關(guān)于光伏逆變器動(dòng)態(tài)MPPT效率測試方法的思考

　　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/m?到500W/m?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/m?到1000W/m?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/m?，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。