光伏發(fā)電380伏的電壓受變壓器的限制級

【專家解說】：太陽能光伏發(fā)電是21 世紀(jì)最為熱門的能源技術(shù)領(lǐng)域之一，是解決人類能源危機(jī)的重要手段之一，引起人們的廣泛關(guān)注。本文介紹了太陽能光伏并網(wǎng) 控制逆變器的工作過程，分析了太陽能控制器最大功率跟蹤原理，太陽能光伏逆 變器的并網(wǎng)原理及主要控制方式。

太陽能光伏發(fā)電是21 世紀(jì)最為熱門的能源技術(shù)領(lǐng)域之一，是解決人類能源危機(jī)的重要手段之一，引起人們的廣泛關(guān)注。本文介紹了太陽能光伏并網(wǎng) 控制逆變器的工作過程，分析了太陽能控制器最大功率跟蹤原理，太陽能光伏逆變器的并網(wǎng)原理及主要控制方式。

1 引言：

隨著工業(yè)文明的不斷發(fā)展，我們對于能源的需求越來越多。傳統(tǒng)的化石能源 已經(jīng)不可能滿足要求，為了避免面對能源枯竭的困境，尋找優(yōu)質(zhì)的替代能源成為 人們關(guān)注的熱點問題?？稍偕茉慈缢?、風(fēng)能、太陽能、潮汐能以及生物質(zhì)能 等能源形式不斷映入人們的眼簾。水利發(fā)電作為最早應(yīng)用的可再生能源發(fā)電形式 得到了廣泛使用，但也有人就其的環(huán)境問題、安全問題提出過質(zhì)疑，況且目前的 水能開發(fā)程度較高，繼續(xù)開發(fā)存在一定的困難。風(fēng)能的利用近些年來也是熱點問 題，但風(fēng)力發(fā)電存在穩(wěn)定性不高、噪音大等缺點，大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)會形成一定 沖擊，如何有效控制風(fēng)能的開發(fā)和利用仍是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點。在剩下的可再生 能源形式當(dāng)中，太陽能發(fā)電技術(shù)是最有利用價值的能源形式之一。太陽能儲量豐富，每秒鐘太陽要向地球輸送相當(dāng)于210 億桶石油的能量，相當(dāng)于全球一天消耗的能量。我國的太陽能資源也十分豐富，除了貴州高原部分地區(qū)外，中國大部分 地域都是太陽能資源豐富地區(qū)，目前的太陽能利用率還不到1/1000。因此在我國 大力開發(fā)太陽能潛力巨大。

太陽能的利用分為“光熱”和“光伏”兩種，其中光熱式熱水器在我國應(yīng)用廣 泛。光伏是將光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電形式，起源于100 多年前的“光生伏打現(xiàn)象”。 太陽能的利用目前更多的是指光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)根據(jù)負(fù)載的不同分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種，早期的光伏發(fā)電技術(shù)受制于太陽能電池組件成本因素，主要以小功率離網(wǎng)型為主，滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)無電網(wǎng)居民用電問題。隨著光伏組件成本的下降，光伏發(fā)電的成本不斷下降，預(yù)計到2013 年安裝成本可降至1.5 美元/Wp，電價成本為6 美分/(kWh)，光伏并網(wǎng)已經(jīng)成為可能。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)逐步成為主流。

本文主要介紹并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和主要部件的工作原理。

2 并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 所示為并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)包括兩大主要部分：其一，太陽能電池組件。將太陽傳送到地球上的光能轉(zhuǎn)化成直流電能；其二，太陽能控制逆變器及并網(wǎng)成套設(shè)備，負(fù)責(zé)將電池板輸出直流電能轉(zhuǎn)為電網(wǎng)可接受的交流能量。根據(jù)功率的不同太陽能逆變器的輸出形式可為單相或者三相；可帶隔離變壓器，也可不配隔離變壓器。

太陽能控制逆變器及并網(wǎng)成套設(shè)備，主要包括控制器、逆變器以及監(jiān)控保護(hù)單元組成。控制器主要實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率跟蹤，逆變器主要負(fù)責(zé)將控制器輸出的直流電能變換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能饋送電網(wǎng)，監(jiān)控保護(hù)單元主要負(fù)責(zé)發(fā)電系統(tǒng)安全相關(guān)問題如孤島效應(yīng)的保護(hù)，并及時與上位機(jī)通訊傳遞能量傳輸信息。

3 太陽能控制器及其原理

3.1 太陽能電池組件模型

圖2 所示硅型光伏電池板的理想電路模型。其中，Iph是光生電流，Iph值與光伏電池的面積、入射光的輻射度以及環(huán)境溫度相關(guān)。ID為暗電流。沒有太陽光照射的情況下，硅型太陽能電池板的基本外特性類似于普通的二極管。暗電流是指光伏電池在沒有光照條件下，在外電壓的作用下PN結(jié)流過的單向電流。v為開路電壓，RS為串聯(lián)電阻一般小于1 歐姆，RSH為旁路電阻為幾十千歐。

光伏電池的理想模型可由下式表示：

其中，v 為電池板熱電勢。

圖3 表述在特定光照條件下電池板的伏安特性。陰影部分是電池板在相應(yīng)條件下所能夠輸出的最大功率。太陽能電池板在高輸出電壓區(qū)域，具有低內(nèi)阻特性，可以視為一系列不同等級的電壓源；在低輸出電壓區(qū)域內(nèi)，該電源有高內(nèi)阻特性，可以視為不同等級的電流源。電壓源與電流源的交匯處便是電池板在相應(yīng)條件下的最大輸出功率。在電池板的溫度保持不變的情況下，這個極大功率值會隨著光照強度的變化而變化，最大功率跟蹤要求能夠自動跟蹤電池板的工作在輸出功率極大的條件。

3.2 太陽能控制器電路拓?fù)?

圖4 為太陽能控制器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從原理上說是以及升壓斬波器，通過調(diào)整開關(guān)器件S 的占空比，調(diào)節(jié)電池板的等效負(fù)載阻抗，實現(xiàn)對電池板的最大功率跟蹤功能。

3.3 最大功率跟蹤方法

最大功率跟蹤技術(shù)有兩種技術(shù)路線：其一是CVT 技術(shù)，控制電池組件端口電壓近似模擬最大功率跟蹤，這種方法原理簡單但是跟蹤精度不夠；其二是MTTP 技術(shù)，實時檢測光伏陣列輸出功率，通過調(diào)整阻抗的方式滿足最大功率跟蹤。目前，太陽能逆變器廠家廣泛采用的MPPT 技術(shù)。目前，常用的MTTP 方法有兩種。

（A ）干擾觀測法（P&O）：

干擾觀測法每隔一定時間增加或減少電壓，通過觀測功率變化方向，來決定下一步的控制信號。如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一步電壓變化方向改變電壓，如果檢測到輸出功率減小，則改變電壓變化的方向，這樣光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點。如果采用DC/DC 變換器實現(xiàn)MPPT 控制，在具體實施時應(yīng)通過對占空比施加擾動來調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓或電流，從而達(dá)到跟蹤最大功率點的目的。如果采用較大的步長對占空比進(jìn)行“干擾”，這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近振蕩幅度比較大，造成一定的功率損失，采用較小的步長則正好相反。

（B）電導(dǎo)增量法（INC）：

光伏電池在最大功率點Pm處dP/dU=0，在Pm兩端dP/dU均不為0。

而

則有

要使輸出功率最大，必須滿足（4 ）式，使陣列的電導(dǎo)變化率等于負(fù)的電導(dǎo)值。首先假設(shè)光伏陣列工作在一個給定的工作點，然后采樣光伏陣列的電壓和電流，計算Δv =v (n) - v (n-1)和Δi =i (n) - i (n-1)，其中(n)表示當(dāng)前采樣值，(n-1)為前一次的采樣值；如果Δv=0，則利用Δi 的符號判斷最大功率點的位置；如果Δv≠0，則依據(jù)Δi /Δv +I /V 的符號判斷。

這種跟蹤法最大的優(yōu)點是當(dāng)光伏電池的光照強度發(fā)生變化時，輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，電壓波動較擾動觀測法小。缺點是其算法較為復(fù)雜，對硬件的要求特別是對檢測元件的精度要求比較高，因而整個系統(tǒng)的硬件成本會比較高。

4 太陽能逆變器及其工作原理

太陽能逆變器的電路拓?fù)淙鐖D5 所示，5-a)是單相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)洌?-b)是三相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?。從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。

4.1 電路的基本工作原理

以圖6 的單相光伏逆變電路分析。

按照正弦波和載波比較方式對S -S 進(jìn)行控制，交流側(cè)AB處產(chǎn)生SPWM波1 4 ，u 中含有基波分量和高次諧波，在L 的濾波作用下高次諧波可以忽略，當(dāng)
AB AB Su 的頻率與電網(wǎng)一致時，i 也是和電網(wǎng)一致的正弦波。在電源電壓一定的條件下，
AB s i 的幅值和相位僅有u 的基波的幅值和相位決定，這樣電路可以實現(xiàn)整流、逆變
s AB以及無功補償?shù)茸饔谩D7 所示是電路的運行向量圖，其中7-a)是整流運行，7-b)是逆變運行，7-c)是無功補償運行，7-d)是I 超前φ角運行。單相光伏逆變器工作
s 在7-b)狀態(tài)。

4.2 電路的基本控制方法

光伏逆變器對于功率因數(shù)有較高要求，為了準(zhǔn)確實現(xiàn)高功率因數(shù)逆變，需要對輸出電流進(jìn)行控制，通常的電流控制方式有兩種：其一是間接電流控制，也稱為相位幅值控制，按照圖7 的向量關(guān)系控制輸出電流，控制原理簡單，但精度較差，一般不采用；其二是直接電流控制，給出電流指令，直接采集輸出電流反饋，這種控制方法控制精度高，準(zhǔn)確率好，系統(tǒng)魯棒性好，得到廣泛應(yīng)用。

5 監(jiān)控保護(hù)單元簡介

監(jiān)控保護(hù)單元的主要作用有：

保護(hù)發(fā)電設(shè)備的安全以及電網(wǎng)的安全；

型代表，如何準(zhǔn)確測定孤島效應(yīng)也是監(jiān)控保護(hù)單元的重要作用；

區(qū)，智能電量管理和系統(tǒng)狀況檢測上報也是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重點考慮的因素。

5.1 并網(wǎng)保護(hù)裝置

并網(wǎng)保護(hù)裝置主要實現(xiàn)以下保護(hù)功能：低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、國頻率保護(hù)、過電流保護(hù)以及孤島保護(hù)策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)故障時及時處理。

5.2 孤島檢測技術(shù)

孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時，并網(wǎng)裝置仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時電網(wǎng)將不再控制這個電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會對光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應(yīng)必須避免。目前常用的孤島效應(yīng)檢測方法主要有兩種，分別是被動檢測方法和主動式檢測方法。

(A)被動式孤島檢測：

孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時的負(fù)載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無功交換有很大的關(guān)系。電網(wǎng)脫離后有功的波動會引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化，無功的波動會引起光伏系統(tǒng)輸出頻率的變化。電網(wǎng)脫離后，如果有功或者無功的波動比較明顯，通過監(jiān)測并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測到孤島的發(fā)生，這就是被動式孤島檢測方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后，如果有功和無功的波動都很小，此時被動式檢測方法就存在檢測盲區(qū)。

（B ）主動式孤島檢測：

主動式孤島檢測方法中用的比較多的是主動頻移法（AFD ），其基本原理是在并網(wǎng)系統(tǒng)輸出中加入頻率擾動，在并網(wǎng)的情況下，其頻率擾動可以被大電網(wǎng)校正回來，然而在孤島發(fā)生時，該頻率擾動可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，從而檢測到孤島的發(fā)生。這類方法也存在“檢測盲區(qū)”，在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)比較高時，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統(tǒng)無法檢測到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動會引起輸出電流波形的畸變，同時分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要進(jìn)行電能質(zhì)量治理時，頻率的擾動會對諧波補償效果造成較嚴(yán)重的影響。智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)大型光伏電站由于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，常常為無人值守電站。為了準(zhǔn)確計量電站的電能輸出及系統(tǒng)運行狀況需要設(shè)立智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)往往基于計算機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理工作，這部分的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本文中不在詳述。

6 結(jié)語

本文主要介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了其主要組成部件的系統(tǒng)框圖、功能。給出了最大功率跟蹤的基本原理，分析了光伏逆變器的主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)作為有可能徹底改變?nèi)藗兩畹某柤夹g(shù)，擁有美好的未來，讓我們共同期待光伏技術(shù)在明天為人類做出更大的貢獻(xiàn)。