【儀器儀表商情網(wǎng) 前沿技術(shù)】在現(xiàn)實(shí)生活中，由于陽(yáng)光照射角度、云層、陰影等多種因素影響，光伏陣列接受到的陽(yáng)光輻照度和相應(yīng)溫度在不同的條件下會(huì)有很大的差別，比如在早晨和中午，在晴朗和多云的天氣下，特別是云層遮掩的影響，可能會(huì)造成短時(shí)間內(nèi)輻照度的劇烈變化。因此對(duì)于光伏逆變器而言，其必須具備應(yīng)對(duì)陽(yáng)光輻照度持續(xù)變化的策略，始終維持、或者是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到一個(gè)較高的MPPT精度水平，以及較高的轉(zhuǎn)化效率，才能在現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)電效果。
目前光伏逆變器行業(yè)中各大廠商對(duì)于靜態(tài)MPPT追蹤算法的處理基本都展現(xiàn)出了很高的水準(zhǔn)，可以精確地維持在非常接近100%的水平，為后端直流轉(zhuǎn)交流的過程提供了良好的基礎(chǔ)。這一點(diǎn)也體現(xiàn)在各個(gè)型號(hào)的逆變器的總體效率參數(shù)上，標(biāo)稱值一般都很高。而在逆變器實(shí)際的工作環(huán)境中，日照、溫度等外部條件是處于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的過程中，逆變器在這樣的條件下工作，其動(dòng)態(tài)效能也就成為了衡量其實(shí)際性能的不可忽視的重要指標(biāo)。
在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試環(huán)境下，光伏模擬器作為可以直接模擬各種類型、各種配置的光伏陣列的高效模擬器，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于逆變器的測(cè)試。但此前的測(cè)試更多地集中于模擬各種靜態(tài)條件下(即在測(cè)試過程中維持給定的IV曲線不變化)，或者是有限的低強(qiáng)度變化(如測(cè)試過程中會(huì)在給定的兩條或數(shù)條IV曲線之間切換)，較少涉及長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的真實(shí)工作狀況的模擬。筆者關(guān)注使用光伏模擬器來模擬光伏陣列隨時(shí)間而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的輸出，探究此動(dòng)態(tài)MPPT測(cè)試功能的實(shí)用性和其中需要注意的要點(diǎn)。
由于動(dòng)態(tài)天氣的組合方式幾乎無窮無盡，因此首要的問題是光伏模擬器提供了哪些典型類型的天氣文檔，以及是否有足夠的靈活度來供客戶自行生成新的天氣文檔，是否提供足夠高的時(shí)間分辨率來支持快速的輻照度變化。我們以光伏模擬與測(cè)試業(yè)內(nèi)的知名品牌阿美特克ELGAR的光伏模擬器產(chǎn)品為例，其提供了晴天、多云、陰天等狀況的典型天氣情況實(shí)例(如下圖1)，另外支持直接在軟件內(nèi)制定或者通過外部數(shù)據(jù)處理軟件(如EXCEL)生成自定義天氣文檔，時(shí)間分辨率為1秒。對(duì)于天氣文檔的時(shí)間長(zhǎng)度則沒有限制，可以支持長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，如一周甚至更長(zhǎng)時(shí)間。
圖1
光伏逆變器
圖1 晴天和陰天的輻照度及溫度變化情況，橫軸為時(shí)間，黃線為輻照度，紫線為溫度
業(yè)內(nèi)部分組織也定義了一些“標(biāo)準(zhǔn)”的測(cè)試形態(tài)，以便對(duì)不同的逆變器按照相同標(biāo)準(zhǔn)來做比對(duì)。例如：
1. Sandia National Laboratory定義了輻照度和溫度變化的幾種不同模式。
-- 快速變化(輻照度3秒鐘從100W/m2線性升至800W/m2及反向下降)
-- 慢速變化(輻照度半小時(shí)從0W/m2線性升至1000W/m2然后相同速率下降回0，同期溫度從5度到60度再回到5度)
-- 三角變化(輻照度30秒從100W/m2線性升至800W/m2然后相同速率下降回100W/m2，重復(fù)60次)
-- 溫度變化(10秒從35度線性升溫至75度然后相同速率下降回35度，重復(fù)15次)
2. IEC/EN50530在附錄B中定義了不同的測(cè)試模式。
-- 低輻照度到中輻照度的不同速率往復(fù)變化(從100W/m2到500W/m2的變化，11種不同速率，最慢800秒，最快8秒)
-- 中輻照度到高輻照度的不同速率往復(fù)變化(從300W/m2到1000W/m2的變化，6種不同速率，最慢70秒，最快7秒)
3. 鑒衡CGC/GF004對(duì)于動(dòng)態(tài)效率的測(cè)試模式定義與EN50530相同。
應(yīng)該說這些標(biāo)準(zhǔn)提供了很好的參考條件，便于各逆變器廠商進(jìn)行針對(duì)性的改善動(dòng)態(tài)MPPT性能的研究。這些標(biāo)準(zhǔn)更多的是關(guān)注輻照度的變化而非溫度的變化，這是由于光伏組件的輸出功率受輻照度影響特別劇烈，而溫度的影響則相對(duì)較小。需要注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于輻照度變化的時(shí)間分辨率并沒有給出強(qiáng)制性的要求，但是其本質(zhì)上會(huì)要求在以秒為基礎(chǔ)單位的同時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的線性內(nèi)插，以滿足該種測(cè)試形態(tài)。
以EN50530為例，其對(duì)于輻照度變化速率的最快的要求是100W/m2/s，以7秒鐘實(shí)現(xiàn)從300W/m2到1000W/m2的變化。如果我們只是采納1秒鐘變化一次輻照度的方法，則將得到如下的以1秒為步進(jìn)的階梯狀輻照度變化圖檔(圖2)，而非標(biāo)準(zhǔn)所要求的線性變化狀輻照度圖檔(圖3)。
圖2 以1秒為步進(jìn)的階梯狀輻照度變化
圖3 理想的線性輻照度變化
通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，以一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試狀態(tài)下(STC，1000W/m2，25攝氏度)標(biāo)稱為1KW的逆變器為例，來評(píng)估這種階梯狀變化方式的影響能有多大。按照EN50530附錄C中定義的光伏陣列I/V曲線擬合公式，相應(yīng)的晶硅模型和薄膜模型在對(duì)應(yīng)輻照度下的理論最大功率點(diǎn)列表如下。
輻照度(W/M2)晶硅Pmp(W)薄膜Pmp(W)
300291.6300.7
400394.3404.8
500497507.9
600599.3609.9
700700.8710.3
800801.4808.9
900900.9905.7
1000999.31000.3
也就是說每次100W/m2的輻照度變化會(huì)導(dǎo)致光伏模擬器的輸出IV曲線的最大功率點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱Pmp)有一個(gè)大約10%標(biāo)稱功率的跳變。另外通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算便可得出此種階梯狀變化方式與理想情況間會(huì)造成的實(shí)際給逆變器供應(yīng)功率的差異，在這輻照度線性增大的7秒內(nèi)對(duì)于晶硅模型是少了707W，對(duì)于薄膜模型是少了700W，也就是大約每秒少供應(yīng)100W，約10%標(biāo)稱功率的供應(yīng)不足。同理當(dāng)輻照度線性減少的時(shí)候就會(huì)是大約每秒多供應(yīng)100W，約10%標(biāo)稱功率的供應(yīng)過量。這種高達(dá)10%的供應(yīng)功率差異完全是由于光伏模擬器本身的算法導(dǎo)致的。對(duì)于高速逆變器來說，這種差異可能嚴(yán)重影響其性能表現(xiàn)，使其無法發(fā)揮出自己的真實(shí)能力，無法與其他的相對(duì)低速的逆變器區(qū)分開來。
解決此問題的方法就是在每秒間進(jìn)行線性內(nèi)插，使得光伏模擬器給出的IV曲線盡可能地貼合理想的線性變化。例如阿美特克ELGAR的光伏模擬器可以在每秒之間線性內(nèi)插128次，也就是每7.8毫秒就會(huì)自動(dòng)變更一條新的IV曲線，這樣一來就相當(dāng)于曲線之間幾乎是無縫切換。但是這樣高速的變化會(huì)引入另一個(gè)問題，即MPPT追蹤精度的計(jì)算問題。
目前各廠家基本上都是依靠光伏模擬器本身提供的MPPT精度測(cè)量功能來直接計(jì)算逆變器的MPPT效率，計(jì)算方法是將當(dāng)前時(shí)刻的輸出電壓乘以輸出電流，得到當(dāng)前的實(shí)際輸出功率，然后除以當(dāng)前IV曲線的Pmp。這其中當(dāng)前的實(shí)際輸出電壓和電流值的獲取是需要進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的，有一個(gè)測(cè)量時(shí)間窗口長(zhǎng)度的問題，理論上是時(shí)間長(zhǎng)度長(zhǎng)一些比較好，例如20ms或以上，以便于濾除紋波干擾以獲得高精度的讀數(shù);而另一個(gè)更重要、影響也更大的問題是同步問題。
當(dāng)IV曲線處于高速自動(dòng)線性內(nèi)插的狀況(例如每7.8毫秒更新一次)時(shí)，很顯然常規(guī)的20ms測(cè)量窗口無法與之匹配，當(dāng)20ms的測(cè)量采樣時(shí)間完成并得到一個(gè)輸出功率值時(shí)，此時(shí)的IV曲線已經(jīng)更新了二至三次，我們拿這個(gè)測(cè)量值除以當(dāng)前使用的IV曲線的Pmp值，得到的MPPT效率顯然會(huì)存在失真。于是當(dāng)輻照度處于上升狀態(tài)時(shí)，此時(shí)光伏模擬器報(bào)告的MPPT效率會(huì)偏低;當(dāng)輻照度處于下降狀態(tài)時(shí)，光伏模擬器報(bào)告的MPPT效率會(huì)偏高。如下圖(圖4)是一個(gè)輻照度以100W/m2的速率從1000W/m2下降至300W/m2，同時(shí)光伏模擬器進(jìn)行每秒128次內(nèi)插的測(cè)試結(jié)果。我們可以清楚地看到，紅色線代表的光伏模擬器報(bào)告的實(shí)際輸出功率高出藍(lán)色線代表的線性下降的理想IV曲線的Pmp，以至于計(jì)算得到的MPPT效率會(huì)出現(xiàn)超過100%的情況。
圖4 100W/m2/s的輻照度線性下降情況下，帶高速線性內(nèi)插功能的光伏模擬器報(bào)告的MPPT效率存在較大的誤差
為了解決此一問題，我們需要選取適當(dāng)?shù)腎V曲線更新速率以及測(cè)量時(shí)間窗口。例如阿美特克ELGAR光伏模擬器允許用戶設(shè)置禁用每秒128次的儀器自動(dòng)內(nèi)插更新IV曲線功能，而啟用軟件統(tǒng)一控制的每100毫秒更新一次IV曲線的方法，而同樣由軟件來操作在此期間的輸出功率回讀，這樣就可以確保當(dāng)前輸出功率的測(cè)量與IV曲線更新的同步問題。這樣IV曲線的更新速率為每秒10次，可以使得供應(yīng)給逆變器的功率跳變、以及供應(yīng)能量與理想情況的差異均縮減為1%的量級(jí)，無疑是目前市面上性能表現(xiàn)最為優(yōu)秀的光伏模擬器。如下圖5是采用該方式后的測(cè)試結(jié)果。我們可以看到代表實(shí)際輸出功率測(cè)量結(jié)果的紅色軌跡極好地匹配了代表理想Pmp變化的藍(lán)色軌跡。圖6是更長(zhǎng)時(shí)間上的測(cè)試結(jié)果圖示，包含輻照度下降和上升的兩種情況。說明當(dāng)前這款逆變器可以非常良好地適應(yīng)這種1000W/ m2的輻照度變化速率，維持99%以上的MPPT效率。
圖5 100W/m2/s的輻照度線性下降情況下，開啟軟件10次/秒線性內(nèi)插功能的光伏模擬器報(bào)告的MPPT效率
圖6 更長(zhǎng)時(shí)間的100W/m2/s的輻照度線性下降情況下，開啟軟件10次/秒線性內(nèi)插功能的光伏模擬器報(bào)告的MPPT
綜上所述，當(dāng)我們需要在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行動(dòng)態(tài)的天氣狀況模擬時(shí)，需要能夠構(gòu)建或加載各種復(fù)雜天氣狀況以及國(guó)際規(guī)范定義的典型測(cè)試模式，構(gòu)建的天氣文檔的時(shí)間分辨率達(dá)到秒級(jí)，而實(shí)際的IV曲線更新速率需要更快(如每秒10次)以滿足平滑變化及符合實(shí)際狀況的要求，同時(shí)在高速的IV曲線更新時(shí)還務(wù)必要確保輸出采樣數(shù)據(jù)的同步性，只有這樣，我們才能得到足夠精確、可信賴的測(cè)試結(jié)果。
