光伏并网发电系统若干技术问题的研究

２００６ 年 第 ４ 期光伏并网发电系统若干技术问题的研究０ 引言近几年来并网光伏发电系统逐渐成为光伏技术的研究热点 ， 随着光伏发电系统的性价比提高 ， 其应用范围越来越广 ， 并开始从特殊场合应用向商业化应用发展。１ 光伏并网电路拓扑结构如图 １ 所示光伏并网拓扑结构有很多形式 ， 最普遍的有采用单级变换和两级变换拓扑结构 ， 两级变换拓扑结构一般由形式多样的 ＤＣ／ＤＣ 变换器和 ＤＣ／ＡＣ 并网逆变器组成。 前端的 ＤＣ／ＤＣ 变换器一般是比较 常 见 的 ＢＵＣＫ 、 ＢＯＯＳＴ 、 ＢＵＣＫ－ ＢＯＯＳＴ 、 ＣＵＫ 或 者是推挽电路等等 ， 用来实现光伏电池输出的最大功率跟踪 ， 前端 ＤＣ／ＤＣ 环节还需要实现蓄电池储能功能 ； 而 ＤＣ／ＡＣ 一般是单相或三相并网逆变器实现并网、 有功调节、 无功补偿或者是谐波补偿等功能 ， 如果是单级变换拓扑结构就只有后端的 ＤＣ／ＡＣ 部分。一种新颖的反激式逆变器在光伏发电系统中被提出来如图 ２ （ ａ ） 所示 ， 这种反激式逆变器的改进型拓扑如图 ２－ （ ｂ ） 、 ２－ （ ｃ ） 。 这类型的电路拓扑结构 （ 以图 ２－ （ ｃ ） 为例 ） 由前端的 ＤＣ／ＤＣ 部分和后面的反激逆变器共用一个公共的隔离变压器 ， 主电路是由 ３ 个ＩＧＢＴ 、 两个二极管和一个副边带中心抽头的反激变压器 ， 这个反激变压器不仅传递能量而且起光伏组件与后端的交流并网部分隔离作用。其工作原理是由三个工作状态组成 ： 工作状态一定义为 ＩＧＢＴ１ 导通而 ＩＧＢＴ２ 和 ＩＧＢＴ３ 关断 ， 光伏电池发出的能量通过ＩＧＢＴ１ 储存在反激变压器 Ｔ 的原边绕组中 ， 同时逆变侧电容 Ｃ ２ 储存的能量向电网馈电 ， 并且电容 Ｃ ２ 上的极性与电网同步 ； 工作状态二定义为 ＩＧＢＴ２ 导通而ＩＧＢＴ１ 和 ＩＧＢＴ３ 关断 ， 储存在反激变压器和 Ｃ ２ 的能量在电网正半周时向电网馈电。需要注意的是工作状态一与工作状态二在电网电压正半波时交替工作 ，也就是 ＩＧＢＴ１ 和 ＩＧＢＴ２ 以高频 ＰＷＭ 波的形式交替通断 ， 使系统逆变测馈电电流与电网电压同频同相。 工作状态三就是 ＩＧＢＴ３ 导通而 ＩＧＢＴ１ 和 ＩＧＢＴ３ 关断 ， 储存在反激变压器和 Ｃ ２ 的能量在电网负半周时向电网馈电 ， 工作状态一与工作状态三在电网电压负半波时交替工作 ， 同样系统逆变侧向电网输出的电流与电网电压同频同相。这类反激式并网变换器的优点是使用的元器件少 ， 控制简单。由于两级变换拓扑结构很难把效率提高 ， 以图 ２（ ｃ ） 为例 ， 在光伏电池输出最大功率为 ３００Ｗ 的情况下 ， 整个变换器的效率可以达到 ８９％ ， 这已经是在元器件损耗能量很少的情况下取得的。如果采用单级变换拓扑并网 ， 就可以把整个系统效率提高一个档次 ， 接近 ９７％ 左右。 单级并网变换器的拓扑形式主要是由一个单相或者三相电压型逆变器和一个 ＬＣＬ 滤刘 飞 段善旭 徐鹏威 王志峰３４２００６ 年 第 ４ 期波器和电网并联 ， 但是光伏电池组件输出电压必须在任何时刻都大于电网电压峰值 ， 所以需要光伏电池板串联起来提高光伏系统输入电压等级 ， 但是多个光伏电池板串联也可能由于部分电池板被云层等外部因素遮蔽 ， 导致光伏电池组件输出能量严重损失 ， 同样也导致光伏电池组件输出电压跌落 ， 同样无法保证输出电压在任何时刻都大于电网电压峰值 ，使整个光伏并网系统不能正常工作。因此需要一组大容量的电解电容在光伏电池组件和电网之间解耦 ， 而且并网逆变器的工作状态主要由这些电解电容充放电引起的电容电压的变化情况决定。不过这种电路拓扑因其简单、高效率而适合于并网光伏系统模块化运行。光伏并网发电系统的储能环节可以省略掉。如果具有固定负载的多功能光伏并网系统也需要带有储能系统 ， 我们在以下将着重介绍这类型的光伏并网系统。２ 能量管理以及经济运行策略如图 ３ 所示的光伏并网发电系统 ， 首先满足负载用电 ， 如果还有富余的电能可以通过电能管理系统灵活应用储能系统的充放电来追求光伏发电系统的经济运行机制 ， 这样的储能环节完全不同于独立光伏发电系统的储能系统 ， 这样的并网机制也不同于一般不带储能环节的并网发电系统。该系统具体有以下几种工况 ：（ １ ） 太阳光照充足 ， 光伏系统发出的电能完全满足固定负载供电需求 ， 同时还有富余。 如果储能系统能量已经储满 ， 就尽最大可能向电网馈电 ； 如果储能系统能量没有储满 ， 但是电网向分布式发电系统收购的电价高于光伏发电的成本价时 ， 优先考虑向电网卖电以追求经济效益 ； 如果储能系统能量没有储满 ， 但是电网向分布式发电系统收购的电价低于光伏发电的成本价时 ， 优先考虑向储能系统储能 ， 等能量储满 ， 如果还有富余的电能的话 ， 再向电网馈电。（ ２ ） 太阳光照不充足 ， 光伏系统发出的电能不能满足固定负载供电需求。如果电网电价高于光伏发电的成本价时 ， 启动储能系统向负载供电以满足负载电能需求 ； 如果电网电价低于光伏发电的成本价时 ， 向电网买电提供负载供电以满足负载电能需求。（ ３ ） 阴雨天或者夜间 ， 这时光伏系统没有能量发出 ， 只能通过向电网买电满足负载供电需求 ， 同时考虑电网电价与光伏发电成本价的关系。如果电网电价低于光伏发电的成本价 ， 通过并网变换器的能量双向流动控制 ， 由电网向储能系统充电储能 ； 如果电网电价高于光伏发电的成本价 ， 光伏系统储能环节尽可能向负载供电 ， 如果能够满足负载供电需求量就不向电网买电 ， 满足不了的部分向电网买电补偿这部分电能 ； 如果光伏系统不带固定负载可以作静态无功补偿器运行 ， 这样可以提高光伏系统的利用率。针对以上这几种工况 ， 光伏系统可以采用灵活的电力调度 ， 使光伏并网发电系统始终在最优的经济模式下运行 ， 而且还可以和风能以及燃料电池组成混合式发电系统。这样可以合理运用发电成本价与电网电价的关系实现分布式新能源发电系统的经３５２００６ 年 第 ４ 期１２３４５６７８９１０１１１２３８０４２８５８８６５３７０９６９２６７０６３５５２４４８８３９３３３３４．１４．８５．６５．５４．６４．３３．９３．５３．６３．８４．５４．６４２４７３８３６４２４７４１１０４２４７４１１０４２４７４２４７４１１０４２４７４１１０４２４７３０６１３７４５５２８７５６０５５４６９５１７５４８１０４４３５３７７４３６５３３４４１３１６３－ ２７－ ２２４３６２８２５１３４－ ８－ １３－ １６－ ２５３１０７３５００４８０８５３４０５７９８５６５９５４７９５１９３４２８５３９９１３２１４２７２３－ ２６－ ８１３２９３６３７２９２２４－ ６－ ２１－ ３５３６２１４９６０７４７８７０５７４９７８４１２０３０１４２３１９２４７８２９００４５５２４９７８－ １４２９７６７１１７０－ ２９－ ４５－ ３９－ ３１１０１７月份月平均辐射量（ ＭＪ ／ｍ ２ ）月平均风速（ ｍ／ｓ ）月平均用电量（ ｋＷ ? ｈ ）３０ ／２０ｋＷ风光互补电站月发电量估算 （ ｋＷ ? ｈ ）发电量盈亏率 （ ％ ）４０ｋＷ光伏电站月发电量估算 （ ｋＷ ? ｈ ）发电量盈亏率 （ ％ ）９０ｋＷ风力发电站月发电量估算 （ ｋＷ ? ｈ ）发电量盈亏率 （ ％ ）电站初投资 （ 万元 ） ４２０３６０ ３９０表 １ 不同供电方案比较分析济运行。 图 ４ 为混合式发电系统。这种类型的混合式发电的主要优点是可以优势互补。 白天太阳光最强时 ， 风较小 ； 太阳落山后 ， 由于地表温差变化大而风能加强。 夏季太阳光强度大而风小 ； 冬季太阳光强度弱而风大。 燃料电池和太阳能发电稳定可靠 ， 但目前成本较高。 如将三者结合起来 ， 可提高系统供电的连续性、 稳定性和可靠性。 该系统的另一个优点就是经过优化后能够降低发电成本。例如青海省新能源研究所在海西州天峻县阳康乡建成了 ５０ｋＷ 风光互补电站。根据调查的实际情况 ， 并结合未来几年的发展趋势 ， 预测该地区 ５ 年内基本生活用电负荷年用电量将达 ５ 万 ｋＷ ? ｈ 。在满足用户负载用电的前提下 ， 对三种供电方案进行了容量计算 ， 其结果为 ４０ｋＷｐ 光伏电站、 ９０ｋＷ 风力发电站和 ３０ ／２０ｋＷ 风光互补电站 （ 太阳电池为 ３０ｋＷｐ 、 风力发电机为 ２０ｋＷ ） ， 均可满足用户负载需求。 表 １ 对三种供电方案进行了分析计算。从表 １ 计算结果分析 ， 风力发电系统在各月所发电量的稳定性差 ， 在风力资源较好的 ３ 月份其能量输出较大 ， 高出用电需求量的 ７６％ ， 这部分能量会被白白浪费 ； 在风能资源较差的 ８ 月份能量输出也较差 ，仅能满足用电需求量的 ５５％ ， 远远不能满足用户用电需求 ； 光伏发电系统的供电保证率最好 ， 能量输出较风力发电系统要稳定许多 ； 风光互补发电系统虽然供电保证率要比光伏发电系统略低 ， 但由于太阳能、风能资源的互补性 ， 使得输出能量品质相对最好。 从电站初投资分析 ， 风光互补电站最低 ， 其次是风力发电站 ， 光伏电站最高。基于可再生能源分布式发电系统的互联和接口研究 ， 混合式并网发电系统的工作模式以及在不同负载不同电网电价波动情况下的最优控制策略都是以后研究的热点。３ 光伏并网系统显示与远程监控光伏电站主要由光伏电池、 并网功率调节装置、有源无功发生器、 远程监控系统组成。 光伏系统电子显示牌主要是把 ＬＥＤ 显示所需如太阳辐射强度 ， 当前发电功率、 环境温度、 今日发电量以及系统各个部分的工作状态等采集的数据传送到当地监控 ＰＣ 上。监控 ＰＣ 对数据做适当处理后 ， 把需要显示的数据由ＲＳ－ ２３２ 串口通过传输模块向 ＬＥＤ 电子显示牌发送。３６２００６ 年 第 ４ 期目前 ， 光伏系统中的远程监控技术从通讯方式的物理实现来讲分为有线远程监控与无线远程监控两种。有线远程监控主要是通过通讯总线实现远距离信号传输 ， 实时性好 ， 但距离有限 ， 即使是通过线路中继器距离也不能太远 ， 尤其是系统安装在偏远地区 ， 采用有线远程监控是无法实现的 ； 无线远程监控则不受地域与距离的限制 ， 特别是在偏远地区具有特别重要的意义。目前应用比较多的有线远程监控技术包括 ： （ １ ）采用工业总线 ， 如 ４８５ 总线、 ＣＡＮ 总线等来实现下位机 （ ＤＳＰ 、 单片机、 工控机等 ） 与 监 控 主 ＰＣ 机 间 的 通讯 ； （ ２ ） 采用调制解调器 （ Ｍｏｄｅｍ ） 通过公用电话网来实现 ； （ ３ ） 利用互联网 （ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ） 与前两种方式相结合来实现 ， 这种方式的适用范围更广、 距离更长。图 ５－ （ ａ ） 所示是一个采用 ４８５ 工业总线及 Ｉｎｔｅｒ－ｎｅｔ 实现的太阳能光伏发电有线远程监控系统 ， ４８５总线可以实现多个本地光伏系统的联网监控 ， 然后通过转换接口与本地入网计算机连接 ， 再通过 Ｉｎｔｅｒ－ｎｅｔ 实现异地监控。 图 ５－ （ ｂ ） 所示是借助公用电话网 ，通过 Ｍｏｄｅｍ 的链接实现点对点有线远程监控系统。如图 ５－ （ ｃ ） 无线远程监控技术主要借助于微波站或人造卫星的中继传输技术 ， 如利用移动通讯基站上专用的通讯信号频段进行传输 ， 目前我国西部很多移动基站上的光伏电站就是以此方式实现远程监控的。 图 ５－ （ ｄ ） 所示是基于 ＧＳＭ ／ＧＰＲＳ 无线移动通讯网络的远程监控系统 ， 它通过申请移动通讯 ＧＳＭ ／ＧＰＲＳ 的数据通讯业务、或 ＳＭＳ （ ＳｈｏｒｔＭｅｓｓａｇｅ Ｓｅｒ－ｖｉｃｅ ） 短信息业务等实现远程监控。随着移动通讯 ３Ｇ 技术的不断成熟与应用 ， 无线远程监控还可以实现音频、 视频数据的海量传输。 在非偏僻地区主要采用 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 实现远程监控。随着信息技术的发展 ， 通过三网 （ 互联网、 通信网、 有线电视网 ） 合一技术 ， 实现远程监控会十分方便、 快捷 ， 这也是太阳能光伏电站远程监控技术今后的发展趋势。４ 光伏并网技术的展望目前光伏并网技术的发展还处在初期 ， ２０３０ 年之后会有稳定且很高的增长率。到 ２０３０ 年光伏并网发电将成为可行的电力供应者 ， 此后市场将会继续高速增长 ； 商业化应用技术会进一步快速成熟 ， 发电成本会继续降低。所以光伏发电将成为一个标准和公认的选择 ， 它与其它可再生能源一起 ， 将成为安全有力的能源供应者 ， 可以随时随地提供电网或单机模式的电力供应。５ 致谢本 研 究 受 到 台 达 电 力 电 子 科 教 发 展 基 金（ ＤＲＥＫ２００５０１ ） 的大力支持 ， 特此致谢 ！作者单位 ： 华中科技大学电气与电子工程学院图 ５ 光伏系统远程监控的四种方式３７