以提升系统的效率。所以研究者们将研究方向也放在了交流患者的逆变器研究，包括电压源型与电流源型。

电压原型的逆变技术适用于各类低压输入变换的场合，但需要考虑到固有电压的过冲问题，当变压器中电流被打断时，储存的能量会失去释放回路，导致高频变压器与周波变换器之间的电压过冲[3]。而电流源高频逆变器并不需要考虑这些方面的问题，可以实现降低系统损耗的目的，还可以解决电压过冲问题，在控制方案和动态性能上都相对优秀，也是目前逆变技术中主要采用的电路拓扑形式，具有更好的应用前景。

2.3 最大功率点跟踪模式

在光照强度不同的情况下，太阳能电池的伏安特性曲线也会存在差异。因为它本身不是恒电压源和恒电流源，而是一种非线性直流电源。当温度保持在某个范围内时，最大功率点会保持在一根垂线的两侧，可以将最大功率点的轨迹看做是恒定垂线。此外，最大功率点的跟踪模式还可以采用增量电导法来完成，也是MPPT的常见方法。光伏阵列电压功率曲线是单峰值曲线，在最大输出功率点时功率对电压倒数为零，所以采用这种方式并不需要进行多字节的计算工作就能保证系统的稳定性。但需要注意的要点在于光伏阵列可能存在局部功率最大点，系统可能会稳定在某一个工作点而不产生变化。

2.4 并网发电系统改进

传统的三相光伏并网系统采用的是电压拓扑结构，而系统改进之后，在并网运行的模式之下，逆变器处于电流控制模式，并网电流的大小会受到光伏阵列输出功率的影响，此时控制并网电流就相当于对输出功率进行管控，逆变器的电流也会影响输出功率的大小，采用双闭环的控制模式来实现电压同步和电流采样等工作。目前在改进的MPPT方法之中，扰动观测法是常见的方法，但该模式容易受到外界环境的影响产生结果误差，必然影响发电系统的效率[4]。所以为了降低系统损耗，就应该在功率采样点之间选择正确的扰动方向，提升跟踪效率，保障光伏阵列具备输出最大功率的能力，对系统进行改进。

3.结语

本次研究首先针对光伏系统的损耗情况进行分析，分别从影响光伏发电效率的几个因素展开了研究，并探讨如何在效率上进行优化。而通过仿真模型的构建，结果也表明最大功率跟踪方法是提升光伏阵列效率的关键方式，此外还包括光伏电池、逆变技术、并网系统改进等，均表现出了良好的动态特性。在未来的研究工作中，还可以考虑到系统的二次集成来调整结构，采用模块化的结构减少分布参数，提升系统性能，便于对系统进行调节。