太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)控制研究

朱寬勝

（南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210002）

0 引言

太陽(yáng)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(dá)國(guó)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(jī)并聯(lián)、最大功率點(diǎn)跟蹤等。

并網(wǎng)逆變器是太陽(yáng)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(duì)并網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。其中，最大功率點(diǎn)跟蹤、孤島效應(yīng)和并網(wǎng)控制成為研究的熱點(diǎn)。

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(jì)

（1）確定現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)：包括太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的安裝容量、氣象條件及地理環(huán)境、太陽(yáng)能輻射值及每個(gè)月的平均值等。

（2）計(jì)算方陣最佳傾角：實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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(wèn)題之一。因?yàn)楣夥⒕W(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(shí)時(shí)利用，效率比較高，因此，要確定太陽(yáng)能光伏方陣的最佳傾角，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全年的最大接收量。

（3）確定性能比（PR）：不同地方的太陽(yáng)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(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可用下面公式進(jìn)行估算：

①準(zhǔn)備工作：出水管高度為1.1m，出水管周?chē)?.5m2地面內(nèi)要夯實(shí)、水平，預(yù)留的排水管道距離出水樁位置約30cm。準(zhǔn)備5kg混凝土。

式中，Eout是全年并網(wǎng)光伏系統(tǒng)輸出的電能（k W·h）；Ht為光伏系統(tǒng)接收的太陽(yáng)總輻射量在一年中與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度G＝1 000 W／m2相比后得到的最大光照時(shí)數(shù)（h）；P0為太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的額定功率（k W）；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(jià)”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(lái)自電網(wǎng)。國(guó)家為鼓勵(lì)發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常是高價(jià)收購(gòu)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(jì)量”方式：光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能是接在進(jìn)戶(hù)電表之后，即太陽(yáng)能系統(tǒng)發(fā)出的電能首先供自己使用，當(dāng)有多余時(shí)才輸入電網(wǎng)，而在電能不夠用的時(shí)候，則使用電網(wǎng)的電能。

1.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基本原理

太陽(yáng)能電池是利用光電轉(zhuǎn)化原理將太陽(yáng)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0.5 V。輸出電流還與溫度的變化、光照強(qiáng)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(guò)串并聯(lián)的方式組成光伏陣列。

半導(dǎo)體P-N結(jié)的勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，當(dāng)太陽(yáng)光照射P-N結(jié)時(shí)，在電場(chǎng)的作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)的作用下，一旦接負(fù)載即可產(chǎn)生直流電流，如圖1所示。

2 太陽(yáng)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(jiàn)的控制方式有電壓控制和電流控制。

圖2 光伏并網(wǎng)控制原理圖

2.2 并網(wǎng)控制方法

太陽(yáng)能光伏發(fā)電發(fā)出的電能是直流電，需要經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)化才能并網(wǎng)，例如逆變、控制、檢測(cè)和保護(hù)等。一般情況下，逆變器要和控制器結(jié)合起來(lái)共同控制電能的并網(wǎng)。當(dāng)然，光伏并網(wǎng)需要多項(xiàng)技術(shù)，屬于高新技術(shù)，發(fā)展并網(wǎng)逆變控制器，對(duì)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(yùn)行中，逆變器處理過(guò)的電能要輸出為正弦電流，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有沖擊，且必須滿(mǎn)足電網(wǎng)規(guī)定的相關(guān)指標(biāo)，如高次諧波必須控制到最低，以減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊；不能有直流分量，當(dāng)然也不能對(duì)電網(wǎng)造成諧波干擾等。

（2）當(dāng)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，也要求逆變器能根據(jù)光照和負(fù)載的變化高效運(yùn)行。

（3）太陽(yáng)能電池輸出功率與很多因素相關(guān)，如光照、溫度、負(fù)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(jìn)行自我調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行。

（4）在特定場(chǎng)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(gè)電流反饋控制內(nèi)環(huán)實(shí)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(hào)，這個(gè)電流信號(hào)是由MPPT策略和電網(wǎng)電壓相位決定的。經(jīng)過(guò)比較實(shí)際的瞬時(shí)相電流ia、ib、ic和參考指令電流信號(hào)ia＊、ib＊、ic

＊，信號(hào)通過(guò)電流控制器處理之后產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信號(hào)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。

圖4 最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 電流控制模式并網(wǎng)光伏逆變器基本結(jié)構(gòu)

2.3 并網(wǎng)光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是將發(fā)出電能通過(guò)處理后與電網(wǎng)連接，這種方式有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）發(fā)出的電能直接與電網(wǎng)連接，不再使用蓄電池儲(chǔ)能，節(jié)約了太陽(yáng)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(dāng)然也有利于環(huán)境保護(hù)，因?yàn)闆](méi)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(jìn)出電網(wǎng)靈活，可以增強(qiáng)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(fù)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(duì)建筑物沒(méi)有影響，增加了建筑物的利用率。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

光伏電池輸出特性是非線(xiàn)性的，而且受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響較為明顯。在任何光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池都存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)。此外，負(fù)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(shí)調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載特性，即調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之工作在最大功率點(diǎn)，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(diǎn)附近，這一過(guò)程稱(chēng)為最大功率點(diǎn)跟蹤。最大功率點(diǎn)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(kāi)路電壓比例系數(shù)法是為克服溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，由恒定電壓法改進(jìn)而成的。通過(guò)光伏電池的外特性可知，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓Um在不同的光強(qiáng)和溫度條件下，將隨光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc變化而變化，且兩者之間存在著近似線(xiàn)性的關(guān)系：

其中，ku為開(kāi)路電壓比例常數(shù)，對(duì)于不同的光伏電池，ku有不同的值，一般為0.7左右；Uoc可以通過(guò)周期地將光伏電池和負(fù)載斷開(kāi)來(lái)測(cè)量，用此方法即可計(jì)算出最大功率點(diǎn)電壓Um。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：就原理來(lái)說(shuō)，比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)可以用簡(jiǎn)單的模擬電路實(shí)現(xiàn)，控制結(jié)果也具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，即使因采樣錯(cuò)誤或外界強(qiáng)烈干擾出現(xiàn)系數(shù)偏差，也能在下一個(gè)控制周期得以修正。缺點(diǎn)是：由于最大功率點(diǎn)電壓和開(kāi)路電壓之間采用的只是個(gè)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(diǎn)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(guò)比較光伏電池的瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)的變化量來(lái)實(shí)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(gè)單峰值的曲線(xiàn)，最大功率點(diǎn)處于曲線(xiàn)頂點(diǎn)。

電導(dǎo)增量法正是利用光伏電池工作在最大功率點(diǎn)時(shí)輸出電導(dǎo)的變化量等于0的原理，通過(guò)比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)值來(lái)改變控制信號(hào)。在實(shí)際使用電導(dǎo)增量法時(shí)，需要給出一個(gè)合適的閾值E，并設(shè)定＝±E時(shí)系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)，當(dāng)電導(dǎo)增量變化小于這個(gè)閾值時(shí)，無(wú)需改變工作點(diǎn)；當(dāng)電導(dǎo)增量變化大于這個(gè)閾值時(shí)，則要相應(yīng)變化工作點(diǎn)。所以選擇合適的步長(zhǎng)和閾值非常關(guān)鍵。調(diào)節(jié)步長(zhǎng)的大小，可決定跟蹤速度和在最大功率點(diǎn)附近來(lái)回波動(dòng)幅值。對(duì)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(diǎn)。但實(shí)際中，閾值若設(shè)置得太小，系統(tǒng)很可能會(huì)永遠(yuǎn)達(dá)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(diǎn)是：控制精確度較高，響應(yīng)速度相對(duì)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(diǎn)是：對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求比其他方法要高，且對(duì)傳感器精度和系統(tǒng)各個(gè)部分的響應(yīng)速度要求也非常高，所以造價(jià)相對(duì)高一些。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理，提出了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的并網(wǎng)方式、要求等，對(duì)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(diǎn)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(guò)本文對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)控制的研究，能促進(jìn)太陽(yáng)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(yáng)能技術(shù)打下基礎(chǔ)。

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