智能光伏组件设计及其监测技术研究

摘要

能源危机和环境污染已成为21世纪最值得关注的问题之一,大力发展可再生能源已经迫在眉睫且意义重大。降低光伏系统每度电实际成本一直受到研究人员关注,近年来光伏组件及系统部件的成本已经大幅降低,然而在日常运行和维护中的成本依然很高,因而对光伏电站的监测和智能诊断显得越来越重要。智能光伏组件不仅能对单体组件进行实时监控,还能使光伏系统产生更多的电能,市场前景广阔。通过对光伏系统可靠性及发电性能的深入研究,特别是研究了失配对光伏系统输出的影响,对最大功率点跟踪(MPPT)原理、光伏可靠性以及集成了监测模块的智能光伏组件的设计做了详细阐述,并对该智能光伏组件进行了软件模拟、室内模拟测试和室外实际工作性能测试。
　　 最大功率点跟踪技术是提高光伏系统发电量的一个重要技术,本文对定电压法,扰动观测法,开路电压法,增量电导法这四种最常用的最大功率点跟踪技术原理进行了分析,并分析了buck降压型,boost升压型和buck-boost变压型这三种DC/DC变换电路原理。智能光伏组件的设计除优化器外,其他部分与普通组件基本一样,本文重点研究了智能光伏组件在阴影遮挡条件下的性能,组件长边遮挡和短边遮挡差异较大,其中短边遮挡对功率损失的影响最大。户外发电量试验中所采用的三款智能组件均采用buck-boost型扰动观测法MPPT优化器,其最大优势为可根据输入输出参数的变化,自动在buck降压模式、boost升压模式和临界模式三种情况,在电源仿真失配试验中表现出优良的性能。
　　 光伏电站需要长期稳定的工作在户外,当光伏组件发电性能出现异常如污垢聚集在组件表面、云层或建筑遮挡住组件、旁通二极管烧毁等,严重时会造成组件完全损坏。各区域气候十分复杂,一般对可靠性影响最为重要的几个因子是光、热、湿度与风雪,集成了监测模块的智能光伏组件需要具备在各种复杂气候条件下稳定运行的能力,并能记录瞬时发电信息和存储历史运行信息,当光伏组件经受不住环境的考验而出现异常时,光伏组件中的智能模块要能及时发现和鉴别故障,因而智能模块也必须具备户外长期可靠性。结合光伏系统的特点,对智能光伏组件在热循环、湿热、湿冷等三种条件下的性能做了研究和测试。
　　 在户外的光伏系统测试平台上测试比较了3种智能光伏组件在不同阴影遮挡调节下的性能,结果显示在没有失配情况发生时,智能光伏组件发电性能比普通光伏组件差,有阴影遮挡时情况相反;另外不同厂家生产的优化器模块在不同类型阴影遮挡的表现情况不同。对于光伏阵列的监控,业内通常采用在逆变器中集成采集存储模块来对各阵列的发电性能实时监控。而单体组件的监控能实时获取最新发电性能,在故障发生时能远程监控异常,并及时找出并处理异常组件。
　　 智能光伏组件和监测技术在光伏系统中的应用前景分析和调研表明,民用光伏系统近年来的应用越来越广泛,但失配的情况往往非常严重,智能光伏组件非常适合在民用光伏系统中应用。对智能光伏组件的开发和监控技术的研究,一方面可以提高光伏阵列的输出,降低光伏发电每kWH成本,另一方面对于光伏系统发电的科学研究也具有重要意义。