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作者：阿美特克程控電源部門(mén) 黃正峰 Wanner.huang@ametek.com.cn 在現實(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)間內輻照度的劇烈變化。因此對于光伏逆變器而言，其必須具備應對陽(yáng)光輻照度持續變化的策略，始終維持、或者是在盡可能短的時(shí)間內恢復到一個(gè)較高的MPPT精度水平，以及較高的轉化效率，才能在現實(shí)生活中實(shí)現良好的發(fā)電效果。 目前光伏逆變器行業(yè)中各大廠(chǎng)商對于靜態(tài)MPPT追蹤算法的處理基本都展現出了很高的水準，可以精確地維持在非常接近100%的水平，為后端直流轉交流的過(guò)程提供了良好的基礎。這一點(diǎn)也體現在各個(gè)型號的逆變器的總體效率參數上，標稱(chēng)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(guò)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。 在實(shí)驗室的測試環(huán)境下，光伏模擬器作為可以直接模擬各種類(lèi)型、各種配置的光伏陣列的高效模擬器，已經(jīng)被廣泛地應用于逆變器的測試。但此前的測試更多地集中于模擬各種靜態(tài)條件下（即在測試過(guò)程中維持給定的IV曲線(xiàn)不變化），或者是有限的低強度變化（如測試過(guò)程中會(huì )在給定的兩條或數條IV曲線(xiàn)之間切換），較少涉及長(cháng)時(shí)間、高強度的真實(shí)工作狀況的模擬。筆者關(guān)注使用光伏模擬器來(lái)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(wú)窮無(wú)盡，因此首要的問(wèn)題是光伏模擬器提供了哪些典型類(lèi)型的天氣文檔，以及是否有足夠的靈活度來(lái)供客戶(hù)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(lái)支持快速的輻照度變化。我們以光伏模擬與測試業(yè)內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制定或者通過(guò)外部數據處理軟件（如EXCEL）生成自定義天氣文檔，時(shí)間分辨率為1秒。對于天氣文檔的時(shí)間長(cháng)度則沒(méi)有限制，可以支持長(cháng)時(shí)間的測試，如一周甚至更長(cháng)時(shí)間。 
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(xiàn)為輻照度，紫線(xiàn)為溫度 業(yè)內部分組織也定義了一些“標準”的測試形態(tài)，以便對不同的逆變器按照相同標準來(lái)做比對。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性升至800W/m²然后相同速率下降回100W/m²，重復60次） -- 溫度變化（10秒從35度線(xiàn)性升溫至75度然后相同速率下降回35度，重復15次） 2. IEC/EN50530在附錄B中定義了不同的測試模式。 -- 低輻照度到中輻照度的不同速率往復變化（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對于動(dòng)態(tài)效率的測試模式定義與EN50530相同。 應該說(shuō)這些標準提供了很好的參考條件，便于各逆變器廠(chǎng)商進(jìn)行針對性的改善動(dòng)態(tài)MPPT性能的研究。這些標準更多的是關(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較小。需要注意的是，這些標準對于輻照度變化的時(shí)間分辨率并沒(méi)有給出強制性的要求，但是其本質(zhì)上會(huì )要求在以秒為基礎單位的同時(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的線(xiàn)性?xún)炔�，以滿(mǎn)足該種測試形態(tài)。 以EN50530為例，其對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），而非標準所要求的線(xiàn)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(xiàn)性輻照度變化 通過(guò)簡(jiǎn)單的數學(xué)計算，以一個(gè)在標準測試狀態(tài)下（STC，1000W/m²，25攝氏度）標稱(chēng)為1KW的逆變器為例，來(lái)評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(xiàn)擬合公式，相應的晶硅模型和薄膜模型在對應輻照度下的理論最大功率點(diǎn)列表如下。
也就是說(shuō)每次100W/m²的輻照度變化會(huì )導致光伏模擬器的輸出IV曲線(xiàn)的最大功率點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Pmp）有一個(gè)大約10%標稱(chēng)功率的跳變。另外通過(guò)簡(jiǎn)單的數學(xué)計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)際給逆變器供應功率的差異，在這輻照度線(xiàn)性增大的7秒內對于晶硅模型是少了707W，對于薄膜模型是少了700W，也就是大約每秒少供應100W，約10%標稱(chēng)功率的供應不足。同理當輻照度線(xiàn)性減少的時(shí)候就會(huì )是大約每秒多供應100W，約10%標稱(chēng)功率的供應過(guò)量。這種高達10%的供應功率差異完全是由于光伏模擬器本身的算法導致的。對于高速逆變器來(lái)說(shuō)，這種差異可能?chē)乐赜绊懫湫阅鼙憩F，使其無(wú)法發(fā)揮出自己的真實(shí)能力，無(wú)法與其他的相對低速的逆變器區分開(kāi)來(lái)。 解決此問(wèn)題的方法就是在每秒間進(jìn)行線(xiàn)性?xún)炔�，使得光伏模擬器給出的IV曲線(xiàn)盡可能地貼合理想的線(xiàn)性變化。例如阿美特克ELGAR的光伏模擬器可以在每秒之間線(xiàn)性?xún)炔?28次，也就是每7.8毫秒就會(huì )自動(dòng)變更一條新的IV曲線(xiàn)，這樣一來(lái)就相當于曲線(xiàn)之間幾乎是無(wú)縫切換。但是這樣高速的變化會(huì )引入另一個(gè)問(wèn)題，即MPPT追蹤精度的計算問(wèn)題。 目前各廠(chǎng)家基本上都是依靠光伏模擬器本身提供的MPPT精度測量功能來(lái)直接計算逆變器的MPPT效率，計算方法是將當前時(shí)刻的輸出電壓乘以輸出電流，得到當前的實(shí)際輸出功率，然后除以當前IV曲線(xiàn)的Pmp。這其中當前的實(shí)際輸出電壓和電流值的獲取是需要進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的，有一個(gè)測量時(shí)間窗口長(cháng)度的問(wèn)題，理論上是時(shí)間長(cháng)度長(cháng)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；而另一個(gè)更重要、影響也更大的問(wèn)題是同步問(wèn)題。 當IV曲線(xiàn)處于高速自動(dòng)線(xiàn)性?xún)炔宓臓顩r（例如每7.8毫秒更新一次）時(shí)，很顯然常規的20ms測量窗口無(wú)法與之匹配，當20ms的測量采樣時(shí)間完成并得到一個(gè)輸出功率值時(shí)，此時(shí)的IV曲線(xiàn)已經(jīng)更新了二至三次，我們拿這個(gè)測量值除以當前使用的IV曲線(xiàn)的Pmp值，得到的MPPT效率顯然會(huì )存在失真。于是當輻照度處于上升狀態(tài)時(shí)，此時(shí)光伏模擬器報告的MPPT效率會(huì )偏低；當輻照度處于下降狀態(tài)時(shí)，光伏模擬器報告的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次內插的測試結果。我們可以清楚地看到，紅色線(xiàn)代表的光伏模擬器報告的實(shí)際輸出功率高出藍色線(xiàn)代表的線(xiàn)性下降的理想IV曲線(xiàn)的Pmp，以至于計算得到的MPPT效率會(huì )出現超過(guò)100%的情況。
圖4 100W/m²/s的輻照度線(xiàn)性下降情況下，帶高速線(xiàn)性?xún)炔骞δ艿墓夥M器報告的MPPT效率存在較大的誤差 為了解決此一問(wèn)題，我們需要選取適當的IV曲線(xiàn)更新速率以及測量時(shí)間窗口。例如阿美特克ELGAR光伏模擬器允許用戶(hù)設置禁用每秒128次的儀器自動(dòng)內插更新IV曲線(xiàn)功能，而啟用軟件統一控制的每100毫秒更新一次IV曲線(xiàn)的方法，而同樣由軟件來(lái)操作在此期間的輸出功率回讀，這樣就可以確保當前輸出功率的測量與IV曲線(xiàn)更新的同步問(wèn)題。這樣IV曲線(xiàn)的更新速率為每秒10次，可以使得供應給逆變器的功率跳變、以及供應能量與理想情況的差異均縮減為1%的量級，無(wú)疑是目前市面上性能表現最為優(yōu)秀的光伏模擬器。如下圖5是采用該方式后的測試結果。我們可以看到代表實(shí)際輸出功率測量結果的紅色軌跡極好地匹配了代表理想Pmp變化的藍色軌跡。圖6是更長(cháng)時(shí)間上的測試結果圖示，包含輻照度下降和上升的兩種情況。說(shuō)明當前這款逆變器可以非常良好地適應這種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(xiàn)性下降情況下，開(kāi)啟軟件10次/秒線(xiàn)性?xún)炔骞δ艿墓夥M器報告的MPPT效率
圖6 更長(cháng)時(shí)間的100W/m²/s的輻照度線(xiàn)性下降情況下，開(kāi)啟軟件10次/秒線(xiàn)性?xún)炔骞δ艿墓夥M器報告的MPPT 綜上所述，當我們需要在實(shí)驗室里進(jìn)行動(dòng)態(tài)的天氣狀況模擬時(shí)，需要能夠構建或加載各種復雜天氣狀況以及國際規范定義的典型測試模式，構建的天氣文檔的時(shí)間分辨率達到秒級，而實(shí)際的IV曲線(xiàn)更新速率需要更快（如每秒10次）以滿(mǎn)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(xiàn)更新時(shí)還務(wù)必要確保輸出采樣數據的同步性，只有這樣，我們才能得到足夠精確、可信賴(lài)的測試結果。 AMETEK集團公司及程控電源部簡(jiǎn)介 AMETEK集團公司總部位于美國賓夕法尼亞，年銷(xiāo)售額約30億美元。目前內部分為兩大事業(yè)部，電子儀器和電動(dòng)機械部門(mén)。專(zhuān)注于提供差異化及高附加值的產(chǎn)品和服務(wù)以幫助客戶(hù)解決問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現杰出的股東價(jià)值。 AMETEK 程控電源部（http://www.programmablepower.com）是AMETEK旗下的子公司，目前包含的品牌有Sorensen ,ELGAR, AMREL, California Instruments, 具有全球最廣的程控電源產(chǎn)品線(xiàn)，為多個(gè)領(lǐng)域的不同客戶(hù)提供完善的解決方案。 |
