太阳能光伏发电中的电力电子技术应用

课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 1 - 太阳能光伏发电中的电力电子技术应用摘要 能源已成为当今世界的热门话题，以石油为主的常规能源在世界各个国家占据着重要地位， 而新型可再生清洁型能源更得各国青睐， 太阳能的使用得以迅速的推广应用。 太阳能光伏发电正在向逐步取代常规能源的方向发展。 本文主要讨论太阳能光伏发电中电力电子技术的发展应用 ;介绍独立供电光伏系统和并网系统的组成特点 ;根据逆变电路不同的电路拓扑，讨论了太阳能最大功率点跟踪技术的实现方法 ;最后引用了一套独立供电的太阳能光伏试验系统的设计，最大功率点跟踪技术和高效的逆变电路设计得到实现。……关键字 能源 太阳能光伏发电 独立供电 并网系统 电力电子技术……1 引言世界能源结构正在发生巨大的变革。 以资源有限、 污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限， 清洁干净的可再生能源为主的多样性， 复合型的能源结构。 太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、 无污染、不受地域资源限制等优点， 正得到迅速的推广应用。随着太阳能光伏发电应用的发展， 太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应， 而是向逐渐取代常规能源的方向发展。 在国外， 并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在空间矢量 pwm 技术、数字锁相控制技术、数字 dsp 控制技术、最大功率点跟踪和孤岛检出技术，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等。 国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主， 并网系统则刚刚起步。 目前国内自主研制课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 2 - 的并网逆变器存在有系统运行不稳定，可靠性低的弱点 ;且保护措施不全，容易引起事故，与建筑一体化等问题也没有得到很好考虑。2 太阳能光伏系统的组成2.1 独立供电的光伏系统组成独立供电的太阳能光伏系统的结构框图一般如图 1 所示。由于太阳能电池只能在白天光照条件下输出能量， 根据负载需要， 系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节来提供夜间所需电力。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。虚线框中部分即为系统控制部分的结构框图，一般由充电电路、放电电路和状态控制电路 3 部分组成。图 1 独立供电的太阳能光伏系统结构框图系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。随着光伏产业的迅速发展， 太阳能电池的价格正在逐步下降， 然而它仍是整个系统中最昂贵的部分。 它的容量选取影响着整个系统的成本。 相比较而言， 蓄电池价格较为低廉， 因此可以选取相对较大容量的蓄电池，尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。 另外，在与负载容量配合时， 应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 3 - 2.2 并网光伏系统组成与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能环节，直接由并网逆变器接太阳能电池和电网，如图 2 所示。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是，在太阳能电池输出较大范围内变化时， 能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。 太阳能电池输出的大范围变动， 主要原因是白天日照强度的变化，范围在 200w/ ㎡到 1000w/ ㎡之间。图 2 太阳能并网系统结构框图3 太阳能光伏系统的最大功率点跟踪技术图 3 是在一定温度时，不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线。由图 3 所示的功率电压曲线可以看到， 每条曲线都存在着一个最大功率输出点， 并且这个最大功率点在当前的光照条件下是唯一的。在太阳能光伏系统中采用较多的一阶 mppt 正是利用了最大功率点的 dp/dv 为零的特性。先对太阳能电池的输出电压和电流进行连续的采样，并将每次采样的一课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 4 - 组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。图 3 太阳能电池输出特性曲线 (不同光照强度下 )对于图 1、图 2 所示的独立供电的太阳能光伏系统和并网太阳能系统，最大功率点跟踪的实现需要采用不同的策略。独立供电系统如图 1 所示，最大功率点跟踪在白天太阳能电池对蓄电池充电时实现。通过调整 buck 充电电路的驱动脉宽，改变太阳能电池直流母线电容上的电压，达到跟踪最大功率点的目的。并网系统如图 2 所示，常用方法是设定逆变输出电流幅值， 改变直流母线电容上的电压， 达到跟踪最大功率点的目的。 这些控制方法都可以看作电力电子在光伏发电技术中的应用。4 独立供电的太阳能光伏试验系统本文引用一套独立供电的太阳能光伏试验系统。系统包括 300pw 太阳能电池， 3 块 100ah 全封闭免维护铅酸蓄电池和系统控制器，控制器中包括实现最大功率点跟踪的充电控制和高频逆变器。负载为 250w 高压钠灯。系统组成如图 4 所示。课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 5 - 图 4 独立供电的太阳能光伏试验系统框图图 5 充电电路控制框图课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 6 - 图 6 照明供电电路结构框图图 7 高频逆变电路输出电流波形 (感性负载 )此试验系统中，由于具有铅酸蓄电池做储能用，因此最大功率点跟踪在充电电路设计中实现，考虑到蓄电池的电流接收能力，充电电路的原理框图如图 5 所示。图 6 是逆变电路结构框图。根据负载特性，高压钠灯需要配合镇流器工作，相当与感性负载，电源为高频交流方波，由直流升压、高频逆变两个环节实现。实验波形如图 7 所示。课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 7 - 5 结论本文对太阳能光伏系统中的最大功率点跟踪和逆变技术进行了讨论。通过对独立供电的光伏系统和并网光伏系统进行系统组成分析， 比较其构成特点和电路拓扑， 讨论得出了各自适用的控制方法。 文章最后介绍了一个独立供电的太阳能光伏试验系统，并给出了实验结果。从上述分析可以看到 : 太阳能光伏发电作为新能源的应用技术正在得到迅速发展，而电力电子技术作为其中的关键技术，对太阳能光伏发电应用的发展起着决定性作用。参考文献[1] m. calais, v. g. agelidis, “multilevel converters for single-phase grid connected photovoltaic systems - an overview“, ieee proc. of isie 98, vol. 1, pp. 224-229, july 1998, south africa. [2] c. hua and c. shen, “comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system“, 1988 ieee applied power electronics conference and exposition proceedings, vol.2 pp.679-683. [3] k.h.hussein, i. muta, t. hoshino and m. osakada, “maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions,“ iee proceedings on generation, transmission and distribution, vol.142, no.1, pp.59-64, january 1995. [4] g. a.kern, “sunsine300, utility interactive ac module anti-islanding test results,“ inproc. 26th ieee photovoltaic specialists conf., 1997, pp. 1265-1268. [5] g. a. smith, p. a. onions, and d. g. infield, “predicting islanding operation of gridconnected pv inverters,“ proc. inst. elect. eng.-power applicat., vol. 147, no. 1, pp.课程：电力系统中的电力电子技术 教师：李媛本文内容参考： 机电之家 http://www.jdzj.com/ - 8 - 1-6, jan. 2000. [6] kawamura t, harada k, ishihara u, et al. analysis of mppt characteristics in photovoltaic power system [j]. soloar energy materials and solar cells, 1997, 47: 155-165