通过简单的数学计算,以一个在标准测试状态下(STC,1000W/m2,25摄氏度)标称为1KW的逆变器为例,来评估这种阶梯状变化方式的影响能有多大。按照EN50530附录C中定义的光伏阵列I/V曲线拟合公式,相应的晶硅模型和薄膜模型在对应辐照度下的理论最大功率点列表如下。
辐照度(W/M2)晶硅Pmp(W)薄膜Pmp(W)
300291.6300.7
400394.3404.8
500497507.9
600599.3609.9
700700.8710.3
800801.4808.9
900900.9905.7
1000999.31000.3
也就是说每次100W/m2的辐照度变化会导致光伏模拟器的输出IV曲线的最大功率点(以下简称Pmp)有一个大约10%标称功率的跳变。另外通过简单的数学计算便可得出此种阶梯状变化方式与理想情况间会造成的实际给逆变器供应功率的差异,在这辐照度线性增大的7秒内对于晶硅模型是少了707W,对于薄膜模型是少了700W,也就是大约每秒少供应100W,约10%标称功率的供应不足。同理当辐照度线性减少的时候就会是大约每秒多供应100W,约10%标称功率的供应过量。这种高达10%的供应功率差异完全是由于光伏模拟器本身的算法导致的。对于高速逆变器来说,这种差异可能严重影响其性能表现,使其无法发挥出自己的真实能力,无法与其他的相对低速的逆变器区分开来。
解决此问题的方法就是在每秒间进行线性内插,使得光伏模拟器给出的IV曲线尽可能地贴合理想的线性变化。例如阿美特克ELGAR的光伏模拟器可以在每秒之间线性内插128次,也就是每7.8毫秒就会自动变更一条新的IV曲线,这样一来就相当于曲线之间几乎是无缝切换。但是这样高速的变化会引入另一个问题,即MPPT追踪精度的计算问题。
目前各厂家基本上都是依靠光伏模拟器本身提供的MPPT精度测量功能来直接计算逆变器的MPPT效率,计算方法是将当前时刻的输出电压乘以输出电流,得到当前的实际输出功率,然后除以当前IV曲线的Pmp。这其中当前的实际输出电压和电流值的获取是需要进行实时测量的,有一个测量时间窗口长度的问题,理论上是时间长度长一些比较好,例如20ms或以上,以便于滤除纹波干扰以获得高精度的读数;而另一个更重要、影响也更大的问题是同步问题。
当IV曲线处于高速自动线性内插的状况(例如每7.8毫秒更新一次)时,很显然常规的20ms测量窗口无法与之匹配,当20ms的测量采样时间完成并得到一个输出功率值时,此时的IV曲线已经更新了二至三次,我们拿这个测量值除以当前使用的IV曲线的Pmp值,得到的MPPT效率显然会存在失真。于是当辐照度处于上升状态时,此时光伏模拟器报告的MPPT效率会偏低;当辐照度处于下降状态时,光伏模拟器报告的MPPT效率会偏高。如下图(图4)是一个辐照度以100W/m2的速率从1000W/m2下降至300W/m2,同时光伏模拟器进行每秒128次内插的测试结果。我们可以清楚地看到,红色线代表的光伏模拟器报告的实际输出功率高出蓝色线代表的线性下降的理想IV曲线的Pmp,以至于计算得到的MPPT效率会出现超过100%的情况。