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淺談太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)控制逆變器工作原理及控制方法
日期:2023-07-24   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_yanyu 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化,人們逐漸認(rèn)識(shí)到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路,必須完成從補(bǔ)充能源向替代能源的過渡,而且由于工業(yè)文明的不斷發(fā)展,我們對(duì)于能源的需求越來越多;傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)不可能滿足要求,為了避免面對(duì)能源枯竭的困境,尋找優(yōu)質(zhì)的替代能源成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題;可再生能源如水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能以及生物質(zhì)能等能源形式不斷映入人們的眼簾。

水利發(fā)電作為最早應(yīng)用的可再生能源發(fā)電形式得到了廣泛使用,但也有人就其的環(huán)境問題、安全問題提出過質(zhì)疑,況且目前的水能開發(fā)程度較高,繼續(xù)開發(fā)存在一定的困難。風(fēng)能的利用近些年來也是熱點(diǎn)問題,但風(fēng)力發(fā)電存在穩(wěn)定性不高、噪音大等缺點(diǎn),大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)會(huì)形成一定沖擊,如何有效控制風(fēng)能的開發(fā)和利用仍是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在剩下的可再生能源形式當(dāng)中,太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是最有利用價(jià)值的能源形式之一。

1、太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)

1)太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富,每秒鐘太陽(yáng)要向地球輸送相當(dāng)于210億桶石油的能量,相當(dāng)于全球一天消耗的能量;我國(guó)的太陽(yáng)能資源也十分豐富,除了貴州高原部分地區(qū)外,中國(guó)大部分地域都是太陽(yáng)能資源豐富地區(qū),目前的太陽(yáng)能利用率還不到1/1000。因此在我國(guó)大力開發(fā)太陽(yáng)能潛力巨大;光伏并網(wǎng)是太陽(yáng)能利用的發(fā)展趨勢(shì),光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。

2)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中,并網(wǎng)是核心部分。目前并網(wǎng)型系統(tǒng)的研究主要集中于DC-DC和DC-AC兩級(jí)能量變換的結(jié)構(gòu)。DC-DC變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)使其跟蹤最大功率點(diǎn);DC-AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位,同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。其中DC-AC是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

3)太陽(yáng)能的利用分為"光熱"和"光伏"兩種,其中光熱式熱水器在我國(guó)應(yīng)用廣泛;光伏是將光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電形式,起源于100多年前的"光生伏打現(xiàn)象"。太陽(yáng)能的利用目前更多的是指光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)根據(jù)負(fù)載的不同分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種,早期的光伏發(fā)電技術(shù)受制于太陽(yáng)能電池組件成本因素,主要以小功率離網(wǎng)型為主,滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電網(wǎng)居民用電問題。隨著光伏組件成本的下降,光伏發(fā)電的成本不斷下降,預(yù)計(jì)到2013年安裝成本可降至1.5美元/Wp,電價(jià)成本為6美分/(kWh),光伏并網(wǎng)已成為可能,并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)逐步成為主流。

2、并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu):圖1所示為并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)包括兩大主要部分:


1)其一,太陽(yáng)能電池組件。將太陽(yáng)傳送到地球上的光能轉(zhuǎn)化成直流電能;

2)其二,太陽(yáng)能控制逆變器及并網(wǎng)成套設(shè)備,負(fù)責(zé)將電池板輸出直流電能轉(zhuǎn)為電網(wǎng)可接受的交流能量。

3)根據(jù)功率的不同太陽(yáng)能逆變器的輸出形式可為單相或者三相;可帶隔離變壓器,也可不配隔離變壓器。

(1)光伏電池的理想模型可由下式表示:圖片

其中,vt 為電池板熱電勢(shì)。



(2)圖 3 表述在特定光照條件下電池板的伏安特性。陰影部分是電池板在相應(yīng)條件下所能夠輸出的最大功率。太陽(yáng)能電池板在高輸出電壓區(qū)域,具有低內(nèi)阻特性,可以視為一系列不同等級(jí)的電壓源;在低輸出電壓區(qū)域內(nèi),該電源有高內(nèi)阻特性,可以視為不同等級(jí)的電流源。電壓源與電流源的交匯處便是電池板在相應(yīng)條件下的最大輸出功率。在電池板的溫度保持不變的情況下,這個(gè)極大功率值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,最大功率跟蹤能自動(dòng)跟蹤電池板的工作在輸出功率極大的條件。

圖 4 為太陽(yáng)能控制器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從原理上說是以及升壓斬波器,通過調(diào)整開關(guān)器件 S 的占空比,調(diào)節(jié)電池板的等效負(fù)載阻抗,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板的最大功率跟蹤功能。

(3)最大功率跟蹤方法、最大功率跟蹤技術(shù)有兩種技術(shù)路線:其一是 CVT 技術(shù),控制電池組件端口電壓近似模擬最大功率跟蹤,這種方法原理簡(jiǎn)單但是跟蹤精度不夠;其二是 MTTP 技術(shù),實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列輸出功率,通過調(diào)整阻抗的方式滿足最大功率跟蹤。目前,太陽(yáng)能逆變器廠家廣泛采用的 MPPT 技術(shù)。目前,常用的 MTTP 方法有兩種。

A)干擾觀測(cè)法(P&O):干擾觀測(cè)法每隔一定時(shí)間增加或減少電壓,通過觀測(cè)功率變化方向,來決定下一步的控制信號(hào)。如果輸出功率增加,那么繼續(xù)按照上一步電壓變化方向改變電壓,如果檢測(cè)到輸出功率減小,則改變電壓變化的方向,這樣光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點(diǎn)。如果采用 DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn) MPPT 控制,在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)通過對(duì)占空比施加擾動(dòng)來調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓或電流, 從而達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。如果采用較大的步長(zhǎng)對(duì)占空比進(jìn)行”干擾”, 這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度,但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩幅度比較大,造成一定的功率損失,采用較小的步長(zhǎng)則正好相反。

B)電導(dǎo)增量法(INC):光伏電池在最大功率點(diǎn) Pm 處 dP/dU=0,在Pm 兩端 dP/dU 均不為 0。

要使輸出功率最大,必須滿足(4)式,使陣列的電導(dǎo)變化率等于負(fù)的電導(dǎo)值。首先假設(shè)光伏陣列工作在一個(gè)給定的工作點(diǎn),然后采樣光伏陣列的電壓和電流,計(jì)算 Δv=v(n)-v(n-1) 和 Δi=i(n)-i(n-1),其中(n)表示當(dāng)前采樣值,(n-1)為前一次的采樣值;如果 Δv=0,則利用 Δi 的符號(hào)判斷最大功率點(diǎn)的位置;如果 Δv≠0,則依據(jù) Δi/Δv+I/V 的符號(hào)判斷。

a.這種跟蹤法最大的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)光伏電池的光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化,電壓波動(dòng)較擾動(dòng)觀測(cè)法小。

b.缺點(diǎn)是其算法較為復(fù)雜,對(duì)硬件的要求特別是對(duì)檢測(cè)元件的精度要求比較高,因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件成本會(huì)比較高。

3、太陽(yáng)能逆變器及其工作原理:
太陽(yáng)能逆變器的電路拓?fù)淙鐖D 5 所示,5-a)是單相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)洌?-b)是三相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?。從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。


1)電路的基本工作原理以圖 6 的單相光伏逆變電路分析。


2)按照正弦波和載波比較方式對(duì) S1-S4 進(jìn)行控制,交流側(cè) AB 處產(chǎn)生 SPWM 波 uAB,uAB 中含有基波分量和高次諧波,在 LS 的濾波作用下高次諧波可以忽略,當(dāng) uAB 的頻率與電網(wǎng)一致時(shí),is 也是和電網(wǎng)一致的正弦波。在電源電壓一定的條件下,is 的幅值和相位僅有 uAB 的基波的幅值和相位決定,這樣電路可以實(shí)現(xiàn)整流、逆變以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)茸饔谩D 7 所示是電路的運(yùn)行向量圖,其中 7-a)是整流運(yùn)行,7-b)是逆變運(yùn)行,7-c)是無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行,7-d)是 Is 超前 φ 角運(yùn)行。單相光伏逆變器工作在 7-b)狀態(tài)。

3)電路的基本控制方法:光伏逆變器對(duì)于功率因數(shù)有較高要求,為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)逆變,需要對(duì)輸出電流進(jìn)行控制,通常的電流控制方式有兩種:其一是間接電流控制,也稱為相位幅值控制,按照?qǐng)D 7 的向量關(guān)系控制輸出電流,控制原理簡(jiǎn)單,但精度較差,一般不采用;其二是直接電流控制,給出電流指令,直接采集輸出電流反饋, 這種控制方法控制精度高,準(zhǔn)確率好,系統(tǒng)魯棒性好,得到廣泛應(yīng)用。

4、監(jiān)控保護(hù)單元簡(jiǎn)介

1)監(jiān)控保護(hù)單元的主要作用有:

(1)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為接入電力系統(tǒng)的裝置,需要設(shè)定合理的保護(hù)措施保護(hù)發(fā)電設(shè)備的安全以及電網(wǎng)的安全;

(2)孤島效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很多不良影響,光伏系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的典型代表, 如何準(zhǔn)確測(cè)定孤島效應(yīng)也是監(jiān)控保護(hù)單元的重要作用;

(3)太陽(yáng)能光伏電站尤其是大規(guī)模的光伏電站往往建設(shè)在荒漠和無(wú)人區(qū),智能電量管理和系統(tǒng)狀況檢測(cè)上報(bào)也是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的因素。

2)并網(wǎng)保護(hù)裝置:并網(wǎng)保護(hù)裝置主要實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能:低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、國(guó)頻率保護(hù)、過電流保護(hù)以及孤島保護(hù)策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護(hù)裝置,保證系統(tǒng)故障時(shí)及時(shí)處理。

3)孤島檢測(cè)技術(shù):孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí),并網(wǎng)裝置仍然保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時(shí), 電網(wǎng)將不再控制這個(gè)電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難,同時(shí)可能引起電氣元件以及人身安全危害,因此孤島效應(yīng)必須避免。目前常用的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法主要有兩種,分別是被動(dòng)檢測(cè)方法和主動(dòng)式檢測(cè)方法。

(A)被動(dòng)式孤島檢測(cè):孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時(shí)的負(fù)載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無(wú)功交換有很大的關(guān)系。電網(wǎng)脫離后有功的波動(dòng)會(huì)引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化,無(wú)功的波動(dòng)會(huì)引起光伏系統(tǒng)輸出頻率的變化。電網(wǎng)脫離后,如果有功或者無(wú)功的波動(dòng)比較明顯,通過監(jiān)測(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測(cè)到孤島的發(fā)生,這就是被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后,如果有功和無(wú)功的波動(dòng)都很小,此時(shí)被動(dòng)式檢測(cè)方法就存在檢測(cè)盲區(qū)。

(B)主動(dòng)式孤島檢測(cè):主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法中用的比較多的是主動(dòng)頻移法(AFD),其基本原理是 在并網(wǎng)系統(tǒng)輸出中加入頻率擾動(dòng),在并網(wǎng)的情況下,其頻率擾動(dòng)可以被大電網(wǎng)校正回來,然而在孤島發(fā)生時(shí),該頻率擾動(dòng)可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,從而檢測(cè)到孤島的發(fā)生。這類方法也存在”檢測(cè)盲區(qū)”,在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)比較高時(shí),若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值,系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到孤島狀態(tài)。另外,頻率擾動(dòng)會(huì)引起輸出電流波形的畸變,同時(shí)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)需要進(jìn)行電能質(zhì)量治理時(shí),頻率的擾動(dòng)會(huì)對(duì)諧波補(bǔ)償效果造成較嚴(yán)重的影響。

4)智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng):大型光伏電站由于地處偏遠(yuǎn)地區(qū),常常為無(wú)人值守電站。為了準(zhǔn)確計(jì)量電站的電能輸出及系統(tǒng)運(yùn)行狀況需要設(shè)立智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)往往基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理工作,這部分的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本文中不在詳述。

5、結(jié)語(yǔ):本文主要介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),分析了其主要組成部件的系統(tǒng)框圖、功能。給出了最大功率跟蹤的基本原理,分析了光伏逆變器的主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為有可能徹底改變?nèi)藗兩畹某?yáng)技術(shù),擁有美好的未來,讓我們共同期待光伏技術(shù)在明天為人類作出更大的貢獻(xiàn)。

原標(biāo)題:淺談太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)控制逆變器工作原理及控制方法 
 
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