光伏电站输出功率影响因素分析

Electric Power System EquipmentElectric System电力系统

2018年第7期

2018 No.7

光伏电站输出功率影响因素分析

秦红刚，徐 勇，董晓宝

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310000）

［摘 要］光伏电站输出功率是指含有电池储能的并网光伏发电系统给指定的负荷或储能电池传输功率的效率，与整个光伏电站的拓扑结构以及每个组件的效率有关。特别是对于一个需要频繁充放电的光伏发电系统而言，仔细计算整个系统的效率能够有效提高光伏电站的输出功率。文章介绍了光伏系统发电量、系统耦合以及光伏发电通过电网给电池充电的效率这3个因素对于光伏电站输出功率的影响。［关键词］拓扑结构；光伏电站；输出功率［中图分类号］TM615 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-523X（2018）07-0091-02

Analysis of Factors Affecting the Output Power of Photovoltaic Plants

Qin Hong-gang，Xu Yong，Dong Xiao-bao

［Abstract］The output power of photovoltaic power plant refers to the efficiency of the grid-connected photovoltaic power generation system with battery energy storage to the specified load or energy storage battery transmission power, which is related to the topology of the entire photovoltaic power plant and the efficiency of each component. Especially for a photovoltaic power generation system that requires frequent charging and discharging, carefully calculating the efficiency of the entire system can effectively increase the output power of the photovoltaic power plant. This article will influence the output power of photovoltaic power plants from the three factors of photovoltaic system power generation, system coupling, and the efficiency of photovoltaic power generation charging the battery through the grid.

［Keywords］topology; photovoltaic power plant; output power光伏发电作为一种清洁而且绿色的电力，在过去的几年里有着爆炸式的发展。光伏电站除了在环境保护上的效益比较高，还能够减少对于电网的依赖性，提高能源输送的安全性能以及经济性能。但光伏发电具有瞬时的特性，如果想要在夜晚正常供电，就必须采用电池储能系统，这就涉及到光伏电站的输出功率问题。一般来说，含电池储能的光伏发电站的输出功率是由光伏发电直接输送到电网的效率、电池储能供给指定符合或指定电网的效率以及电池组从光伏组件或电网充电的效率3部分组成。

1 光伏系统发电量对光伏电站输出功率的影响

光伏系统的发电量受到所选的拓扑和电池组的充电方式的影响，也就是光伏阵列所产生的能力与输送给电网或特定负荷的能量比例。与此同时，含有电池储能的并网光伏发电系统的光伏阵列所产生的直流能量与标准的并网光伏发电系统实际上是相同的，都受到电池充电频率和幅值的影响。

为了计算光伏系统的发电量，必须对每个组件的效率进行计算。如果系统需要在一个电网故障并不常见的地区作为备用电源而存在，这个光伏发电系统就只需要很小的功率维持满充状态，与此同时，电池也只需要在电网出现故障之后再充电。如果光伏发电系统被用于转移峰值负荷，电池组每晚都需要给特定负载供电几小时，那么电池组每天都要进行再充电。

当电池维持在“浮充”状态时，电池厂家能够提供维持电池在浮充电压所需要的电流值，而能量的损耗也是比较小的。而当电池处于每天都需要进行再充电时，逆变器的编程就会对光伏系统发电量产生影响。逆变器的控制方法有以下 3种。

（1）电池仅从电网充电。这种方式又可以分为电池整晚从电网补充电、脱网一次后电网按需给电池充电以及光伏系统发电量不受电池储能充电需求的影响3种。（2）当光伏发电可以使用时，电池只从光伏阵列中补充电。在这种方式中，由于逆变器的控制方式稍有不同，电池组可以每天早上从光伏阵列补充电，也可以再脱网一次之后，在光伏阵列可以使用时再给电池组进行再充电。光伏系统的发电量受到2方面的影响，一是每天电池维护充电的次数，二是

脱网后电池再充电的功率需求影响。第2种影响还会受到指定负荷大小以及脱网频率与时长的影响。

（3）脱网之后的电池，既由光伏阵列维护充电，又由电网补充电。电池组在每天早上由光伏阵列充满电，脱网一次之后，如果光伏列阵可以使用，则用光伏列阵对电池组进行充电，否则通过电网给电池组充电。2 系统耦合对光伏发电站输出功率的影响

系统耦合是用来描述各个组件是否通过DC或者AC接口连接在一起的，针对含有电池储能的并网光伏发电系统而言，系统耦合是光伏阵列与电池组件的连接。系统耦合可以分为直流耦合结构和交流耦合结构2种，2种耦合结构的不同，对于光伏发电站输出功率的影响也有所不同。

在直流耦合系统中，光伏阵列和电池组在逆变器的直流侧并联，能够表明给交流指定负荷、输送到电网以及给电池充电的能量流。因为光伏控制器相比于并网逆变器而言，有着更高的额定电流和更低的额定电压，所以任何输送电力到电池的直流耦合连接都会存在较高的电流电压比。因此，对于这部分的电缆尺寸大小必须能够将损耗降到最低，而与此同时，载流能力大的直流电缆将会增加光伏电站的输出功率，在设计时需要进行综合考虑。

在交流耦合结构中，主要包括拓扑3、拓扑4和拓扑5三种，在这种结构中光伏阵列和电池通过交流母线并联的方式连接。一般的交流耦合拓扑表明了供给交流特定负荷的能量和输出到电网的能量流，还有给电池充电的能量流，不论拓扑的变化还是组件的变化，都将改变系统的预期效率。

关于拓扑结构，在光伏电站的设计中可以分为5种，由于篇幅所限，本文只简略的对其作出描述。

拓扑1是一个包含独立的多模式逆变器的结构，其系统效率由3部分组成：光伏发电输送到电网或供给指定负荷的效率、电池储能供给指定负荷或输送到电网的效率以及电池组从光伏组件或电网充电的效率。

拓扑2是包含一个独立的光伏控制器的结构，是在效率和光伏发电量计算中必须考虑的部分。

拓扑3是包含了2个逆变器和一个互联开关的装置。在

（下转第93页）

2018.7 电力系统装备丨91

电力系统装备

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2018 No.7

风、覆冰和气温对高压架空输电线路的机械强度和电气间距影响较大，是线路设计需要考虑的主要气象条件，被称为气象条件三要素。风作用于架空线上形成风压，产生水平方向上的荷载。风速越高，风压越大，风载荷也会越大。风载荷使架空线的应力增大，杆塔产生附加弯矩，引起断线、倒杆的事故。微风可以引起架空线的振动，使其疲劳破坏断线。而大风则可以引起架空线不同步的摆动，特殊条件下会引起架空线摆动，造成相间闪络，甚至出现鞭击。风还能使悬垂绝缘子串产生偏摆，造成带电部分与杆塔构件之间电气间距减小而发生闪络。

覆冰是在一定条件下架空线和绝缘子串上出现的冰、霜、雨凇和积雪的统称。覆冰增加了架空线的垂直载荷，使架空线的张力增大，同时也增加了架空线的迎风面积，使其所受水平风载荷增加，加大了断线倒塔的可能性。

气温能引起架空线的热胀冷缩。气温降低，导致架空线线长缩短，增加张力，可能导致断线。而气温升高，线长增加，弧垂增大，可能改变对地面或是其他跨越物的电力安全距离。在最高气温下，电流引起的导线升温可能会超过标准值，导线因温度升高而强度降低而最终断线。3 架空高压输电线路风偏电场中存在的问题

高压输电线路是架设于地面之上，利用绝缘子和空气绝缘的电力线路。架空线路由导线、架空地线、绝缘子串、杆塔、接地装置等部分组成。由于架空输电线路受到风力的作用，经常会发生风偏事故，而风偏电场能够刻画架空输电线路的风偏程度。架空线路暴露在自然环境之中，会直接受到气象条件的影响，必须有一定的机械强度以适应当地的气温变化、强风暴侵袭、结冰荷载以及跨越江河时可能遇到的洪水等问题。同时，雷闪袭击、雨淋、湿雾以及自然和工业污秽等也

都会破坏或降低架空线路的绝缘强度甚至造成停电事故。架空线路还存在电磁环境的干扰问题。这些因素都必须在架空线路的设计、运行和维护等方面加以考虑，分析得出以下原因：第一，强风使导线的风偏角度过大；第二，暴雨降低了空气间隙的放电电压；第三，基础设施不够抵抗恶劣的天气因素。为了预防和治理风偏事故造成跳闸现象严重影响我国的用电安全，对发生了故障的线路进行改善：耐张塔跳线加装跳线绝缘子串和重锤；直线塔的绝缘子串加装重锤；结合所在地区的气象条件全面校验风偏间隙。导线风偏是威胁架空输电线路安全稳定运行的重要因素之一，往往发生在大风天气和山区微地形气候区，在设计过程中，由于对当地的气候条件了解不透，造成杆塔头部尺寸不满足设计规程要求。架空输电线路在设计和正常更换复合绝缘子过程中，进行必要的风偏角校验方法，为架空输电线路的防风偏设计和安全运行提供依据。4 结语

近年来，由于气候变化，突发性恶劣天气日渐增多，由于大风所导致的高压架空输电线路风偏现象经常发生，引起跳闸、导线电弧烧伤、断线等故障，严重影响了用电安全，造成了国家的经济损失。有限元方法对高压架空输电线路风偏电场的研究非常有必要，从研究中寻找问题所在，进而采取相应的防风偏措施，降低风偏故障发生的概率，有效解决用电问题，这对于电力系统的安全运行具有非常重要的工程意义、社会价值和经济价值。

参考文献

[1] 崔勇，袁海文，赵录兴，等.基于有限元方法的场磨式电场传感器标定装置优化设计[J].北京航空航天大学学报，2015，41（10）：1807-1812.

（上接第91页）

正常运行时，拓扑3结构的光伏阵列将光伏发电的电量输送到电网中，同时在与电网断开时，将光伏发电用于给指定负荷供电。

拓扑4包含了2个逆变器，其中的并网逆变器直接与电网相连接。此结构的光伏阵列是能够将电能输送到电网，而不能够在正常运行时或者在与电网断开期间，给电池充电或给特定负荷供电。

拓扑5包含了2个逆变器，其中并网逆变器直接连接特定的负荷。在这种拓扑结构中，光伏阵列的输出电量会供给给特定的负荷，同时多余的电能能够给电池组充电。当电池达到浮充电压后，则会将多余的光伏发电输送到电网中。3 光伏发电通过电网给电池充电的效率对光伏发电站输出功率的影响

在减少系统发电量的情况中，有一类是使用已经从光伏阵列输出到电网的电量给电池充电，这应该被视为一种 损耗。

发生这种情况，是因为在一些拓扑结构之中，并网逆变器输出光伏发电到电网中，而多模式逆变器从电网给电池充电，这就会导致上述情况的发生。在这种给电池充电的情况出现时，可以将它看作是电网供电的一种负载，而光伏发电输出变成了电网供电的一部分。

在定义中，从电网给电池充电，通常会被看做是一个负载，当光伏阵列直接给电池充电时，就会减少光伏阵列的有效能量输出。基于此，通过电网使用输出的光伏发电给电池充电的拓扑将会拥有最大的发电量，这是由于光伏阵列被认为没有直接参与电池充电。但是，由于拥有关于电网最大负载的

系统平衡，所以电池也只被认为从电网充电。这个定义适用于拓扑3和拓扑4结构。

与前者相比，光伏阵列连接到多模式逆变器非网侧的拓扑结构，会有比较小的系统发电量，这也是由于光伏阵列被认为直接参与了电池的充电。当然，这也会被拥有关于电网较小负载和系统所平衡，因为电池并不会被电网所充满。这种情况更适用于拓扑1、拓扑2和拓扑5结构。4 结语

光伏电站作为一种技术较为先进的发电站，对环境的伤害远远低于利用煤和天然气发电的发电站。而且我国有非常丰富的太阳能资源，日照充足的同时有许多的可发电区域，但是光伏电站在我国的普及率并不高，这是由于我国的相关技术还不是非常完善，特别是在光伏电站的输出功率上，有太多的因素会影响输出功率，导致光伏阵列发电量的损耗过大，使原本价格较低的光伏发电提高了成本，使其经济效益达不到理想值。在一些发达国家中，这个问题已经得到了解决，相信只要假以时日，我国也一定能够解决光伏电站输出功率的众多影响因素，使光伏发电站得到真正的应用推广，改变我国不环保的发电体系，减轻发电所带来的环境负担。只有采用环境友好型的发电方式，才能够做到可持续发展。

参考文献

[1] 澳大利亚全球可持续能源解决方案有限公司.蓄电池储能光伏并网发电系统[M].北京：中国水利水电出版社，2017.[2] 周志敏.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2013.[3] 周志敏.太阳能光伏系统设计与工程实例[M].北京：中国电力出版社，2016.

2018.7 电力系统装备丨93