光伏并网技术及并网影响综述

TECHNOLOGY WIND光伏并网技术及并网影响综述艾斯卡尔 12 唐彬伟 1（ 1.金风科技股份有限公司，新疆乌鲁木齐 830026； 2.华北电力大学，河北保定 071000）[摘 要 ] 作为清洁能源之一的光伏发电越来越受到人们的重视 。 本文综述了光伏发电系统的分类，分别论述了基于不同拓扑结构的光伏系统及其逆变器的优缺点及应用场合 。 最后综述了光伏发电系统对电网运行造成的影响及其原因 。[关键词 ] 光伏发电系统；逆变器；拓扑结构；并网技术随着经济的发展 、 人口的增加和社会生活水平的提高，未来社会对能源的需求不断增加，能源危机也日益紧迫 。 世界各国高度重视新能源的开发及相关技术的研究，我国作为能源消费大国更加注重新能源技术的开发与应用，而太阳能光伏发电作为一种重要的新能源形式越来越受到人们的关注 。作为分散式电源之一的光伏发电系统并网后，对大电网的系统稳定性 、 电能质量和运行的经济性等方面都有影响 。 特别是光伏电站功率输出受温度和光照强度等环境因素的影响，其在多云天气下，因日照原因引起的功率变化率较大，最大可达光伏电站装机容量的 25% 左右 。同时，采用了大功率电力电子元件，光伏电站启动时对电网造成较大冲击，且会造成如电压闪变 、 高次谐波等电能质量问题 。 然而，目前我国对分散式电源并网影响的研究多以风电居多，对光伏发电并网研究的问题主要是围绕最大功率跟踪 、 逆变器拓扑结构及控制方式 、 滤波 、 无功补偿 、 孤岛检测等方面及其相互之间的协调配合，侧重于以逆变器为核心的并网光伏发电系统设备设计与应用研究 。 其并网后对大电网的影响，以及并网运行时与大电网的协调控制研究甚少 。 因此，将大型光伏电站接入系统后，其运行特性的研究成为目前光伏发电产业与电力领域共同关心的课题 。1 光伏发电系统及并网技术1.1 并网光伏发电系统目前常见的光伏并网发电系统，可分为可调度式光伏发电系统与不可调度式光伏发电系统 。 两者配置如图 1，图 2 所示 。 相对于不可调度式光伏系统，可调度式光伏系统有储能装置，可以实现不间断电源和有源滤波功能，并有益于电网调峰 。 虽然在功能上优于不可调度式光伏系统，然而目前储能环节多采用铅酸蓄电池，其成本较高，而酸蓄电池寿命通常为 3 到 5 年，废旧的蓄电池也需回收处理 。 这些缺点都是目前限制可调度式光伏并网系统广泛应用的主要原因 。 因此，目前大型集中式并网光伏发电系统均为不可调度式光伏系统 。图 １ 不可调度式光伏发电系统结构示意图图 ２ 可调度式光伏发电系统结构示意图1.2 最大功率跟踪在光伏发电系统中，太阳能电池板是最基本的单元，其 I- V 特性是非线性的，且对外界温度 、 日照强度比较敏感 。 因此须采用最大功率跟踪控制以提高能量转换效率，使输出功率为最大 。 目前常用最大功率跟踪方法分别为：定常电压跟踪法，干扰观察法，电导增量法 。 这些方法分别存在：跟踪精度不高，跟踪速度不快导致系统效率降低；响应速度慢；工作点在最大功率点附近振荡，无法取得全局最优点等问题 。2 光伏发电系统结构2.1 集中式逆变器集中式逆变器结构主要由光伏阵列 、 逆变器及高压直流总线构成 。它是光伏发电系统最早采用的逆变器形式 。 在该系统中所有的光伏器件通过串并联构成一个光伏阵列，该阵列的能量通过一个大功率逆变器转换为交流电，其构成如图 2 所示 。 集中式逆变器输出功率可达兆瓦级，发电成本低，主要用于功率等级较大的场合 。 然而，这种串 、 并联连接方式使光伏器件不仅受串联模块特性的影响，也受并联模块之间特性的相互影响；若光伏阵列中某一个组件被阴影覆盖，则该组件不仅不能输出功率，还会成为系统的负载，引起该组件的发热，同时这将使该组件寿命缩短；另外，这种结构需要高压直流总线连接逆于变器与光伏阵列，降低了安全性，且增加了成本 。2.2 集成式逆变器集成式逆变器是由逆变器和光伏模块构成以作为光伏发电系统的一个模块，每个模块都是独立工作的光伏系统 。 优点是：效率高，直流母线可省略，输出端可直接接到电网，即便某个模块发生故障，系统的其它部分也能正常工作，提高了光伏系统的安全性 。 而每个集成式逆变器均带有单独的 MPPT 控制电路，可以最大程度的发挥各光伏器件的效能 。 不过在同等功率水平条件下，集成式逆变器造价要高于其它拓扑形式，且与大功率逆变器相比效率较低 。 由于集成式逆变器的结构限制，一旦逆变器或光伏器件发生故障则会给逆变器的维修工作带来不便 。图 ３ 集中式逆变器结构示意图科技前沿272012 年 10 月（ 上 ）图 ４集成式逆变器结构示意图2.3 组串式逆变器 （ string Inverter）组串式逆变器是基于模块化概念，将每个光伏组串联通过一个逆变器并联并网 。 有很多优点，因此目前很多大型光伏发电系统使用组串式逆变器，如不受组串之间模块差异性和遮影的不利影响；减少了各个光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的概率，进而增加了发电量；组串式逆变器在组串之间引入 “ 主 - 从 ” 概念，使系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串并联在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能 。 它可以避免并联模块因电压跌落造成系统不能工作的缺点 。图 ５ 组串型逆变器结构示意图3 逆变器拓扑结构概述光伏系统并网逆变器的拓扑结构及其变换级数可以分为单级式 、两级式和多级式，在各种级数的逆变器中又包括了全桥拓扑结构或全桥和三相半桥或单相半桥 。3.1 单级式系统单级式系统图 6 示 。 逆变器需完成升压 、 最大功率跟踪 、 AC／ DC变换和孤岛检测 。 其中多个光伏组件通过串联提高直流侧输出电压使其达到逆变所需的电网电压水平，还通过并联以提高光伏电池输出功率 。最后经逆变后将交流电压通过工频变压器连接到电网上 。虽然单级式并系统的控制较为复杂，系统设计的灵活性也较差，工频并网变压器的引入使造价偏高，且在光照强度较弱时由于直流侧无升压电路而造成整体发电效率降低 。 但其直流侧采用大量光伏电池串并联，三相并网逆变器的结构固定， 在大功率光伏系统建设中多采用此结构 。图 ６ 单级型并网发电系统示意图3.2 双级式系统两级式光伏并网发电系统，在第一级采用 DC／ DC 变换器将太阳能电池输出的直流电斩波成适合有源逆变器的稳定直流电压 。 第二级为逆变电路，包括了 BOOST 、 丘克等拓扑结构变换器，如图所 7 示 。图 ７ 双级型并网发电系统示意图两级式系统在其效率和设计灵活性上均优于单级式系统，且其升压和逆变由两部分完成，其控制算法相对简单，但受 DC／ DC 器件的容量的和成本的限制，通常在直流电压较低，无大量电池板串并联的独立中小型光伏发电系统中应用 。4 光伏发电系统并网影响4.1 电能质量方面光伏发电系统采用了大量的电力电子设备，电压的调节和控制与常规方式有很大不同，需要相应的控制策略和手段与其配合 。 同时大功率电力电子元件易产生谐波污染 。 此外，当光伏发电系统无隔离变压器与配电网直接相连时，向配电网注入直流，使变压器和电磁元件出现磁饱和现象，使附近机械负荷产生转矩脉动 。 而在微网中光伏发电系统多由用户控制，因此用户会根据自身需求频繁启停，这会使配电网的电压常常发生波动，配电线路上的负荷潮流变化大，加大了电压调整的难度 。 在与电网并网运行时，因有电网的支撑，一般不易发生电压闪变，但切换到孤岛运行时，如无储能元件或储能元件功率密度太小时易发生电压闪变 。4.2 继电保护方面当光伏发电系统接入后会使得电网的结构以及电网中短路电流的大小 、 流向及分布发生变化，使得电网各种保护也将随之发生变化，如使继电器的保护区缩小 。 特别是当电网发生故障时，会引起电弧的重燃，使得重合闸不成功 。 而传统的配电网大多为放射型的，末端电源，不会产转移电流，因而控制开关动作的继电器无需具备方向敏感功能，如此当其他并联分支故障时，会引起安装有分散式发电分支上的继电器的误动，造成该无故障分支失去配电网主电源 。 因此，当电网发生故障时，光伏电站的保护装置能检测出电网故障，以免造成保护误动作 。4.3 对配电网可靠性的影响光伏电站的接入可消除配电网的过负荷和堵塞，增加配电网的输电裕量 。 在一定的发电配置和电压调节方式下，可缓解电压暂降，提高电压调节性能 。 这些都将提高系统的可靠性 。 一般认为分散式电源系统能支持所有重要的负荷，即当失去配电网电源时，分散式电源会即刻取代它从而保证系统电能质量不下降，但实际上很难做到这一点，除非配备适当且适量的储能装置 。 独立 ／ 并网两用光伏系统的接入会对配电网的可靠性有所帮助，但效果不会很明显 。 此外，虽然光伏系统的接入减少了用户停电时间，但对停电频率指标并没有起到改善作用 。 当大系统停电时，由于燃料电池中断或辅机电源失去，会导致光伏系统同时停运，无法提高供电的可靠性 。 电网故障时配电网的继电保护误动作，以及不恰当的安装和链接方式都将降低配电网的可靠性 。4.4 孤岛运行一般而言，光伏电站的保护继电器在执行自身的功能时，并不接受来任何外部与之联系的信息 。 当配电网的断路器已经打开，但光伏发电系统的继电器未能检测出这种情况，未能迅速做出反应，任然向部分馈线供电，造成系统或人员安全的损害 。 若当配电网断路器重合时，光伏电站任然连接，则由于异步重合带来的冲击，会使得光伏电站部件发生损坏 。 由此光伏电站需具备快速检测孤岛且立即断开电网连接的能力，其防孤岛保护应与电网侧线路相结合 。 一旦检测出孤岛的情况，应迅速解列 。 （ 下转第 30页 ）282012 年 10 月（ 上 ）（ 上接第 28 页 ）4.5 对配电系统实时监视 、 控制和调度方面的影响由于传统配电网首电端是一个无源的放射形电网，采集信息 、 开关操作 、 能源调度等相应比较简单，传统配电系统的实时监视 、 控制和调度是由电网统一来执行的 。 光伏发电系统的接入使此过程趋于复杂化，电网运行需要监测的信息类型和范围增加，需要协调控制的对象增加 。4.6 其他方面的影响由于光伏是在白天发电，当光伏不安装储能系统且并网运行时会产生一定量的反向功率输入电网，此时会由于云层的变化而造成公共连接点的电压波动和电压升高，如与各相负荷连接的光伏发电设备数量不均匀的话，较易产生不平衡电流和不平衡电压 。5 结语到 2012 年年底我国光伏系统的累计装机容量已经达到几百兆瓦，将光伏发电系统接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是提高光伏发电规模的重要技术出路，光伏发电系统并网运行也是今后技术发展的主要方向，通过并网能够扩张太阳能使用的范围和灵活性 。 虽然光伏发电系统接入电网运行后会对大电网的系统稳定性 、 电能质量和运行的经济性等方面造成新的影响 。 然而随着光伏并网技术及与电网协调控制技术的不断革新，将一步步推动光伏发电的发展 。［ 参考文献 ］［１］ 胡润青．西班牙光伏激励政策的走势和分析［Ｊ］．太阳能，２００９．［２］ 崔弘，夏成军，罗宗杰等．分布式电源并网对配网系统的影响［Ｊ］．电气应用，２００９．［３］ 黄庆云．含分布式发电的配电网固定费用分摊研究［Ｄ］．湖南大学，２００８．［４］ 王丹．光伏发电系统效率优化问题的研究［Ｄ］．北京交通大学，２００９．［５］ 周令琛，王晓伟．太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实现［Ｊ］．上海第二工业大学学报，２００９．［６］ 董密．太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究［Ｄ］．中南大学，２００７．［７］ 张超．光伏并网发电系统 ＭＰＰＴ 及孤岛检测新技术的研究［Ｄ］．浙江大学电气工程学院，２００６．图 １ 顺序安排比较图 ２ 利用 “ 过河拆桥 ” 法限制零件变形2.2.8过河拆桥原则对于比较特殊的零件，例如很长的异型零件我们可以采用 “ 过河拆桥 ” 气割法，在气割过程中人为的预留几段 20mm 左右的 “ 桥 ” ，使其与母板通过 “ 桥 ” 相连以牵制零件变形，待零件冷却后再拆掉 “ 桥 ” 。如图 2 所示 。2.2.9提前处理原则当切割大型零件或零件气割尺寸与钢板尺寸接近的时候，当料边与零件的分离，产生的热变形较大，会使料边迅速弯曲，给工作台施加压力 。 工作台产生的反作用力传递给零件，零件就会出现位置移动，造成尺寸偏差 。 所以，在气割操作过程中，要及时地把料边快速割断，使其不能对零件施加作用力，达到有效地防止因料边变形而造成的尺寸偏差的目的 。2.2.10随机应变原则对于其他比较特殊的情况，我们必须要灵活应对 。 例如对于图 3所示的凹型零件，我们要灵活使用两件配对切割的方法，按先里后外，再由外向内的顺序，实际操作顺序如图 3 所示：先 A1→ B1→ C1→D1→ A1，再 A→ B→ C→ D→ A，最后 E→ F， H→ G。图 ３ 特殊凹型件图 ４ 两件配对切割顺序3 结语综上所述，我们在对机械工程零件气割下料变形采取控制措施时，一定要找准出现问题的原因，对症下药 。 影响零件气割变形的原因很多，我们要根据问题具体分析，对症下药，才能有效抑制和减少气割下料的热变形 。［ 参考文献 ］［１］ 尤建宏，刘青林，彭保红．新型切割用燃气的气割工艺及应用［Ｊ］．电焊机，１９９９．［２］ 于春广．提高钢板火焰切割质量的工艺措施［Ｊ］．机车车辆工艺，２００８．［３］ 段俊儒．浅谈数控火焰切割零件的工艺及质量控制［Ｊ］．山西焦煤科技，２００９．［４］ 王绪桥．火焰切割钢板工艺实践［Ｊ］．金属加工（热加工），２０１０．30