光伏并網(wǎng)發(fā)電的功率補(bǔ)償控制研究

王航空 劉雄新 強(qiáng)兆峰

五冶集團(tuán)上海有限公司

光伏并網(wǎng)發(fā)電的功率補(bǔ)償控制研究

王航空 劉雄新 強(qiáng)兆峰

五冶集團(tuán)上海有限公司

隨著全球可再生能源的不斷發(fā)展，太陽能已經(jīng)成為可再生能源的重要組成部分，光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究也越來越深入。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列和并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)功率傳輸，傳輸電網(wǎng)的功率與光伏發(fā)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、逆變器控制、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)等有關(guān)，基于此，本文將著重分析探討光伏并網(wǎng)發(fā)電的功率補(bǔ)償控制，以期能為以后的實(shí)際工作起到一定的借鑒作用。

光伏并網(wǎng)；發(fā)電；功率補(bǔ)償

1 、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽電池的光伏特性是制約光伏發(fā)電效率的主要原因，由于受到光照、溫度和負(fù)載的影響，太陽電池的輸出特性表現(xiàn)為非線性模式，光伏電池可以在不同的輸出電壓下工作，但對應(yīng)的輸出功率有所不同，這里對應(yīng)存在最大功率點(diǎn)(maximum power point，MPP)。通過測量短路電流，并假設(shè)短路電流和最大功率點(diǎn)電流成比例關(guān)系，得到最大功率點(diǎn)電壓的方法為短路電流法，其不足在于測量短路電流過程中會造成能量的損耗；恒定電壓跟蹤法根據(jù)理論計(jì)算得到最大功率點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，但是存在環(huán)境變化后不能做到實(shí)時(shí)變化的缺點(diǎn)；擾動觀察法作為常用的最大功率輸出點(diǎn)跟蹤控制方法，其原理是通過改變占空比，調(diào)整輸出功率實(shí)現(xiàn)最大功率的逼近，具有較好的實(shí)時(shí)性，結(jié)構(gòu)也比較簡單，但是在步長調(diào)整過程中，存在步長確定困難的問題；增量電導(dǎo)法的原理與擾動觀察法相似，不同點(diǎn)在于增量電導(dǎo)法是通過判斷電壓變化率即電壓變化曲線斜率來調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，該方法需要引入微分，造成控制算法的復(fù)雜性，對硬件要求較高。

2 、光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其輸出特性易受太陽光輻射度、光伏陣列工作溫度等自然環(huán)境的影響，呈強(qiáng)烈的非線性特性。在一定的太陽光輻射度與工作溫度下，光伏陣列根據(jù)不同的負(fù)載值運(yùn)行在不同的工作點(diǎn)上。只有當(dāng)光伏陣列運(yùn)行在某一特定的工作點(diǎn)時(shí)，光伏陣列輸出的功率才會到達(dá)最大，該工作點(diǎn)稱為最大工作點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)。為了使光伏陣列最大限度的輸出能量，就必須根據(jù)外部環(huán)境的不同而實(shí)時(shí)變化光伏陣列的工作點(diǎn)，保證使其最大限度的接近最大工作點(diǎn)，這就是最大功率跟蹤(MPPT)。由于光伏電池可以看作電流源，光伏板發(fā)出的功率與輸出電壓有關(guān)，通過PWM調(diào)節(jié)BOOST斬波電路的占空比可以實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而找到最大功率點(diǎn)。單個(gè)光伏電池可以等效為1個(gè)理想電流源Isc與二極管D的并聯(lián)，考慮到光伏電池本身產(chǎn)生的損耗和受天氣的影響，其等效模型需要并聯(lián)1個(gè)電阻Rp，串聯(lián)1個(gè)電阻Rs。假設(shè)光伏陣列中并聯(lián)的光伏電池板有Np個(gè)，串聯(lián)的光伏電池板有Ns個(gè)，則光伏陣列的等效電路圖如圖1所示。

3 、工程實(shí)例分析

3.1 工程概述

本文以常熟達(dá)涅利3MW分布式光伏示范項(xiàng)目為例加以分析說明，常熟達(dá)涅利冶金設(shè)備有限公司主要從事開發(fā)、生產(chǎn)冶金用設(shè)備和配件、液壓系統(tǒng)及電氣和自動化系統(tǒng)，其使用設(shè)備含有退火爐等非線性設(shè)備，工作時(shí)會產(chǎn)生一定量的諧波，對電網(wǎng)及自身設(shè)備產(chǎn)生危害。該廠原有兩臺1.6MVA變壓器和兩臺1.0MVA變壓器(其中一臺1.0MVA變壓器處于停用狀態(tài))。

3.2 功率補(bǔ)償控制

圖1 光伏陣列的等效電路圖

從相關(guān)的評估的數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)新設(shè)3MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目的諧波類型主要為三次，五次，七次，十一次，十三次諧波，雖然現(xiàn)有評估值諧波數(shù)值沒有超過國標(biāo)值，但使用的四臺升壓變壓器自身空載需要消耗一定量的無功，夜間使用時(shí)會造成光伏發(fā)電系統(tǒng)一次側(cè)的功率因數(shù)偏低，為了避免造成整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)低于0.9被罰款和造成變壓器自身的損耗，故需要對光伏發(fā)電站升壓變壓器低壓側(cè)進(jìn)行額外的無功補(bǔ)償措施。

從評估數(shù)值看，新增的六臺光伏發(fā)電逆變器諧波數(shù)值沒有超標(biāo)，如上所述，為了避免造成系統(tǒng)功率因數(shù)低而被罰款和對變壓器過渡損耗，故需要對光伏發(fā)電站升壓變壓器低壓側(cè)進(jìn)行額外的無功補(bǔ)償措施，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)純電容補(bǔ)償會造成系統(tǒng)諧波放大，有發(fā)生串并聯(lián)諧振的隱患，故此次無功補(bǔ)償方案建議使用采用調(diào)諧濾波的形式進(jìn)行無功補(bǔ)償，即調(diào)諧電容器串6%的電抗器的形式。

無功補(bǔ)償量：

變壓器無功損耗計(jì)算如下：

其中：△Q--變壓器實(shí)際無功消耗(kvar)；Pn--變壓器空載損耗(kW)；Q0--變壓器空載勵磁功率(kvar)；P--變壓器負(fù)載有功功率(kW)；QS--變壓器實(shí)際勵磁功率(kvar)；Q--變壓器負(fù)載無功功率(kvar)；I0%--變壓器空載電流%；U--變壓器額定電壓(kV)；Sn--變壓器額定容量(kVA)；Xβ--變壓器感抗(kΩ)。

0.5 MVA變壓器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=0.5MVA由上述變壓器空載無功損耗公式可計(jì)算得出：Q0=√12=3.5kvar。

1MVA變壓器，已知：I0%=0.8，Pn=2kW，Sn=1MVA由上述變壓器空載無功損耗公式可計(jì)算得出：Q0=√60=7.7kvar。

最終方案是每臺變壓器給補(bǔ)的無功額定容量是20kvar，輸出容量為14kvar，這樣晚上變壓器空載情況下時(shí)形成一點(diǎn)過補(bǔ)狀態(tài)，不會有串并聯(lián)諧振隱患，白天逆變器工作時(shí)，每臺逆變器功率因數(shù)為0.98，補(bǔ)到1的情況下需要101kvar無功量，故白天無功補(bǔ)償裝置投運(yùn)后系統(tǒng)的功率因數(shù)是小于1的也不會產(chǎn)生串并聯(lián)諧振。

總而言之，太陽能作為一種再生能源，具有清潔性、可再生性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。太陽能利用主要分為光伏、光熱和光化利用，其原理是一種能量轉(zhuǎn)換過程。其中光伏發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行傳輸和使用，是一種新的發(fā)電模式，具有結(jié)構(gòu)簡單、清潔安全和維護(hù)方便的特點(diǎn)。這就要求我們在以后的實(shí)際工作中必須對其進(jìn)行進(jìn)一步探究應(yīng)用。

[1]邱培春.光伏并網(wǎng)發(fā)電的功率平抑控制[D].北京交通大學(xué)，2010.

[2]郭佳.光伏并網(wǎng)發(fā)電和無功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2013.