随着石化能源的日益枯竭,发展风力发电和光伏发电等可再生能源已经成为全球共识。2017年全球光伏发电新增装机容量102GW,同比增长33.7%。其中,我国2017年光伏发电装机容量53GW,超过全球装机容量的一半,成为世界最大光伏发电市场,预计2018年光伏发电装机容量将达55~60GW,持续领跑全球。

近些年来,我国西北部由于电网负荷较小,输电线路较长,输电线路容量增长速度较慢,使得当地光伏发展速度大大减慢。我国的光伏电站建设逐步向东南部发展。东南部电网负荷较大,光伏发电更容易就地消化,限制发电的可能性较小。同时,东南部人口密度较大,用电负荷比较集中,光伏输电线路建设更加方便。但东南部由于受到土地资源的限制,存在光伏电站的选址问题,所以大部分光伏电站建设在丘陵山地中。

目前中大型光伏地面电站都采用集中式逆变器设计方案,该方案系统技术相对成熟,电站可靠性较高,投资性价比高。但是在丘陵山地电站中,光伏组件倾角和朝向不统一,引起逆变器的功率与光伏组件最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）失配,造成发电量损失。针对上述问题,采用集散式逆变器,将逆变器MPPT功能转移至直流汇流箱,提高MPPT追踪路数,从而解决逆变器的功率与光伏组件MPPT失配的问题。

集中式光伏发电系统包括光伏组件、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、升压变压器及电缆与电网。图1为集中式光伏发电系统的原理图。直流汇流箱主要是将多路光伏组件输出的直流电汇集在一起;直流配电柜将直流汇流箱的输出汇集在一起输出给光伏并网逆变器;光伏并网逆变器是将光伏组件产生的直流电转化为可以直接并网的交流电,实现并网发电,同时具有光伏组件的MPPT功能,影响光伏发电的转换效率。

集中式发电系统中,集中式逆变器集成度较高,功率密度大、成本低;逆变器数量与元器件较少,便于管理,可靠性高;谐波含量与直流分量少,电能质量高;有功功率调节与低电压穿越功能齐全,电网调节性能好。但由于集中逆变,MPPT电压范围窄,不能监控每一路组件的运行,不能使每一路组件工作于最佳状态。

组串式光伏系统满足分布式发电系统的要求,适合于屋顶、丘陵等场合的光伏发电系统。组串式光伏发电系统相比于集中式光伏发电系统,不需要直流汇流箱与直流配电柜,但是需要交流汇流箱,光伏组件的输出与组串式逆变器的输入直接相连。组串式逆变器是功率比较小的逆变器,能够监控每路组件的运行情况,追踪每路组件的MPPT,提高了转换效率。但是与集中式逆变器相比,逆变器数量增加,元器件数量也随之增加,可靠性降低,成本也相应提高。

集散式逆变器集合了集中式逆变器与组串式逆变器的优点,具有分散跟踪、集中逆变并网的特点,其光伏发电系统原理图如图2所示。集散式逆变器在集中式汇流箱中增加了DC/DC变换功能,可实现多路MPPT功能;同时在直流汇流箱加入升压模块,使直流输电线缆的电压升高,减少了直流输电线的损耗与逆变器的自身发热损耗。

本文选用的光伏组件的仿真技术参数为：开路电压V_oc = 64.6V;短路电流I_sc = 6.14A;最大功率点电压V_mp = 54.7V;最大功率点电流I_mp = 5.76A;最大功率为P_mp = 315.072W;开路电压的温度系数a =- 0.002 726 9/℃,短路电流的温度系数b = 0.000 616 94/℃。可以得到该光伏组件的仿真特性曲线如图3、图4所示。

由上述特性曲线可知,光伏组件的输出特性会受光照强度和温度的影响。当温度变化时,其输出特性表现为负相关性,即温度越高,其输出电流与输出功率越小。当光照强度变化时,其输出特性表现为正相关性,即光照强度越强,其输出电流与输出功率也越大。通过观察组件的输出特性曲线,光照强度对光伏组件输出特性的影响比温度明显。所以在实际生活中,通常通过增加光照强度来提高光伏组件的输出功率。

此次建立两组光伏发电系统模型,分别为集中式光伏发电系统与集散式光伏发电系统,（见图1、图2）。两组模型均采用上文介绍的光伏组件,每5块组件组成一串,每64串组为一组光伏方阵,每组光伏方阵为100kW,共4个方阵,即400kW。

通过改变光伏方阵的光照强度与温度,对两组光伏发电系统的MPPT效果进行对比。

3.2.1 光照强度对两组光伏发电系统MPPT的影响

设定两组光伏发电系统中的一组光伏方阵的光照强度如图5所示动态变化,且温度均为25℃,可以得到两组光伏发电系统输入到逆变器的电压与电流,如图6、图7所示,并计算出逆变器的输入功率。

分析图6、图7,可知集中式光伏发电系统在输入到集中式逆变器之前,相比于集散式光伏发电系统没有进行升压,电压较小,电流较大,所以在直流输电线缆的损耗较大。由图8可知,采用集散光伏发电系统比集中式光伏发电系统的输出功率更高,在模型开始运行与光照强度变化时,集散光伏发电系统反应比集中式更快,说明集散光伏发电系统有更好的MPPT效果。

3.2.2 温度对两组光伏发电系统MPPT的影响

设定两组光伏发电系统中的一组光伏方阵的温度为45℃,且光照强度均为1 000W/m²,可以得到两组光伏发电系统输入到逆变器的电压与电流,如图9、图10所示,并计算出逆变器的输入功率,如图11所示。

由图9~图11可以看出,采用集散光伏发电系统比集中式的输出功率更高,在模型开始运行时,集散光伏发电系统反应比集中式更快,说明集散光伏发电系统有更好的MPPT效果。

本文首先对目前山地与大型地面光伏电站存在的问题进行分析,然后引出集中式逆变器、组串式逆变器与集散式逆变器,并对其优缺点进行了比较分析,最后利用Simulink对两组光伏发电系统进行建模与仿真,通过分别改变光照强度与光伏组件的温度,对逆变器的输入功率进行比较,发现集散式逆变器的输入功率更高,MPPT追踪效果更好。从而可知集散式逆变器相比于集中式,通过将逆变器MPPT功能转移至直流汇流箱,提高了MPPT追踪路数,改善了MPPT追踪效果,解决了逆变器的功率与光伏组件MPPT失配的问题。同时通过直流汇流箱升压模块,提高了直流输电电压,减小了直流输电线路的损耗与逆变器的自身发热损耗,在实际工程中具有一定指导意义。