基于光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流輸電技術(shù)研究

裴堯

摘 要：如今，光伏發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，直流輸電是實(shí)現(xiàn)大容量、遠(yuǎn)距離、高電壓及其區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的重要技術(shù)。特高壓直流輸電大容量、遠(yuǎn)距離、低消耗屬性被比喻為“電力高速公路”，對(duì)于大規(guī)模新能源發(fā)電具有重要意義。我國(guó)的水力發(fā)電主要集中在西南地區(qū)，而太陽能、風(fēng)能發(fā)電主要集中在北部、西部地區(qū)。如果要想將西電東送、節(jié)約能源、更充分地利用清潔能源，只有選擇特高壓才能實(shí)現(xiàn)清潔能源的大規(guī)模、大范圍地輸送和接納。光伏發(fā)電的第一關(guān)鍵是產(chǎn)生直流電，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)變交流。因此，展開直流輸電技術(shù)研究是非常必要性的。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；直流輸電；boost電路

引言

光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收。電子吸收的能量足夠大，能克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為光電子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由P極區(qū)往N極區(qū)移動(dòng)，電子由N極區(qū)向P極區(qū)移動(dòng)，形成電流。其有以下優(yōu)勢(shì)及其特點(diǎn)：

（1）可靠性：不管外界環(huán)境和季候多么惡劣，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率都很低。因此，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提供可靠性高的電能。

（2）耐用性：如今，光伏電池組件的出產(chǎn)質(zhì)量都能保證性能在10年以上正常，一般均可發(fā)電25年及更長(zhǎng)的時(shí)間。

（3）檢修費(fèi)用低、無污染、安裝靈活、安全性、獨(dú)立自主。

1 光伏直流輸電特性

一般光伏發(fā)電用直流輸送電能，對(duì)電壓要求都較高。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出直流電后，經(jīng)過DC/DC升壓電路后，可以將電壓升高到千伏以上，能夠達(dá)到高壓的目的。在本文的研究中，光伏陣列在輸出直流電后，經(jīng)過boost升壓電路。由U0=■E，當(dāng)占空比D取0.5-0.8之間時(shí)候，電壓可以增加2-5倍。由光伏組件相關(guān)產(chǎn)品顯示的參數(shù)可知，一個(gè)20瓦的光伏組件在最大功率點(diǎn)時(shí)，電壓為17.2V。假設(shè)一個(gè)很小的光伏陣列由40個(gè)這樣的組件串聯(lián)，當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，電壓值為688V。經(jīng)過boost電路升壓后，直流電壓范圍為1376-3440V。這個(gè)小的光伏陣列的電壓數(shù)量級(jí)已經(jīng)達(dá)到千伏以上，具有高壓直流輸電的特點(diǎn)。能夠提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，降低輸電的成本及其損耗，帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。

2 boost電路的直流升壓系統(tǒng)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)中boost電路的工作原理

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要想光伏陣列的輸出電壓達(dá)到逆變需要的直流電壓等級(jí)，就必須通過DC/DC升壓電路一級(jí)一級(jí)地升壓。在大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)中，采用boost變換器，控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單、效率高。Boost變換器具有損耗單元較少的特殊性能，因此能夠大量使用，同時(shí)能夠通過調(diào)節(jié)D來獲取最大功率。Boost變換器是在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，最大功率跟蹤的理想器件。如圖1所示。

當(dāng)d（三極管）導(dǎo)通時(shí)，光伏電池輸出直流電壓（E）向電路中L充電，充電電流保持I1不變，同時(shí)C向負(fù)荷提供電壓。因電容值很大，U0為恒定不變。設(shè)ton是開關(guān)打開時(shí)間，EI1ton為L(zhǎng)上在ton時(shí)間段的儲(chǔ)能；當(dāng)d關(guān)斷時(shí)，負(fù)載R的電能由E和L共同對(duì)C充電來供電。toff為d關(guān)閉的時(shí)間。則在ton時(shí)間段L放出的電能為：EI1ton=（U0-E）I1toff。L在一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期中的能量守恒，得：

由上述表達(dá)式，toff

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)中boost電路參數(shù)的選擇

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，經(jīng)過光伏電池輸出的直流電，經(jīng)boost電路后得到升高的電壓，電路中的電感和電容起關(guān)鍵性作用：L經(jīng)過電壓源蓄能之后，具有使電壓上升的效果，電容C將輸出電壓保持住。因此，DC/DC變換器中，對(duì)電感和電容的要求相應(yīng)較高。

（1）電感的選擇。在開關(guān)元件T接通期間，L電流增量為△iL （+）：

其中：L為電感，D為占空比，T為三極管的周期，Us為光伏電池輸出電壓。

忽略內(nèi)部損耗時(shí)，由功率守恒，即有：P0=Ps。其中，Ps和P0分別表示輸出的功率和輸入的功率：

其中：US、IS、U0、I0分別為光伏電池輸出電壓、電流，boost電路輸出電壓和電流?？梢酝瞥觯?/p>

為了使電路中有連續(xù)電流，電感中電流的臨界值為△iL：△iL=2IS

電感滿足條件：

因?yàn)殚_關(guān)管的峰值電流等問題，這里取紋波電流為：△I■1.4IS

綜合上式可得到電感值為： ，其中f為開關(guān)頻率。

（2）電容的選擇在連續(xù)的模式下，假設(shè)二極管的電流全部流進(jìn)電容器，△Q為每一個(gè)開關(guān)周期電容充電或放電的電量，則：△Q=I0DT

由△Q形成的紋波電壓可表示為：

可計(jì)算得在電感電流連續(xù)模式時(shí)，指定紋波電壓限值，需要的電容值為：C？叟■

光伏陣列輸出的直流電，經(jīng)逆變之后，根據(jù)并網(wǎng)原則，由系統(tǒng)容量來判定接入電網(wǎng)電壓的等級(jí)，最終接入大電網(wǎng)。

3 結(jié)束語

文章從光伏發(fā)電前端直流輸電入手，主要針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中由光伏陣列輸出直流電之后，輸送到逆變器的過程中電能的處理方式進(jìn)行了研究。通過對(duì)大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)的前端直流輸電的特性和直流輸電的結(jié)構(gòu)、boost電路的原理及其參數(shù)選擇進(jìn)行的分析和研究。進(jìn)一步說明了在光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]侯玉強(qiáng)，李威.大規(guī)模光伏接納對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響及其相關(guān)制約因素分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2013，29（4）：73-77.

[2]劉吉臻.大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問題[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，6（16）：1-8.

[3]馬琳，金新民，唐芬，等.小功率單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的比例諧振控制[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34（2）：128-132.