關(guān)于光伏逆變器動態(tài)MPPT效率測試方法的思考

　　在現(xiàn)實生活中，由于陽光照射角度、云層、陰影等多種因素影響，光伏陣列接受到的陽光輻照度和相應(yīng)溫度在不同的條件下會有很大的差別，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，可能會造成短時間內(nèi)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(yīng)對陽光輻照度持續(xù)變化的策略，始終維持、或者是在盡可能短的時間內(nèi)恢復(fù)到一個較高的MPPT精度水平，以及較高的轉(zhuǎn)化效率，才能在現(xiàn)實生活中實現(xiàn)良好的發(fā)電效果。

　　目前光伏逆變器行業(yè)中各大廠商對于靜態(tài)MPPT追蹤算法的處理基本都展現(xiàn)出了很高的水準(zhǔn)，可以精確地維持在非常接近100%的水平，為后端直流轉(zhuǎn)交流的過程提供了良好的基礎(chǔ)。這一點也體現(xiàn)在各個型號的逆變器的總體效率參數(shù)上，標(biāo)稱值一般都很高。而在逆變器實際的工作環(huán)境中，日照、溫度等外部條件是處于實時動態(tài)變化的過程中，逆變器在這樣的條件下工作，其動態(tài)效能也就成為了衡量其實際性能的不可忽視的重要指標(biāo)。

　　在實驗室的測試環(huán)境下，光伏模擬器作為可以直接模擬各種類型、各種配置的光伏陣列的高效模擬器，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)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(即在測試過程中維持給定的IV曲線不變化)，或者是有限的低強(qiáng)度變化(如測試過程中會在給定的兩條或數(shù)條IV曲線之間切換)，較少涉及長時間、高強(qiáng)度的真實工作狀況的模擬。筆者關(guān)注使用光伏模擬器來模擬光伏陣列隨時間而發(fā)生動態(tài)變化的輸出，探究此動態(tài)MPPT測試功能的實用性和其中需要注意的要點。

　　由于動態(tài)天氣的組合方式幾乎無窮無盡，因此首要的問題是光伏模擬器提供了哪些典型類型的天氣文檔，以及是否有足夠的靈活度來供客戶自行生成新的天氣文檔，是否提供足夠高的時間分辨率來支持快速的輻照度變化。我們以光伏模擬與測試業(yè)內(nèi)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例(如下圖1)，另外支持直接在軟件內(nèi)制定或者通過外部數(shù)據(jù)處理軟件(如EXCEL)生成自定義天氣文檔，時間分辨率為1秒。對于天氣文檔的時間長度則沒有限制，可以支持長時間的測試，如一周甚至更長時間。

　　圖1 晴天和陰天的輻照度及溫度變化情況，橫軸為時間，黃線為輻照度，紫線為溫度

　　業(yè)內(nèi)部分組織也定義了一些“標(biāo)準(zhǔn)”的測試形態(tài)，以便對不同的逆變器按照相同標(biāo)準(zhǔn)來做比對。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線性升至800W/m2及反向下降)

　　-- 慢速變化(輻照度半小時從0W/m2線性升至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線性升至800W/m2然后相同速率下降回100W/m2，重復(fù)60次)

　　-- 溫度變化(10秒從35度線性升溫至75度然后相同速率下降回35度，重復(fù)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(fù)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(fù)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對于動態(tài)效率的測試模式定義與EN50530相同。

　　應(yīng)該說這些標(biāo)準(zhǔn)提供了很好的參考條件，便于各逆變器廠商進(jìn)行針對性的改善動態(tài)MPPT性能的研究。這些標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)對于輻照度變化的時間分辨率并沒有給出強(qiáng)制性的要求，但是其本質(zhì)上會要求在以秒為基礎(chǔ)單位的同時進(jìn)行進(jìn)一步的線性內(nèi)插，以滿足該種測試形態(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秒鐘實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)所要求的線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 理想的線性輻照度變化

　　通過簡單的數(shù)學(xué)計算，以一個在標(biāo)準(zhǔn)測試狀態(tài)下(STC，1000W/m?，25攝氏度)標(biāo)稱為1KW的逆變器為例，來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曲線擬合公式，相應(yīng)的晶硅模型和薄膜模型在對應(yīng)輻照度下的理論最大功率點列表如下。

　　也就是說每次100W/m2的輻照度變化會導(dǎo)致光伏模擬器的輸出IV曲線的最大功率點(以下簡稱Pmp)有一個大約10%標(biāo)稱功率的跳變。另外通過簡單的數(shù)學(xué)計算便可得出此種階梯狀變化方式與理想情況間會造成的實際給逆變器供應(yīng)功率的差異，在這輻照度線性增大的7秒內(nèi)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(yīng)100W，約10%標(biāo)稱功率的供應(yīng)不足。同理當(dāng)輻照度線性減少的時候就會是大約每秒多供應(yīng)100W，約10%標(biāo)稱功率的供應(yīng)過量。這種高達(dá)10%的供應(yīng)功率差異完全是由于光伏模擬器本身的算法導(dǎo)致的。對于高速逆變器來說，這種差異可能嚴(yán)重影響其性能表現(xiàn)，使其無法發(fā)揮出自己的真實能力，無法與其他的相對低速的逆變器區(qū)分開來。

　　解決此問題的方法就是在每秒間進(jìn)行線性內(nèi)插，使得光伏模擬器給出的IV曲線盡可能地貼合理想的線性變化。例如阿美特克ELGAR的光伏模擬器可以在每秒之間線性內(nèi)插128次，也就是每7.8毫秒就會自動變更一條新的IV曲線，這樣一來就相當(dāng)于曲線之間幾乎是無縫切換。但是這樣高速的變化會引入另一個問題，即MPPT追蹤精度的計算問題。