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為促進清潔太陽能資源利用，我國相繼出臺了一系列鼓勵分布式光伏發(fā)展的政策。據(jù)國家能源局對光伏發(fā)電并網(wǎng)統(tǒng)計可知，從2016年底到2020年上半年，我國分布式光伏發(fā)電累計安裝容量占比從13%達到31%，分布式光伏發(fā)電裝機容量逐年上升迅猛。分布式光伏發(fā)電集群由于其穩(wěn)定、高效、靈活、友好并網(wǎng)特性，將逐漸成為電力生產(chǎn)和光伏能源消納的新模式，其整體效率也越來越受重視。

通常情況下，分布式光伏發(fā)電中，光伏組串與逆變器固定連接。在早晚及陰雨天等低光照情況下逆變器處于輕載條件下運行。然而，逆變器在輕載時工作效率很低。光伏逆變器轉換效率受其輸入功率影響，特別是當逆變器輸入功率在額定功率20%以下時，隨著輸入功率下降，逆變器轉換效率也會明顯降低。低光照下，組串逆變器大規(guī)模并網(wǎng)能量損失嚴重，直接降低了企業(yè)效益。

采取適當?shù)拇胧绺淖児夥到y(tǒng)直流拓撲結構、添加開關設備等可以提高光伏系統(tǒng)效率。一些文獻研究了光伏組件在光伏陣列中的重構配置。但是均是對光伏組件串并聯(lián)重構，在滿足光伏串電壓相同的前提下，提高光伏串的總電流。但是，大多數(shù)情況下，光伏組件都接受均勻的光照，改變光伏陣列中組件的連接狀態(tài)難以提高光伏陣列輸出功率，低光照條件下光伏系統(tǒng)效率仍然很低。

• 有學者綜述了大量的逆變器拓撲結構，并根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選擇逆變器拓撲結構提高性能。盡管在低功率運行條件下，特定拓撲及軟開關可以改善逆變器的轉換效率，但由于半導體的固定損耗，逆變器在輕載時的效率仍然非常低。微型逆變器可實現(xiàn)每個模塊的最佳運行，提高系統(tǒng)效率，但這種逆變器裝置由于復雜的拓撲、低轉換效率和額定功率限制，主要用于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。
• 有學者綜述了光伏系統(tǒng)結構，其中提到了團隊概念，即多個逆變器以團隊合作的方式運行。在低太陽輻射下，光伏陣列的所有串并聯(lián)到一個逆變器，而其他逆變器斷開。在增加輻射的情況下，光伏陣列被分成若干子陣列，這些子陣列連接到不同的獨立工作的串聯(lián)逆變器上。這種方式能夠提高光伏發(fā)電性能。
• 有學者提出具有共享直流母線和交流母線的連接方法。針對不同的負載條件調整多臺逆變器的負載分配，使并聯(lián)逆變器逐一從待機到滿載運行，以減少功率損耗。這種控制策略比較簡單，提升效率有限。
• 有學者提出提高歐洲加權效率的策略，逐一使逆變器以滿負荷的h%運轉并具有最大效率的優(yōu)先級。最后每個并網(wǎng)逆變器將從滿負載的h%逐一移至滿負載模式。
• 有學者研究了逆變器的多種拓撲及調制策略解決高頻循環(huán)電流問題，并推薦了具有低漏電流（例如H5拓撲）的單相無變壓器全橋逆變器。
• 有學者的連接方法需要并聯(lián)逆變器具有不同的控制參數(shù)以及一些特定的拓撲結構，抗干擾能力差，實際工程中的操作受限很大。
• 有學者根據(jù)檢測系統(tǒng)輸入或輸出功率，采用固定閾值方法改變不同逆變器工作臺數(shù)提高光伏系統(tǒng)整體效率，靈活性較差。
• 有學者一同使用光伏陣列串聯(lián)和并聯(lián)，使光伏陣列與逆變器進行全網(wǎng)絡匹配連接，以系統(tǒng)功率輸出最大為目標控制切換裝置。但該方法中光伏板直流側任意串聯(lián)會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，但未考慮電池板串并聯(lián)保護。

考慮天氣波動性的光伏系統(tǒng)運行情況，燕山大學電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室等單位的研究人員提出一種時間尺度下提高光伏發(fā)電轉換效率的直流開關動態(tài)重構策略。

圖1 光伏群控系統(tǒng)拓撲示意圖

基于光伏直流并聯(lián)開關拓撲結構對多臺逆變器運行臺數(shù)進行控制。考慮光伏系統(tǒng)效率和開關動作次數(shù)等運行指標，控制逆變器運行臺數(shù)，使性能指標最優(yōu)。利用控制決策防止開關頻繁切換和逆變器功率越限。基于最小二乘回歸算法預測天氣短時間變化范圍，確定光伏系統(tǒng)允許的開關重構方案；基于投票理論方法對比歷史時間內開關連接方案，得出最佳運行方案。通過本策略與常規(guī)連接方式和不考慮控制決策的連接方式對比，驗證本策略的可行性。

圖2 實驗平臺

研究人員指出：

• 本策略基于一種開關控制箱、多光伏串及逆變器組成群控系統(tǒng)，可以提高光伏逆變器總體效率，尤其在低光照下改善效果明顯。
• 群控系統(tǒng)中，考慮群控系統(tǒng)配置的光伏串數(shù)量增多，導致計算量增大和提升效果減弱的問題以及考慮實際工程中場地布局的問題，為了減小系統(tǒng)復雜程度，群控系統(tǒng)中擁有較小數(shù)量的PV串和逆變器較為合適。考慮光伏電站規(guī)模大小及逆變器位置等因素，建立若干個小型群控系統(tǒng)較為合適。
• 開關切換后，系統(tǒng)短時間內可能會超過系統(tǒng)要求的限值。對開關切換后短時間內的功率變化進行預測，防止逆變器功率越限是可行和有效的。
• 復雜多變的天氣可能導致系統(tǒng)在切換的臨界位置頻繁變化，這種情況下開關切換帶來的系統(tǒng)提升效果并不顯著。頻繁切換還可能給系統(tǒng)安全帶來隱患，因此考慮防止頻繁切換是有必要的。基于投票理論的方法選取歷史時間內最適應的連接方式可以避免系統(tǒng)頻繁切換。

本文編自2021年第9期《電工技術學報》，論文標題為“提高組串光伏發(fā)電效率的直流動態(tài)重構控制策略”，作者為薛世偉、賈清泉 等。