太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)控制范文
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光伏產(chǎn)業(yè)最近幾年得到了快速發(fā)展，新型材料不斷被研究出來，光伏電池的生產(chǎn)成本不斷下降，效率也得到了較為明顯的提高。與此同時，電力器件朝著高頻化高速發(fā)展，也更加注重器件性能與價格之間的關(guān)系，努力提高器件的性價比成為行業(yè)競爭的重要標志，也因此光伏并網(wǎng)控制得到了重視，并成為當前研究和推廣的重要技術(shù)之一。光伏產(chǎn)業(yè)正向并網(wǎng)運行方式轉(zhuǎn)變，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽能光伏發(fā)電的又一種新趨勢。太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)各方面的性能也取得了很大發(fā)展并趨于成熟。發(fā)達國家在并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)及器件方面都取得了一定的成就，如高頻并網(wǎng)模塊、多機并聯(lián)、最大功率點跟蹤等。并網(wǎng)逆變器是太陽能光伏發(fā)電的核心部件，發(fā)展各種性能的并網(wǎng)逆變器對并網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。其中，最大功率點跟蹤、孤島效應(yīng)和并網(wǎng)控制成為研究的熱點。
1光伏發(fā)電工作原理
1．1并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的容量設(shè)計（1）確定現(xiàn)場參數(shù)：包括太陽能光伏系統(tǒng)的安裝容量、氣象條件及地理環(huán)境、太陽能輻射值及每個月的平均值等。（2）計算方陣最佳傾角：實現(xiàn)太陽能輻射量的最大化，這是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)要考慮的重要問題之一。因為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是直接與電網(wǎng)連接，電能能在發(fā)出之后被實時利用，效率比較高，因此，要確定太陽能光伏方陣的最佳傾角，實現(xiàn)太陽能全年的最大接收量。（3）確定性能比（PR）：不同地方的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，各種參數(shù)必然有所區(qū)別，因此性能比也不盡相同。但隨著研究的深入，現(xiàn)在一般性能比確定在0．7左右。（4）發(fā)電量的估算：太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可用下面公式進行估算。式中，Eout是全年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)輸出的電能（kW•h）；Ht為光伏系統(tǒng)接收的太陽總輻射量在一年中與標準時的太陽輻射強度G＝1000W／m2相比后得到的最大光照時數(shù)（h）；P0為太陽能光伏系統(tǒng)的額定功率（kW）；PR為系統(tǒng)的性能比。
1．2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接（1）“上網(wǎng)電價”方式：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電能是輸出端的電能（即電網(wǎng)一側(cè)），將輸出端的電能全部接入電網(wǎng)，而自己的用電則來自電網(wǎng)。國家為鼓勵發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常是高價收購發(fā)出的電能，而自己所用的電能則跟其他人一樣，享受同等的優(yōu)惠政策。（2）“凈電表計量”方式：光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能是接在進戶電表之后，即太陽能系統(tǒng)發(fā)出的電能首先供自己使用，當有多余時才輸入電網(wǎng)，而在電能不夠用的時候，則使用電網(wǎng)的電能。
1．3太陽能光伏發(fā)電的基本原理太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)化原理將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。工作原理以P－N結(jié)為基礎(chǔ)，每片光伏電池都有自身的電壓，大約為0．5V。輸出電流還與溫度的變化、光照強度、光伏電池的大小和連接方式有關(guān)，為了使輸出功率能夠大一些，要將很多光伏電池通過串并聯(lián)的方式組成光伏陣列。半導(dǎo)體P－N結(jié)的勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，當太陽光照射P－N結(jié)時，在電場的作用下做漂移運動，N型半導(dǎo)體區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P型半導(dǎo)體區(qū)，電子成為多數(shù)載流子；而P型半導(dǎo)體區(qū)的空穴留在P型半導(dǎo)體區(qū)，電子流向N型半導(dǎo)體區(qū)，空穴成為多數(shù)載流子，在電場的作用下，一旦接負載即可產(chǎn)生直流電流，如圖1所示。
2太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)控制
2．1并網(wǎng)控制的目的與方式光伏發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能與電網(wǎng)連接，而電網(wǎng)電壓與接入的電流存在相位差，控制的直接目的是使并網(wǎng)的電流與電壓的相位差為0，這也是控制的主要目的。其原理如圖2所示。常見的控制方式有電壓控制和電流控制。
2．2并網(wǎng)控制方法太陽能光伏發(fā)電發(fā)出的電能是直流電，需要經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化才能并網(wǎng)，例如逆變、控制、檢測和保護等。一般情況下，逆變器要和控制器結(jié)合起來共同控制電能的并網(wǎng)。當然，光伏并網(wǎng)需要多項技術(shù)，屬于高新技術(shù)，發(fā)展并網(wǎng)逆變控制器，對光伏發(fā)電技術(shù)起著非常重要的作用。（1）在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運行中，逆變器處理過的電能要輸出為正弦電流，對電網(wǎng)沒有沖擊，且必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的相關(guān)指標，如高次諧波必須控制到最低，以減少對電網(wǎng)的沖擊；不能有直流分量，當然也不能對電網(wǎng)造成諧波干擾等。（2）當太陽能光照強度發(fā)生變化時，也要求逆變器能根據(jù)光照和負載的變化高效運行。（3）太陽能電池輸出功率與很多因素相關(guān)，如光照、溫度、負載的變化等，這就要求逆變器要有最大功率跟蹤功能，從而使其能進行自我調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)最佳運行。（4）在特定場合下要求在電網(wǎng)斷電的情況下，也依然能提供電能。并網(wǎng)逆變電流控制法是由一個電流反饋控制內(nèi)環(huán)實現(xiàn)的，圖3所示為電流控制并網(wǎng)光伏逆變器的基本結(jié)構(gòu)。光伏電流逆變器的原理是使輸出電流跟隨參考指令電流信號，這個電流信號是由MPPT策略和電網(wǎng)電壓相位決定的。經(jīng)過比較實際的瞬時相電流ia、ib、ic和參考指令電流信號ia＊、ib＊、ic＊，信號通過電流控制器處理之后產(chǎn)生開關(guān)控制信號sa、sb、sc控制逆變器工作。光伏并網(wǎng)控制的核心之一就是電流控制器，電流控制策略的好壞關(guān)系著并網(wǎng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣性。
2．3并網(wǎng)光伏發(fā)電的優(yōu)點太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是將發(fā)出電能通過處理后與電網(wǎng)連接，這種方式有許多優(yōu)點：（1）發(fā)出的電能直接與電網(wǎng)連接，不再使用蓄電池儲能，節(jié)約了太陽能光伏發(fā)電的投資成本，使發(fā)出的電能成本明顯降低；而且也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不再考慮蓄電池可能出現(xiàn)的狀況；當然也有利于環(huán)境保護，因為沒有蓄電池的污染了。（2）光伏并網(wǎng)發(fā)電分散發(fā)電供電，進出電網(wǎng)靈活，可以增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，有利于提高電力系統(tǒng)在自然災(zāi)害等異常條件下的抵抗力，也有利于平衡電力系統(tǒng)的負荷，從而降低電力系統(tǒng)的損耗。（3）光伏電池可以安裝在建筑物上，節(jié)約了占地面積，而且基本對建筑物沒有影響，增加了建筑物的利用率。
3最大功率點跟蹤
3．1最大功率點跟蹤技術(shù)光伏電池輸出特性是非線性的，而且受光照強度和環(huán)境溫度影響較為明顯。在任何光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池都存在一個最大功率輸出點。此外，負載變化將影響光伏器件的輸出功率。因此，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的方法之一就是及時調(diào)整系統(tǒng)負載特性，即調(diào)整光伏電池的工作點，使之工作在最大功率點，即使在不同的光照和溫度下，也可使光伏電池工作在最大功率點附近，這一過程稱為最大功率點跟蹤。最大功率點跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。
3．2基于參數(shù)選擇方式的間接控制法開路電壓比例系數(shù)法是為克服溫度對系統(tǒng)的影響，由恒定電壓法改進而成的。通過光伏電池的外特性可知，光伏電池的最大功率點電壓Um在不同的光強和溫度條件下，將隨光伏電池的開路電壓Uoc變化而變化，且兩者之間存在著近似線性的關(guān)系。這種方法的優(yōu)點是：就原理來說，比較簡單，系統(tǒng)控制的設(shè)計可以用簡單的模擬電路實現(xiàn)，控制結(jié)果也具有很強的抗擾動能力，即使因采樣錯誤或外界強烈干擾出現(xiàn)系數(shù)偏差，也能在下一個控制周期得以修正。缺點是：由于最大功率點電壓和開路電壓之間采用的只是個近似的比例系數(shù)，所以光伏電池并不是工作在真正意義上的最大功率跟蹤點上。
3．3基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法電導(dǎo)增量法是通過比較光伏電池的瞬時電導(dǎo)和電導(dǎo)的變化量來實現(xiàn)最大功率跟蹤的一種控制算法。由光伏電池的功率—電壓輸出特性可以看出其是一個單峰值的曲線，最大功率點處于曲線頂點。電導(dǎo)增量法正是利用光伏電池工作在最大功率點時輸出電導(dǎo)的變化量等于0的原理，通過比較當電導(dǎo)增量變化小于這個閾值時，無需改變工作點；當電導(dǎo)增量變化大于這個閾值時，則要相應(yīng)變化工作點。所以選擇合適的步長和閾值非常關(guān)鍵。調(diào)節(jié)步長的大小，可決定跟蹤速度和在最大功率點附近來回波動幅值。對于幅值的大小，理論上越小越好，越小則越能接近最大功率點。但實際中，閾值若設(shè)置得太小，系統(tǒng)很可能會永遠達不到穩(wěn)定，始終在一定的范圍內(nèi)震蕩。這種方法的優(yōu)點是：控制精確度較高，響應(yīng)速度相對較快，光伏電池輸出電壓能夠跟蹤變化，而且較為穩(wěn)定。缺點是：對控制系統(tǒng)的硬件要求比其他方法要高，且對傳感器精度和系統(tǒng)各個部分的響應(yīng)速度要求也非常高，所以造價相對高一些。
4結(jié)語
本文介紹了太陽能光伏發(fā)電的工作原理，提出了太陽能光伏發(fā)電的并網(wǎng)方式、要求等，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接方式作了闡述，光伏發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能與電網(wǎng)連接，而電網(wǎng)電壓與接入的電流存在相位差，控制的直接目的就是使并網(wǎng)的電流與電壓相位差為0，這也是控制的主要目的。最大功率點跟蹤技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，大大提高了電能并網(wǎng)的效率。希望通過本文對太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)控制的研究，能促進太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)發(fā)展，提高能源利用率，從而為更好地推廣太陽能技術(shù)打下基礎(chǔ)。
作者：朱寬勝 單位：南京城市職業(yè)學(xué)院
