光伏并网系统的工作原理.docx

1第 1 章 光伏并网系统的工作原理1.1 光伏并网系统光伏并网系统就是将太阳能光伏系统与电力网相连接的系统。并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件和技术关键。除了将光伏阵列发出的直流电转换为交流电，与普通逆变器不同的是，并网逆变器还需对转换的交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、电能品质（电压波动、高次谐波）等进行控制，使转换后的交流电的电压、频率与电网交流电的电压、频率一致。一般来说，并网逆变器具有如下功能：（1） 自动开关。根据日出到日落的日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。（2）最大功率跟踪（MPPT ）控制。在不同的外界温度和太阳光照强度条件下，使光伏阵列尽量保持最大功率输出的工作状态。（3）并网时抑制高次谐波电流流入电网，减少对电网的影响。（4） 防止孤岛运行。系统所在地发生停电，但由于光伏发电继续供电，逆变器的输出电压并未变动。此时，就不能正常检测出是否停电，一旦再恢复来电，就有可能造成事故，这种情况称为孤岛运行。为保护设备维修人员不受到伤害，并网逆变器需要具备此功能。（5） 自动电压调整。由于大量的太阳能光伏系统与电网相联，晴天时太阳能光伏系统的剩余电能会同时送往电网，使电网的电压上升，导致供电质量下降。为保持电网的电压正常，运转过程中要能够自动防止并网逆变器输出电压上升。但对于小容量的太阳能光伏系统来说，几乎不会引起电压上升，所以一般省去此功能。（6） 异常情况排解与停止运行。当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，控制逆变器停止运转。1.2 并网逆变器的结构和原理光伏并网发电系统中，逆变器作为太阳能光伏阵列和电网的连接部分，在不同的应用场合，根据太阳能光伏阵列的输出电流、电压和功率等级和并网需求可以采用多种逆变器的连接方式。2（1）集中逆变器。多组串联的光伏组件并联后再接在逆变器的直流输入侧，再通过逆变器变换为交流电并入单相或三相电网。由于只有一个逆变器，系统设计成本低。但是光伏组件的输出不平衡使系统损耗较多，此外单逆变器结构使系统可靠性下降。它主要应用于大规模的沙漠光伏电站。（2）组串逆变器。光伏组件被连接成为几个相互平行的组串，每个组串都单独连接一台逆变器，故称为“组串逆变器” 。各光伏组串之间没有在直流侧进行并接，而是在交流侧与电网并接。每个组串逆变器均具有独立的最大功率跟踪单元，从而减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的现象和部分阴影带来的损耗，增加了发电量。它主要应用于中大型光伏电站、较大型户用屋顶并网发电和城市分布式发电系统。（3）组件逆变器（AC 光伏模块） 。每个组件连接一台逆变器，交流侧并入低压电网，并对各个组件实现最大功率跟踪控制，增加了逆变器对组件的匹配性，同时模块化结构也增加了系统的可扩展性。然而过多的逆变器使系统整体效率降低。它主要应用于小型光伏发电。逆变器一般包括三部分： 逆变部分：其功能是采用功率开关器件实现 DC/AC 逆变。有的逆变器为了提高直流侧的电压范围和 MPPT 控制采用了多级的逆变结构； 控制部分：其功能是控制整个逆变器工作； 保护部分：其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。并网逆变器输出电流控制方式：瞬时滞环比较控制方式，定时比较控制方式（三态 DPM 和两态 DPM） ，三角波比较控制方式（双极性 PWM、单极性非倍频 PWM 和单极性倍频 PWM） 。为了防止太阳能光伏阵列的直流电流向电力系统的配电线，给电力系统造成不良影响，在并网逆变器中一般设有绝缘变压器将直流电与交流电分开。绝缘变压器可以设置在逆变器与电网配线之间，也可采用在逆变器的功率转换部分设置内藏方式。基于并网安全性的考虑，部分国家强制要求并网逆变器与电网绝缘隔离。根据采用的绝缘隔离方式，并网逆变器电路结构通常分为以下三种：1）工频变压器绝缘3工频变压器绝缘方式主电路将光伏阵列的直流输出逆变为交流电后，通过工频变压器实现并网。其中采用工频变压器使输入和输出绝缘，主电路和控制电路简单。为了追求效率、减少空载损耗，工频变压器的工作磁通密度选的比较低，因此质量和体积较大，约占逆变器的总质量的 50%左右，该结构是最早的一种主电路形式，现在它的应用已经越来越少。2）高频变压器绝缘高频变压器绝缘方式主电路由太阳能光伏阵列直流输入，经过高频逆变器转换成高频交流电压，经高频变压器变换电压后，再经整流电路转换成直流电，最终经过逆变器输出工频交流电。其中采用了高频链接的 DC/DC 变换电路，所以可使装置小型化、可集成化、重量轻。与工频变压器绝缘方式相比，电路构成、控制方式均比较复杂，由于经过两级转换，所以系统的效率也有所下降。该结构是 20 世纪 90 年代比较主流的主电路结构。3）无变压器绝缘在无变压器绝缘方式的主电路中，光伏阵列的直流输出经过升压斩波器升压至合适的电压值，再通过逆变实现交流输出。其中升压 DC/DC 部分可以适应较宽的直流电压范围，有利于光伏阵列实现最大功率输出，同时保证了逆变部分输出电流相对稳定。与变压器绝缘方式相比，由于无隔离变压器的绝缘方式除了具有体积小、质量轻的特点外，还具有效率高、成本较低的特点。虽然没有采用变压器进行输入和输出绝缘，但是只要采用适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全性。它已成为目前主流的并网逆变器主电路结构。对于无变压器结构的逆变器，由于输出电流的直流成分很可能给电网侧设备的变压器造成影响；此外当太阳能阵列的直流部分对地电位发生变动时，有可能通过太阳能阵列的寄生电容而发生漏电。因此为了使无变压器结构的逆变器安全运行，必须采取一定的措施：（l）由于无变压器形式主电路没有变压器对输入和输出绝缘，因此太阳能光伏阵列的正极或负极不能直接接地。系统的接地点应在交流输出的单相三线制中性点。另外，由于太阳能阵列面积较大，对地有等效电容存在（正极等效电容和负极等效电容） ，该电容的充、放电会对电路的正常工作造成影响。当其4低频部分达到漏电流的保护阈值时，漏电流保护开关会切断供电电源，造成断电事故；其高频部分产生的电磁干扰会影响其他用电设备的正常工作。等效对地电容充放电电流的低频部分的影响可以通过控制逆变器变换方式来消除；高频部分的影响可以由滤波的方式来消除。（2）为了防止太阳能光伏阵列接地造成主电路损坏，还应增设接地保护电路。在系统运行过程中，应通过零序互感器来检测太阳能阵列的正、负极的接地电流。正常情况下，正、负极的接地电流应基本平衡，若不平衡电流值超过接地保护电路的阈值，说明光伏阵列的正极或负极有可能接地，此时，接地保护电路动作，切断逆变器的输出，系统停止工作。1.3 逆变器性能的技术参数体现逆变器性能的技术参数主要包含以下几个方面：（l）额定输出电压（稳压能力） 在规定的输入直流电压允许波动范围内，它表示逆变器输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定度有如下规定：在逆变器稳定运行时，电压波动范围有一个限定，如其偏差不超过[键入文字]额定值的+-3%；在负载突变或其他干扰因素影响的情况下，输出电压偏差不超过额定值的+-8%。（2）电压波形失真度 当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（谐波含量） 。通常以输出电压的总波形失真度表示，对单相逆变器其值不应超过 10%，对三相逆变器其值不应超过 5%。（3）额定输出频率 逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定值，通常为工频 50Hz。正常工作条件下其偏差应在+-1% 以内。（4）输出电压不均衡度 这个一般用于三相逆变。在正常工作条件下，逆变器输出三相电压的不平衡度应不超过一个规定值，如 5%。（5）额定电流（或额定功率） 它表示在规定的负载功率因数范围内，逆变器的额定输出电流。有的产品给出的额定功率，其单位为 V*A（伏安）或kV*A（千伏安） 。注：逆变器的额定功率是当功率因数为 1 时（可以通过逆变器控制系统进行控制） ，额定输出电压与额定输出电流的乘积。（6）负载功率因数 它表示逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数应为 0.7-0.9，额定值为 0.9。注：功率因数越接近 1 越5好。（7）逆变器效率 它表示在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比，以百分比表示。逆变器在额定输出功率下的效率为额定效率，10%额定功率输出功率下的效率为低负荷效率。（8）启动特性 它表示逆变器带载启动的能力和动态工作时的性能。逆变器应能够在额定负载下直接启动，能够根据负载的变化很快的响应并调节输出功率。（9）各种保护能力 如：逆变器的过流保护，应能够保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，既保护了逆变器本身，又有利于负载安全；过压保护，应能够保证出现故障导致输出电压过高时能及时实施保护措施，以使负载免受输出过电压的损害；过载保护，当逆变器的负载变化，导致逆变器输出超出额定功率许多，一般为额定负载的 150%，应能够及时切断逆变器从而起到保护的功能。(10)噪声 电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关、大功率开关器件及风扇等部件都会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过 80dB，小功率逆变器的噪声应不超过 65dB。1.4MPPT 控制方法MPPT（Maximum Power Point Tracking）的控制目的就是实现光伏电池的最大功率输出。实质上是一个动态自寻优过程，通过对当前光伏电池输出的电压 V 与电流 I 的检测，求得当前光伏电池的输出功率，然后与前一时刻光伏电池的输出功率相比较，取大的值；在下一周期，再检测 V、I，再比较取大值，如此循环，便可实现 MPPT 控制。MPPT 控制算法有很多方式，常用的有恒电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法以及模糊控制算法等。本节就对这些常用的方法作一介绍。a）恒电压跟踪法从严格意义上来说恒电压跟踪法是一种曲线拟合的工作方式，它的工作原理是：室外温度一定时，光伏电池的最大功率点的分布几乎是在一垂直线两侧，也就是说光伏电池的最大功率点对应某个恒定电压，只需找到 并控制光伏𝑈𝑚𝑎𝑥电池使之输出恒定在 即可。实际上这是把 MPPT 控制简化成稳压控制。𝑈𝑚𝑎𝑥6恒电压跟踪法优点明显：控制简单易实现、可靠性高，能提高光伏电池 20%的效率。缺点就是忽略了环境温度对光伏电池输出电压的影响。以单晶硅为例，环境温度每升高 1 度，其光伏电池输出电压下降 0.3%~0.4%。也就是说光伏电池最大功率点对应的 会随着环境温度的变化而变化。所以恒电压跟踪法不𝑈𝑚𝑎𝑥适合温度变化较大的场所。b）扰动观察法扰动观察法（Perturbation and Observation Method，简称 PO 法）的原理是先给一个扰动输出电压信号（ ） ，然后测量光伏电池输出功率的变化并𝑈𝑃𝑉+∆𝑈与扰动前的功率相比较，如果大于之前的功率值，表明扰动方向正确，可继续向同一（+ △U）方向扰动；如果小于之前的功率值，则往反方向（ -△U）方向扰动。此方法的优点是结构简单，要测量的参数少，通过不断扰动达到最大功率的输出。缺点就是初始值 和跟踪步长△U 值的选取，这个对跟踪精度和速𝑈𝑃𝑉度有很大的影响，而且在光伏达到最大功率点处扰动仍会继续，这就有可能在最大功率点附近振荡，导致功率损失，降低光伏电池的效率。c）增量电导法增量电导法（Incremental Conductance Method，简称 IC 法）与扰动观察法最大的区别就是避免了盲目性。扰动观察法是通过调整工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现光伏电池的最大功率点的跟踪，它不知道最大功率点大致在什么方向。而增量电导法能判断出工作点电压与最大功率点之间的关系，通过每次的测量和比较估算出最大功率点的大致位置，再根据计算结果进行调整，避免了电压调整时的盲目性，也保证了在日照强度变化时，光伏电池的输出端电压以平稳的方式变化，其电压的波动较扰动观察法小。d）最大功率点跟踪的模糊控制控制算法是以模糊集合理论、模糊语言以及模糊逻辑推理为基础的控制思想，是一种非线性智能控制方法。模糊控制的基本原理如图 1.1 所示。在设计模糊控制器的时候要注意以下几点：7 确定模糊控制器的输入量和输出量； 列写出模糊控制器的规则； 选择论域并确定相关参数。MPPT 控制电路参数设计包括两部分，电感 L 设计和电容 C 设计。经计算可得 ，由高等数学求导得最大值算出当 时，L 取到最大值：𝐿=(1‒𝐷)2𝐷𝑉2𝑑𝑐𝑇𝑠𝜂𝑃𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡 𝐷=13，因此为保证额定情况下满足纹波电流的要求，L 应满足𝐿𝑚𝑎𝑥=4𝑉2𝑑𝑐𝑇𝑠27𝜂𝑃𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡。通过计算 ，为保证直流母线的电压波动小于允许值，则𝐿≥𝐿𝑚𝑎𝑥𝐶𝑑𝑐=𝑃𝐵𝑜𝑜𝑠𝑡𝐷𝑇𝑠𝜂𝑣𝑉2𝑑𝑐平均电容值应大于等于 Cdc，这样根据以上所述的方法求出 DC-DC 电路所需要的电感 L 和电容 C，从而保证系统工作时能使波动在允许范围内。1.5 并网逆变器的 PWM 控制策略PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（包括形状和幅值） 。当前的 PWM 的实现方式主要有 SPWM、准最优 PWM、PWM 电流滞环以及电压空间矢量 PWM（SVPWM）控制等等。1） 三相 SPWM 控制SPWM 是逆变器较常用的 PWM 调制方式，技术上已经很成熟。方式简单易实现；缺点就是调制度低，输出线电压幅值最大为的输入电压的 0.866 倍。与其它控制方式相比，在相同开关频率下，SPWM 控制方式的开关损耗较大。基本原理就是把希望输出的正弦波作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过调制波与载波相比得到期望的 PWM 波形。一般采用三角波作为载波，而其等腰三角波应用最多。这是因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称，当它与任一平缓变化的调制信号相交时对电路中的开关器件进行通断控制，这就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。所以调制信号为正弦波时，所得到的就是 SPWM 波形。2）准最优 PWM 控制准最优 PWM 控制与 SPWM 控制不同的地方仅在于调制信号，它是在正弦信号的基础上叠加一个三次谐波，且三次谐波的相位与调制波同相。这种准最优 PWM 控制方式的特点有：电压利用率较 SPWM 的高，最高可达 91%；不包8含低次谐波的干扰；功率器件的开关频率与载波频率相同。3） PWM 电流滞环控制电流滞环控制属于跟踪型 PWM 变流控制，同属于跟踪型的还有三角波比较。采用电流跟踪型 PWM 控制技术有如下优点： 硬件电路简单，不需要载波发生器； 电流响应快，可用于实时控制； 输出电压波形不含有特定谐波； 属于闭环控制。4） 空间矢量电压 PWM（SVPWM）控制空间矢量脉宽调制 SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）控制技术常用于交流感应电机的一种控制方式，控制三相电压型逆变器的功率开关器件的开关触发顺序和脉宽宽度。这种开关触发顺序和脉宽宽度的组合在电机定子线圈中产生 3 个互差电角度且波形失真较小的正弦波电流。空间电压矢量SVPWM 技术从电机角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。SVPWM 利用逆变器不同的开关模式产生实际磁通去逼近基准磁通圆，不仅能达到较高的控制性能，而且由于它把逆变器和电机看作一个整体来处理，使得系统模型简单，便于用 DSP 数字化实现，并且具有噪声低、电压利用率高的特点。目前应用于逆变器控制是 SVPWM 技术主要有两个：一是基于固定频率的SVPWM 电流控制，该方法利用同步旋转坐标系中的电流调节器计算出电压指令，在通过电压空间矢量跟踪电压指令信号，从而实现 SVPWM 控制方法；二是利用基于滞环电流控制的 SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，是电流偏差控制在滞环环宽以内，此方式的开关频率是变化的。1.6 逆变器的保护通常并网逆变器的基本保护功能有：输入过压欠压保护，输入过流保护，短路保护，过热保护，防雷击保护；并网保护有：输出过压保护，输出过流保护，过频、欠频保护以及防孤岛效应保护。各保护功能说明见表 1，其中对于光伏并网最重要的一个仍是防孤岛效应保护，是当今国内外研究热点。9表 1 并网逆变器保护功能说明输入欠压、过压保护 当逆变器的输入电压超过额定电压的±10%时，逆变器应能自动关机过电流、短路保护 当输入电流超过额定值的 150%或出现短路电流时，逆变器应能自动关机极性反接保护 输入直流极性接反时，逆变器应能停止输出过热保护 当功率模块温度超过限定值，逆变器应自动关机基本保护雷电保护 室外逆变器应内置避雷装置，防止雷击输出过压、欠压保护 当电网电压超出正常值的±10%时，逆变器应立刻脱离电网输出过频、欠频保护 输出频率波动范围是±0.5Hz，当电网频率超出此范围时，逆变器应立刻脱离电网输出直流含量 若大于输出电流的 0.5%时，应断开逆变器进行检修并网保护防孤岛保护 当出现孤岛现象，逆变器必须在规定时间内脱离电网当光伏发电系统正常工作时，逆变器将发出的电能输送到电网。若电网因故障断电时，如果系统不能及时的检测到电网断电而继续向电网输送电能，则此时光伏系统够成了一个独立供电系统，称此现象为孤岛效应。形成孤岛的原因一般有两个：一是电网故障检测装置动作后，而光伏逆变器没有检测到故障；二是自然环境因素造成电网线路发生故障。孤岛现象会对整个电网设备和用户设备造成影响，甚至是损坏设备，主要有以下四种情况：（1）发生孤岛时，电网无法对逆变器输出的电压、频率进行调节。一旦出现过压、欠压或者是过频、欠频时，易损坏用户设备；（2）如果光伏发电系统并网同时接有负载，且负载容量大于光伏系统容量时，一但发生孤岛效应，就会发生光伏电源过载；（3）对检修人员的人身安全造成危害；（4）发生孤岛时，若二次合闸会导致再次跳闸，损害设备和逆变器。