太阳能光伏并网技术研究.pdf

太阳能光伏并网技术研究摘要： 随着绿色能源可再生能源的大规模开发和利用， 太阳能凭借其独特的优点得到了更多的关注。 太阳能是当前世界上最清洁、 最现实、 大规模开发利用最有前景的可再生能源之一。 其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注， 而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势， 必将得到快速的发展。 本论文就是在此背景下， 对太阳能并网发电系统中最大功率跟踪控制技术、 并网控制策略、 孤岛效应检测方法等进行了研究， 具有重要的现实意义。 太阳能光伏并网发电系统的两个核心部分是太阳能电池板的最大功率点跟踪（ MPPT）控制和光伏并网逆变控制。 本文重点对光伏发电的逆变器最大功率点跟踪技术、 孤岛检测技术以及光伏电站并网控制技术进行了讨论， 并且预测了光伏发电技术的发展趋势。关键字： 并网发电、跟踪技术、孤岛检测1 研究背景传统电能的生产百分之六七十都采用的火电形式， 火电是用煤发电， 有大量的温室气体和有毒气体产生， 这些气体的排放破坏生态平衡， 并且全球各国工业对煤、 石油、 天然气等化石能源的需求量急剧增长， 而这些不可再生能源的储量是有限的，越来越少，不该作为燃料耗尽。太阳能具有分布广泛，资源可再生，易采集，清洁、干净、污染小，建造灵活方便，扩容方便，具有通用性，有可存储性等特点。 太阳能系统可以加入蓄电池储存电能， 光伏建筑集成， 把太阳能光伏发电系统直接与建筑物相结合， 这样能节省发电站使用的土地面积、 减少了传输成本。 最后太阳能光伏具有分布式特点， 光伏发电系统的分布式特点既可以提高整个能源系统的安全可靠性， 特别是从抵御自然灾害和战备的角度看， 更具有明显的意义。2 光伏并网发电系统的基本介绍2.1 光伏并网发电系统的基本原理太阳能光伏发电并网系统是将太阳能光伏阵列发出的直流电转化为与公共电网电压同频同相的交流电， 因此该系统是既能满足本地负载用电又能向公共电网送电。 一般情况下， 公共电网系统可看作是容量为无穷大的交流电压源。 当太阳能光伏发电并网系统中太阳能光伏阵列的发电量小于本地负载用电量时， 本地负载电力不足部分由公共电网输送供给； 当光伏电池阵列的发电量大于本地负载用电量时，太阳能光伏系统将多余的电能输送给公共电网，实现并网发电。2.2 光伏并网发电系统的组成太阳能光伏发电并网系统组成如图所示，该系统一般由太阳能电池光伏阵列、 MPPT 控制、 DC/DC 变换器、驱动电路以及控制器组成，其中变换器可将太阳能光伏阵列发出的直流电逆变成正弦交流电并入公共电网。 控制器主要控制逆变器并网电流的波形、 功率以及光伏电池最大功率点的跟踪， 以便向电网传送的功率与太阳能光伏电池阵列所发的最大功率电能相匹配。2.3 光伏并网发电系统的控制方式如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制， 则相当于是电压源与电压源并联运行； 如果光伏并网逆变器的输出采用电流控制， 就相当于电流源与电压源并联运行。 逆变器采用电流控制时， 只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压， 控制输出电流与电网电压同频同相，这样系统的功率因数为 1。目前，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。太阳能光伏发电并网系统的逆变器通常采用电流控制模式， 这样整个系统系统实际上就是一个电压源和电流源并联的系统。 逆变器并网运行的主要控制目标是要保证逆变器输出电流与公共电网电压同频同相， 并且还能实时跟踪电网电压实现最大功率跟踪控制。 通过采用锁相控制技术实现太阳能光伏发电并网系统输出的并网电流与公共电网电压相位同步，保证系统输出的功率因数为 1。逆变器并网运行时还要控制并网电流的总畸变失真要低， 以减小对电网的谐波影响， 使并网系统的有功功率输出达到最大。2.4 光伏并网发电系统的分类光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类： 一种为不含蓄电池环节的不可调度式光伏并网发电系统； 另一种为含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统。系统结构图如 1． 1 所示可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节，系统首先对蓄电池进行充电，然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用， 系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。 可调度式并网系统虽然在表面上看来比不可调度式系统功能齐全，但由于增加了储能环节，带来了很多严重的问题，这是因为：(1)由于采用蓄电池作为储能设备，系统必须增加蓄电池的充电装置，这就增加了成本并且降低了系统的可靠性。(2)蓄电池组的寿命较短。目前免维修蓄电池在良好环境下的工作寿命通常为 5 年， 而光伏阵列稳定工作的寿命则在 25~30 年之问， 这样就需要定期更换蓄电池组，又增加了许多系统的投入。(3)蓄电池组较为笨重，需要占用较大空间，同时要防止泄露出腐蚀性液体，另外报废的蓄电池组要专门处理，否则会造成污染。基于上述原因， 目前的光伏并网系统主要以不可调度式系统为主。 不可调度式光伏并网发电系统的集成度高，其安装和调试相对方便，可靠性也高。并网发电系统根据其所产生的电能能否返送到电力系统，可以分为逆流型，无逆流型，切换型，直、交流型，混合型和地域型等。（ 1）直、交流型并网发电系统，该系统就是将光伏发电系统所产生的直流电直接供用电设备使用。 该系统有时与电力系统并用， 主要目的是为了提高供电的可靠性。（ 2） 混合并网发电系统当太阳能光伏发电所提供的电力不足 (如遇到连续阴雨天气、冬季日照时间过短等 )，需要使用其他能源来补充时，可以将风力发电、燃料电池发电等其他发电系统与光伏发电系统并用， 这样的系统叫做混合并网发电系统，如太阳能光伏、燃料电池并网发电系统和风、光互补型并网发电系统：① 太阳能光伏、燃料电池并网发电系统，为综合利用能源，提高能源的综合利用率， 节约电费， 减少环境污染， 有时将燃料电池与太阳能光伏发电系统并网在一起，构成太阳能光伏、燃料电池并网系统；② 风、光互补型并网发电系统，当利用光伏发电提供的电力不足时， 可以利用风力发电； 当风力发电不足时， 可以利用光伏发电，这样的系统称为风、光互补式并网发电系统。风光互补系统同时利用太阳能和风能发电，因此对气象资源的利用更加充分。 可实现昼夜发电。 在适宜气象条件下， 风光互补系统可提高系统供电的连续性和稳定性。 由于通常夜晚无阳光时恰好风力较大， 所以互补性好， 可以减少系统的太阳能板配置， 从而大大降低系统造价， 单位容量的系统初投资和发电成本均低于独立的光伏系统。该系统发电有余时可向电网系统供电 (卖电 )；当该系统所发出的电能不足时，可以由电网系统供电 (买电 )。逆流型太阳能并网发电系统， 当太阳能光伏系统发出的电能充裕时， 可将剩余电能向电网系统供电； 当太阳能光伏系统提供的电力不足时， 可利用外接电力系统供电。这种系统称为逆流式并网发电系统。无逆流型并网发电系统太阳能光伏发电系统，即使发电充裕也不向电力系统供电， 但当太阳能光伏发电系统供电不足时， 可以利用外接电力系统供电。 这种系统称为无逆流式并网发电系统。(5)切换型并网发电系统， 该系统可分为以下两种： ① 切换型并网发电系统当多云、 阴雨、 日光不足、 晚间或蓄电池容量不足时， 切换器能自动地换向电力系统一侧， 由电网直接向负载供电。 设计时， 若采用大容量的蓄电池， 投资费用增大；采用切换器可使用小容量的蓄电池，则成本可以明显降低。② 自运行切换型并网系统当电力系统因多种原因突然停电时， 光伏系统可以通过保护装置自动使电力系统与光伏系统分离。3 光伏并网系统的核心技术为了最大限度的利用好太阳能资源， 现阶段太阳能光伏并网技术的研究方向为最大功率点跟踪技术，并网逆变器控制技术，孤岛检测技术。3.1 最大功率点跟踪技术（ MPPT）最大功率点跟踪技术是通过调整光伏阵列端电压， 使光伏阵列在不同的光照和温度下实现最大功率输出，目前常用的 MPPT 方法主要有恒电压跟踪方法，干扰观测法和电导增量法3.1.1 恒电压跟踪方法虽然光伏阵列的最大功率点功率随着光照强度的增强而增大 .但最大功率点电压基本变化不大。 因此， 只要通过光伏阵列生产商提供的光伏阵列的特性数据或者通过实际测量就可以得到近似最大功率点电压 U系统只需将光伏阵列的输出电压固定在 U.上 .就可以使光伏阵列以近似最大功率输出。这样就将最大功率点跟踪控制简化成稳压控制， 光伏阵列的工作点比较稳定， 实现方法简单， 系统稳定可靠。但是 .这种方法忽略了温度对光伏阵列工作特性的形响。当温度上升时，光伏阵列的最大功率点电压下降，并且变化较大。如果仍然采用固定电压法控制 .光伏阵列的输出功率将损失较大 .无法充分发挥作用，效率下降 .因此，在冬夏、早晚等温度变化较大时 .采用固定电压控制并不合适，此时，可以通过以下方法根据实际情况改变 Um：1)根据冬夏、 早晚的实际情况， 手工调整 Um.由于需要人工维护， 费时费力，因此较少采用。2)将光伏阵列在不同温度下对应的 Um.存储在系统的存储器内。 根据温度传感器测量得到的温度相应的将光伏阵列输出电压固定在此温度下对应的 Um。3)根据光伏阵列的最大功率点电压与开路电压之间存在近似的比例关系这一特性改变 Um。根据以上分析，可知因定电压法的特点如下 : 1)原理简单， 控制方法容易实现 .只需耍将光伏阵列输出电压固定在近似最大功率点电压 Um 处即可。2)由于光伏阵列输出电压固定在某一特定值， 因此系统比较稳定 .不易出现振荡 . 3)在外部环境发生变化的情况下控制精度较低 .因此适用子外部环境 (光照强度、温度等 )变化不大的场合，如太空 . 3.1.2 干扰观测法扰动观察法是一种通过主动改变光伏阵列工作点、 根据改变前后的输出功率的变化来确定最大功率跟踪方向的一种方法 .它的工作原理是 :给光伏阵列的工作点施加一定的扰动 .然后判断光伏阵列输出功率的变化 .如果输出功率增大 .则保持扰动方向不变继续扰动 ;如果输出功率减小 .则反方向扰动。扰动观察法的特点如下：1)跟踪算法简单，容易实现；2)光伏阵列最终会在最大功率点附近振荡 .造成部分功率损失；3)跟踪步长会对跟踪精度及跟踪速度产生影响 .即跟踪步长过大 .可以提高跟踪速度，但会使跟踪精度下降，功率损失增大 :跟踪步长过小，可以最终提高跟踪精度， 但是过小的步长会使系统长时间工作在非最大功率点附近， 即踪速度级慢；4）在外部环境发生急剧变化时，系统会发全误判现象，但是能够最后自我修正。3.1.3 电导增量法电导增量法是另外一种比较常用的最大功率点跟踪方法 .，通过光伏阵列的P-U 曲线可以看出 :当光伏阵列的工作点位于最大功率点的左侧时。 dP/dU>O:当光伏阵列的工作点位于最大功率点时， dP/dU-0:当光伏阵列的工作点位于最大功率点的右侧时， dPIdU