光伏市電互補系統(tǒng)建模及其運行特性

沈陽工業(yè)大學電氣工程學院、遼寧科技學院電氣與信息工程學院、天津工業(yè)大學電工電能新技術天津市重點實驗室的研究人員高長偉、劉曉明、陳海、李鴻一，在2017年第5期《電工技術學報》上撰文，建立了光伏市電互補系統(tǒng)動態(tài)分析模型，提出了基于變步長無電壓檢測的最大功率跟蹤控制方法及基于逆止二極管控制直流母線入口的光伏市電互補系統(tǒng)控制策略。

與擾動觀察法比較,驗證了所提出的最大功率跟蹤控制方法的有效性。光伏市電互補系統(tǒng)運行的仿真結果驗證了模型的有效性及負載電流、電壓波動特性。

實驗結果進一步表明,當太陽輻射量降低時,負載電源由光伏向市電自動切換。在電源切換過程中,負載電壓與電流波形畸變率小,系統(tǒng)保持平穩(wěn)運行。實現(xiàn)了太陽能發(fā)電即發(fā)即用與就地消納利用的目的。

當前，人類社會面臨著傳統(tǒng)化石燃料消耗殆盡、環(huán)境污染日趨嚴重等諸多問題，為緩解能源需求壓力并減輕環(huán)境污染，世界各國大力提倡開發(fā)利用可再生能源。作為一種典型的可再生能源，太陽能因其具有無污染、使用靈活、分布廣泛等諸多優(yōu)點而成為符合可持續(xù)發(fā)展理念的理想綠色能源。

光伏發(fā)電作為太陽能利用的一種主要形式，其具有清潔、可再生的優(yōu)點，并且具有建設周期短、可利用建筑物表面等優(yōu)勢。隨著光伏電池轉換效率的不斷提升和生產(chǎn)成本的持續(xù)降低，其正逐漸在能源、環(huán)境和人類社會發(fā)展中占據(jù)越來越重要的地位。

在人類開發(fā)使用可再生能源的過程中，光伏發(fā)電發(fā)展前景廣闊，將逐漸從補充能源向替代能源過渡。但是，在現(xiàn)有技術條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)出力受外界條件影響十分嚴重。對于大規(guī)模并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，該特征會對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，是阻礙大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的主要因素之一。

隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越多地并入電網(wǎng)，其對電網(wǎng)的影響日益凸顯。大容量光伏電站的并網(wǎng)運行給電力系統(tǒng)節(jié)點電壓和功率的預測增加了難度，給電力系統(tǒng)的安全運行和電網(wǎng)調度造成較大影響，對電網(wǎng)保護與控制的影響不可忽視。

光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要有“低壓接入、分散開發(fā)、就地消納利用”和“中高壓接入、集中開發(fā)、遠距離輸送消納利用”兩種方式。從運行模式來看，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要存在并網(wǎng)系統(tǒng)和獨立系統(tǒng)兩大類。

前者主要是由國家投資興建，系統(tǒng)技術層面要求較高。后者通常需要對蓄電池儲能環(huán)節(jié)進行能量管理，系統(tǒng)建設及運行維護成本高，并且蓄電池等儲能裝置的回收會對環(huán)境造成二次污染。目前，光伏發(fā)電的太陽能利用效率普遍較低，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力遠不能滿足人們對電能的需求。因此，光伏發(fā)電迫切需要與其他可再生能源及傳統(tǒng)化石能源有效結合，共同給電力用戶提供電能，以此來達到多種能源綜合互補的目的。

在此背景下，為了促進太陽能發(fā)電即發(fā)即用、就地消納以及多能源綜合互補利用，本文提出了基于逆止二極管控制直流母線入口的光伏市電互補系統(tǒng)模型，并對其工作特性進行了深入研究。

首先，從光伏電池電氣外特性角度對其工程用等效數(shù)學模型進行了探討，建立了光伏電池輸出特性仿真電路，分析了光伏電池輸出特性以及外界環(huán)境參數(shù)對光伏電池輸出特性的影響。

其次，以所建立的光伏電池模型為基礎，對光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制策略進行了研究。為簡化最大功率跟蹤控制系統(tǒng)結構及控制流程，提出了基于變步長無電壓檢測的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法?；贛atlab/ Simulink平臺建立仿真模型，將仿真結果與擾動觀察法相比較，證明了本文所提出的最大功率跟蹤控制方法的動態(tài)性能及穩(wěn)定性均有顯著提高。

再次，為了進一步驗證本文提出的光伏市電互補系統(tǒng)方案的可行性，在Matlab/Simulink平臺下利用S函數(shù)建立了光伏市電互補系統(tǒng)動態(tài)分析模型并搭建物理試驗平臺。

仿真和實驗結果均表明，當光照強度減小到某一定值后，在光伏電源與市電切換過程中，負載電壓、電流幅值穩(wěn)定，波形畸變率較小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，能夠保持平穩(wěn)運行。光伏市電互補系統(tǒng)無需蓄電池儲能也能保證負載供電的持續(xù)性，在很大程度上降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資和運行管理成本，也不存在因蓄電池等儲能裝置的回收而產(chǎn)生的環(huán)境二次污染問題。

圖1 光伏市電互補系統(tǒng)結構

結論

本文提出了一種光伏市電互補供電系統(tǒng)，以解決光伏發(fā)電系統(tǒng)對負載供電的間歇性和不穩(wěn)定性等不足。系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC-DC變換器、市電電源、隔離變壓器、整流器、逆變器等部分組成。系統(tǒng)將光伏陣列作為主供電電源，為保證負載電源的穩(wěn)定性，以市電為補充供電電源，當光照條件發(fā)生變化時，負載的供電電源在二者間自動切換。

提出采用無電壓檢測MPPT控制方法對光伏電池的最大功率點進行跟蹤控制，該方法只需對光伏電池的輸出電流進行檢測，簡化了控制系統(tǒng)結構。仿真和實驗結果驗證了系統(tǒng)結構設計與控制策略的可行性與有效性。