光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1、光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)摘要：近年來，隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，光伏發(fā)電也逐漸成為國家電力供應(yīng)的重要部分，而如何將光伏發(fā)出的電能并入大電網(wǎng)一直是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重要研究。本文將針對該問題進(jìn)行探討，列舉光伏發(fā)電并網(wǎng)的背景與關(guān)鍵技術(shù)，并對技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行概述。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)式光伏發(fā)電 分布式光伏發(fā)電 關(guān)鍵技術(shù) 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT） 孤島效應(yīng)1 引言學(xué)習(xí)新能源發(fā)電與并網(wǎng)這門課程半學(xué)期以來，我感覺自己受益良多，我收獲的不僅僅是各位老師課上所教授的關(guān)于新能源的內(nèi)容，更有他們對于新能源發(fā)展的深入分析以及未來發(fā)展趨勢的預(yù)測。后三節(jié)課中關(guān)于太陽能光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)容尤其吸引我的注意，下面我就以此為主題，對

2、光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行一些簡要的概括與探究。2 光伏發(fā)電并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)2.1 研究背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，足以供全球人類一年能量的消費(fèi)?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生公害。所以太陽能發(fā)電被譽(yù)為是理想的能源。太陽能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。光伏發(fā)電就屬于太陽能光發(fā)電的一種。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。主

3、要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)又包括獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)）、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)光伏發(fā)電顧名思義就是指可以脫離電網(wǎng)，獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文不做研究；分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，又稱分散式發(fā)電或分布式供能，是指在用戶現(xiàn)場或靠近用電現(xiàn)場配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，以滿足特定用戶的需求，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時(shí)滿足這兩個(gè)方面的要求的發(fā)電系統(tǒng)；而并網(wǎng)光伏發(fā)系統(tǒng)電則是直接并接入電網(wǎng)的系統(tǒng)。本文所研

4、究的主體就是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)部分。2.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏發(fā)電并網(wǎng)就是太陽能組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)?？梢苑譃閹铍姵氐暮筒粠铍姵氐牟⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，可以根據(jù)需要并入或退出電網(wǎng)，還具有備用電源的功能，當(dāng)電網(wǎng)因故停電時(shí)可緊急供電，帶有蓄電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)常常安裝在居民建筑。不帶蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備可調(diào)度性和備用電源的功能，一般安裝在較大型的系統(tǒng)上。光伏發(fā)電并網(wǎng)有集中式大型并網(wǎng)光伏電站一般都是國家級(jí)電站，主要特點(diǎn)是將所發(fā)電能直接輸送到電網(wǎng)，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。但

5、這種電站投資大、建設(shè)周期長、占地面積大，還沒有太大發(fā)展。而分散式小型并網(wǎng)光伏，特別是光伏建筑一體化光伏發(fā)電，由于投資小、建設(shè)快、占地面積小、政策支持力度大等優(yōu)點(diǎn)，是光伏發(fā)電并網(wǎng)的主流。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列，并網(wǎng)逆變器組成，并輔以相應(yīng)的中央集控系統(tǒng)。在微網(wǎng)中運(yùn)行，通過中低壓配電網(wǎng)接入互聯(lián)特或者超高壓大電網(wǎng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的重要特點(diǎn)。而光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本必要條件是，逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同。為了滿足這個(gè)條件可見，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)關(guān)鍵在于并網(wǎng)逆變器，逆變器性能的改進(jìn)對于提高系統(tǒng)的效率、可靠性，提高系統(tǒng)的壽命、降低成本至關(guān)重要。隨著電力電子

6、技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步不斷改進(jìn)，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。目前逆變器的研究集中于針對“孤島效應(yīng)”的被動(dòng)和主動(dòng)防護(hù)檢測方法，以及MPPT控制、電網(wǎng)電流控制及電壓放大等課題。2.3 關(guān)鍵技術(shù)由于太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電涉及到較多方面的技術(shù)，本文將對光伏電池板的MPPT和光伏逆變器防孤島技術(shù)等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行討論。2.3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）最大功率跟蹤技術(shù)是通過調(diào)整光伏陣列端電壓，使光伏陣列在各種不同的日照和溫度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。太陽能電池板由許多個(gè)小的太能電池組成,根據(jù)需要的電壓和電流,通過相應(yīng)的小太陽能電池塊串并聯(lián)獲得。每個(gè)太陽能電池都是

7、由具有PN結(jié)的半導(dǎo)體組成,下圖即是太陽能電池板的等效電路模型。圖1 太陽能電池等效模型不同光強(qiáng)下或不同溫度下電池的特性也會(huì)有所變化，下圖是不同光強(qiáng)下或不同溫度下太陽能電池輸出的I-U和P-U曲線：圖2-1 不同光照強(qiáng)度的I-U曲線 圖2-2 不同光照強(qiáng)度的P-U曲線圖2-3 不同溫度下的I-U曲線 圖2-4 不同溫度下的P-U曲線由以上曲線圖可以看出：1） 太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時(shí)近似為恒壓源；2） 開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強(qiáng)度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化。3） 由P-U特性可以看出，當(dāng)U為某定值時(shí)，P

8、達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)(MPP，Maximum Power Point)，且隨著外界環(huán)境的變化而變化，因此為使得光伏組件獲得最高的效率，需要采取措施使得在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)光伏組件可以最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行在功率的峰值點(diǎn)（MPP）處，這個(gè)過程即通常所說的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。MPPT控制的方法很多，常用的有恒壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、曲線擬合法等。其中擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法轉(zhuǎn)換效率高、實(shí)現(xiàn)方法簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，且無需知道特性曲線參數(shù)，是目前的主流方案。2.3.1.1 擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法是指在每一個(gè)小的控制周期內(nèi)，在當(dāng)前太陽能電池輸出電壓的基礎(chǔ)上施加一個(gè)小的擾動(dòng)步長。擾動(dòng)

9、步長本身是一個(gè)正的常數(shù)，可以在原電壓的基礎(chǔ)上增加步長或減小步長。然后比較擾動(dòng)前后輸出功率的變化情況，可能存在的變化有兩種。一種是擾動(dòng)后的功率輸出大于擾動(dòng)前的功率輸出，表明在該擾動(dòng)方向下輸出功率增大，則下一步擾動(dòng)仍保持相同方向。比如上一次是增加一個(gè)固定步長導(dǎo)致輸出功率增大，則下次擾動(dòng)仍然增加該步長。另一種是擾動(dòng)后的功率輸出小于等于擾動(dòng)前的功率輸出，則下一步擾動(dòng)變?yōu)橄喾捶较?。具體的流程如下圖所示。圖3 擾動(dòng)觀察法流程圖2.3.1.2 電導(dǎo)增量法太陽能電池功率曲線為一個(gè)單峰值的連續(xù)曲線，各點(diǎn)導(dǎo)數(shù)均存在。在最大功率點(diǎn)導(dǎo)數(shù)dP/dV為零；在最大功率點(diǎn)左側(cè)區(qū)域，該導(dǎo)數(shù)的值恒大于零；在最大功率點(diǎn)右側(cè)區(qū)域，該

10、導(dǎo)數(shù)的值恒小于零。因此只需要在導(dǎo)數(shù)大于零的位置增大輸出電壓，在導(dǎo)數(shù)小于零的位置減小輸出電壓，即可找到或接近最大功率點(diǎn)，此時(shí)導(dǎo)數(shù)等于零或接近于零。我們知道P=VI 將P對V取導(dǎo)，當(dāng)dV0時(shí)dPdV=dVIdV=I+VdIdV即將dP/dV的判斷轉(zhuǎn)換為I+VdIdV正負(fù)號(hào)的判斷。1) I+VdIdV=0，達(dá)到最大功率點(diǎn)，維持電壓不變。2) I+VdIdV0，在最大功率點(diǎn)左側(cè)，增加光伏電池的輸出電壓3) I+VdIdV0，在最大功率點(diǎn)右側(cè)，減小光伏電池的輸出電壓而當(dāng)dV=0時(shí)，則根據(jù)dI的變化來判斷電壓的變化方向，原理與上面相同，不再贅述。電導(dǎo)增量法的流程圖詳見下圖。圖4 電導(dǎo)增量法流程圖 當(dāng)然，隨

11、著計(jì)算速度與策略的逐漸進(jìn)步，更多更好的MPPT控制算法也逐漸產(chǎn)生，這些算法大多以幾種主流算法為基礎(chǔ)，綜合了各個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)，并加以創(chuàng)新。，有的甚至同時(shí)對電壓電流功率進(jìn)行綜合監(jiān)控判斷，形成了較為完善合理高效的混合MPPT控制策略。相信這一關(guān)鍵技術(shù)很快就可以得到很好的解決。2.3.2 防孤島技術(shù)美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室把孤島效應(yīng)定義為：當(dāng)電力公司的供電因故障或維修而停電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能將自身切離市電網(wǎng)路，結(jié)果和周圍的負(fù)載形成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島。孤島運(yùn)行存在以下問題： 電力公司輸電線路維修人員的觸電危險(xiǎn)；影響配電系統(tǒng)上的傳統(tǒng)繼電保護(hù)性能； 孤島運(yùn)行供電電壓與頻率的不穩(wěn)定，電

12、能質(zhì)量下降； 市電網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)孤島區(qū)域與市電網(wǎng)相位不同步造成聯(lián)網(wǎng)困難；孤島區(qū)域如采用單相逆變器可能造成區(qū)域內(nèi)三相負(fù)載的缺相問題。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，逆變器將發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)。若電網(wǎng)因故障斷電時(shí)，如果系統(tǒng)不能及時(shí)的檢測到電網(wǎng)斷電而繼續(xù)向電網(wǎng)輸送電能，則此時(shí)光伏系統(tǒng)夠成了一個(gè)獨(dú)立供電系統(tǒng)，稱此現(xiàn)象為孤島效應(yīng)。形成孤島的原因一般有兩個(gè)：一是電網(wǎng)故障檢測裝置動(dòng)作后，而光伏逆變器沒有檢測到故障；二是自然環(huán)境因素造成電網(wǎng)線路發(fā)生故障。孤島現(xiàn)象會(huì)對整個(gè)電網(wǎng)設(shè)備和用戶設(shè)備造成影響，甚至是損壞設(shè)備，主要有以下四種情況：1）發(fā)生孤島時(shí)，電網(wǎng)無法對逆變器輸出的電壓、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。一旦出現(xiàn)過壓、欠壓或者是過頻

13、、欠頻時(shí)，易損壞用戶設(shè)備；2）如果光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)同時(shí)接有負(fù)載，且負(fù)載容量大于光伏系統(tǒng)容量時(shí)，一但發(fā)生孤島效應(yīng)，就會(huì)發(fā)生光伏電源過載；3）對檢修人員的人身安全造成危害；4）發(fā)生孤島時(shí)，若二次合閘會(huì)導(dǎo)致再次跳閘，損害設(shè)備和逆變器。孤島的檢測方法一般分為被動(dòng)檢測和主動(dòng)檢測。其中被動(dòng)檢測法是通過不斷檢測電網(wǎng)狀態(tài)(如電壓，頻率等)來判斷是否出現(xiàn)孤島，包括電壓頻率檢測法、相位跳變檢測法、電壓諧波檢測法等。被動(dòng)檢測不會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，但是當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載與逆變器輸出平衡時(shí)將無法檢測到孤島，存在檢測盲區(qū)。主動(dòng)法是光伏逆變器定時(shí)發(fā)出擾動(dòng)信號(hào)，檢測電網(wǎng)響應(yīng)來判斷孤島，包括主動(dòng)式阻抗測量法、有功功率變動(dòng)、無功功率變動(dòng)、

14、頻率偏移法等。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于電網(wǎng)制衡作用，主動(dòng)擾動(dòng)效果微弱不足以產(chǎn)生影響，但當(dāng)孤島產(chǎn)生時(shí)。主動(dòng)產(chǎn)生的小擾動(dòng)將會(huì)造成孤島狀態(tài)大的變化。主動(dòng)式檢測方法檢測盲區(qū)較小，但是輸出諧波較大，而且為了克服控制算法較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用比較困難。孤島檢測的技術(shù)難點(diǎn)，已有很多學(xué)者提出了更進(jìn)一步的解決方案。比如一種方案是從多機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的角度對孤島檢測方法進(jìn)行了研究，對并網(wǎng)逆變器常用的移頻與移相兩類主動(dòng)孤島檢測技術(shù)在多逆變器并聯(lián)工作下的相互聯(lián)系及內(nèi)在影響進(jìn)行了深入分析，同時(shí)給出這兩類方法下的逆變器孤島檢測設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及孤島算法參數(shù)選取方法。再如有一種新的被動(dòng)式孤島檢測方法，該方法以并網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處頻率變化與負(fù)

15、荷電壓變化之比fU作為檢測指標(biāo)，并把它與給定的門檻值相比較，判斷并網(wǎng)系統(tǒng)是否發(fā)生孤島現(xiàn)象。2.3.3 其他關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)然，除了MPPT和防孤島技術(shù)以外，光伏發(fā)電并網(wǎng)還有許多關(guān)鍵技術(shù)，比如說并網(wǎng)逆變器的PWM控制策略，裝置的保護(hù)與絕緣策略等。PWM控制：目前應(yīng)用于逆變器控制是SVPWM技術(shù)主要有兩個(gè)：一是基于固定頻率的SVPWM電流控制，該方法利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電流調(diào)節(jié)器計(jì)算出電壓指令，在通過電壓空間矢量跟蹤電壓指令信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)SVPWM控制方法；二是利用基于滯環(huán)電流控制的SVPWM，即利用電流偏差矢量或電流偏差變化率矢量空間分布給出最佳的電壓矢量切換，使得電流偏差控制在滯環(huán)環(huán)寬以內(nèi)，此方式

16、的開關(guān)頻率是變化的。保護(hù)策略：當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后會(huì)使得電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)以及電網(wǎng)中短路電流的大小、流向及分布發(fā)生變化，使得電網(wǎng)各種保護(hù)也將隨之發(fā)生變化，如使繼電器的保護(hù)區(qū)縮小。特別是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起電弧的重燃，使得重合閘不成功。而傳統(tǒng)的配電網(wǎng)大多為放射型的，末端電源，不會(huì)產(chǎn)轉(zhuǎn)移電流，因而控制開關(guān)動(dòng)作的繼電器無需具備方向敏感功能，如此當(dāng)其他并聯(lián)分支故障時(shí)，會(huì)引起安裝有分散式發(fā)電分支上的繼電器的誤動(dòng)，造成該無故障分支失去配電網(wǎng)主電源。因此，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏電站的保護(hù)裝置能檢測出電網(wǎng)故障，以免造成保護(hù)誤動(dòng)作。其余技術(shù)在此不一一詳述。3 結(jié)語綜上所述，光伏發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在光伏發(fā)電系

17、統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的技術(shù)上，其中具體包括光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制，并網(wǎng)逆變器的防孤島技術(shù)，脈寬調(diào)制PWM控制策略，整個(gè)系統(tǒng)的過流短路保護(hù)、絕緣策略等等。這些關(guān)鍵技術(shù)目前有的已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，有的還在研究過程中，相信不久的將來，它們就能逐漸為人所用，為太陽能發(fā)電帶來更好地發(fā)展，為世界的可持續(xù)發(fā)展帶來更大的希望。參 考 文 獻(xiàn)1 張軍軍,商振,吳福保. 太陽能光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù). 電力與能源,第32卷第4期, 20112 趙光開. 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理. 北京. 20123 艾斯卡爾,唐彬偉. 光伏并網(wǎng)技術(shù)及并網(wǎng)影響綜述. 華北電力大學(xué), 20134 Pulfrey, D. L. Photovoltaic power generation, New York, Van Nostrand Reinhold Co., 19985 R Gaudiana, L Li. Phot