光伏发电技术研究

光伏发电技术研究1 前言随着能源危机和使用传统能源对环境的影响， 以煤炭和石油为主的传统能源发电在整个电力系统中比例会逐渐减少。 以风能和太阳能为主的新能源将会在今后有长足的发展。太阳能以其清洁，无污染，装置安装方便，适用地域广泛的优势，将成为 21 世纪最有前途的的新能源之一。目前太阳能发电主要有两种形式 : 一是热发电，二是光伏发电 ( Photovoltaic Generation, PV)。太阳能光伏发电是最为常见的太阳能利用形式 , 是将太阳光辐射能转换成电能的一种发电技术。 太阳光辐射能经光伏器件转换为电能， 再经过能量存储或直接进行各种电力电子交换、 控制欲保护等环节， 成为人们所需要的直流电或交流电。典型的太阳能光伏发电系统由太阳能电池阵列、 控制器、 逆变器、 蓄电池组等部件构成，见图 1。其中太阳能电池阵列将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 控制器为蓄电池提供最佳充电电流和电压， 以减少损耗、 延长蓄电池使用寿命。 逆变器将太阳能电池阵列和蓄电池提供的直流电逆变成交流电， 供给交流负载使用。 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源， 当负载是交流负载时， 逆变器是必不可少的。 蓄电池组是将太阳能电池阵列产生的直流电贮能起来供负载使用。光伏发电系统分为并网系统和独立运行系统。 由于成本因素， 并网系统被广泛地应用在分布式发电和集中式光伏电站中，是当前光伏发电的主要研究方向。目前，国内的光伏发电系统（ Photo Voltaic System，简称 PVS）主要是以直流系统为主， 但最普遍的用电负载是交流负载， 这使直流供电的光伏电源很难作为商品普及推广。同时，由于太阳能光伏并网发电可以不要蓄电池，且维护简单，而节省投资是光伏发电的发展趋势。 这些都必须采用交流供电方式， 因此逆变器在PVS 中的应用也越来越重要。 逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变技术在电力电子技术中已较为成熟。2国内外发展现状近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增， 光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。 但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分， 欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。 SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业 （德国市场占有率达 50%以上） ， 约占全球市场份额的三分之一，第二位是 Fronius 。全球前七位的生产企业占领了近 70%的市场份额。目前国内光伏并网逆变器市场规模较小， 国内生产逆变器的厂商众多， 但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多， 但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年， 已经具备一定的规模和竞争力， 但在逆变器技术质量、 规模上与国外企业仍具有较大差距， 目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、 北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。国内市场规模虽然较小， 但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。 目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、 艾思玛、 KACO等品牌所占领， 国外企业多数通过代理渠道进入国内市场， 由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。 2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据 70%以上的光 伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距， 目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。3 光伏逆变器逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言， 逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为 DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。本节主要介绍逆变器在光伏并网发电系统中的应用。3.1 并网逆变器并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心， 它将光伏阵列发出的电能逆变成 220V／ 50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。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。3.2 光伏并网发电系统对逆变器的要求作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器， 其安全性、 可靠性、逆变效率、 制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求 : 1) 实现高质量的电能转换。 并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到 1。2) 实现系统的安全保护要求。 如输出过载保护、 输出短路保护、 输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。3) 具有较高的可靠性。 目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区， 所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率， 并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。4) 最大功率的跟踪。最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。3.3 并网逆变器结构的选择逆变器一般包括三部分：（ 1） 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；（ 2）控制部分：其功能是控制整个逆变器工作；（ 3）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。光伏并网逆变器按控制方式分类， 可分为电压源电压控制、 电压源电流控制、电流源电压控制、 电流源电流控制四种方式。 以电流源为输入的逆变器， 直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入， 但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器，结构如图 2 所示。图 2 电流型、电压型并网逆变器结构图3.4 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：①硬件电路简单，不需要载波发生器；②电流响应快，可用于实时控制；③输出电压波形不含有特定谐波；④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。以采用 IGBT作为开关器件的三相桥式电压型逆变电路进行 MATLAB仿真， 如图 3 所示图 3 三相 PWM逆变电路4 发展趋势纵观光伏并网逆变器的发展历程，高频化、小型化、智能化、模块化将是其主要发展方向之一， 未来最具发展前景和发展潜力的光伏并网逆变器当属微逆变器 ( 光伏模块集成逆变器 ) ，因为其具有突出的发电效率高、 模块化生产、系统扩展灵活、易于集成等突出优势从技术层面来讲， 大功率并网逆变器和小功率并网逆变器是未来的两个主要发展方向， 其中小功率光伏并网逆变器——微逆变器是最具发展潜力和市场应用前景的发展方向，高频化、高效率、高功率密度、高可靠性和高度智能化是未来的发展方向。从市场层面来讲， 国外光伏企业起步早、 技术成熟， 在市场上占据了主导地位， 国内下游光伏系统市场规模仍较小， 但未来的发展潜力巨大， 使得众多国际光伏企业纷纷抢滩国内市场， 国内企业近几年发展势头迅猛， 占领了国内市场的主要份额。未来国内市场将是众多光伏并网逆变器企业争夺的焦点。