光伏并網(wǎng)電站最大功率跟蹤系統(tǒng)

劉偉平

摘 要： 隨著世界能源的日益匱乏，將目標(biāo)轉(zhuǎn)向無污染、儲(chǔ)量豐富的太陽能是解決能源問題的重要方向。文章對(duì)光伏太陽能的重要意義進(jìn)行了簡要的分析，然后對(duì)光伏并網(wǎng)電站的最大功率跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了最大功率跟蹤系統(tǒng)中的斬波電路，包括降壓轉(zhuǎn)換器（BUCK）和升壓轉(zhuǎn)換器（BOOST），實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)的最大功率跟蹤點(diǎn)控制。最后，對(duì)系統(tǒng)的無功補(bǔ)償進(jìn)行了設(shè)計(jì)與討論。

關(guān)鍵詞： 太陽能；光伏并網(wǎng)發(fā)電；最大功率跟蹤；無功補(bǔ)償

1引言

世界能源危機(jī)日益加劇，不可再生型能源日益減少，迫使世界各國將目光轉(zhuǎn)向了資源豐富且無污染的太陽能，以期能利用太陽能來緩解甚至替代傳統(tǒng)型能源。我國地理面積遼闊，可供利用的太陽能資源儲(chǔ)量巨大，太陽能在我國能源中所占的比重不可忽視。

對(duì)于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，總是希望電池方陣能實(shí)現(xiàn)利益最大化，電池方陣工作效率最大，產(chǎn)生的電量最多。因此，只有在電池方陣工作在最大功率點(diǎn)處，才能使得電池方陣對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)化效率最高。而電池方陣最大功率點(diǎn)是太陽輻照度以及溫度的函數(shù)，而且還會(huì)隨著負(fù)載電壓的變化而變化，具有復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系[1]。如果在設(shè)計(jì)的時(shí)候，將電池方陣直接與負(fù)載相連接，而不采取其它的控制措施，這樣就不能保證最大功率發(fā)電，太陽能電池方陣也不可能發(fā)揮出其應(yīng)有的功率輸出。本文即是對(duì)光伏并網(wǎng)電站最大功率跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最優(yōu)化。

2 最大功率跟蹤原理

最大功率跟蹤控制系統(tǒng)，就是在太陽輻照度、溫度、負(fù)載電壓等因素變化時(shí)，也能使得太陽能電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近，使電池方陣對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)換效率最高，提高光伏發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)效益[2]。這種控制方式就叫做最大功率跟蹤點(diǎn)控制，即MPPT。太陽能電池組件的最大功率點(diǎn)與太陽輻射的變化有一個(gè)垂直線，這是保持在相同的電壓水平。

那么，對(duì)于溫度變化不大的場合，就可以用恒壓控制（CVT）的方式來代替最大功率點(diǎn)跟蹤，這樣就僅需要保證太陽能電池矩陣的恒定電壓輸出，極大地簡化了控制系統(tǒng)。

對(duì)于環(huán)境溫度變化較大的場合，CVT控制就很難保證太陽能電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近，圖1給出了不同溫度下太陽能電池組件最大功率點(diǎn)的變化。從圖1可以明顯看得出來，隨著太陽能電池組件溫度的改變，最大功率點(diǎn)電壓變化較大，溫度從25℃升高到75℃時(shí)，組件電壓大約會(huì)下降5V。溫度每升高10℃，電壓大約會(huì)下降0.1V，但這個(gè)函數(shù)關(guān)系并不明顯。這種情況下，若還要用CVT代替MPPT，就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

為了實(shí)現(xiàn)最大功率控制，需要在恒壓控制的同時(shí)，增加對(duì)溫度變化的補(bǔ)償。在恒壓控制的時(shí)候，同時(shí)增加對(duì)太陽能電池組件結(jié)溫的檢測，并調(diào)整到相應(yīng)的恒壓控制點(diǎn)就可以了。于是，需要MPPT的控制電路同時(shí)采集太陽能電池的電壓和電流信號(hào)，并以這兩個(gè)參數(shù)計(jì)算電池方陣的功率。

圖1溫度對(duì)光伏組件最大功率點(diǎn)電壓的影響

3 最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 斬波電路

CVT亦或者是MPPT都是需要采用斬波器來完成直流/直流的變換。斬波電路還具有降壓轉(zhuǎn)換器（BUCK）和升壓轉(zhuǎn)換器（BOOST）這2個(gè)電路。

BUCK降壓斬波電路的作用原理是提升電流來實(shí)現(xiàn)降壓的，而直流變換是通過電感來實(shí)現(xiàn)的，BUCK電路的原理圖見圖2（a）所示。BOOST升壓式斬波電路主要是用在光伏太陽能電池方陣對(duì)儲(chǔ)能蓄電池充電的電路之中，直流變換也是通過電感來實(shí)現(xiàn)的，其電路原理如圖2（b）所示。

圖2 BUCK以及BOOST電路原理

3.2 MPPT控制的實(shí)現(xiàn)

BUCK電路以及BOOST電路的實(shí)現(xiàn)都需要有閉環(huán)電路對(duì)其進(jìn)行控制，用來控制開關(guān)K的導(dǎo)通和斷開，以及開關(guān)K導(dǎo)通和斷開時(shí)間的長短，從而使得電池方陣始終以最大功率狀態(tài)工作。

對(duì)于CVT或具有溫度補(bǔ)償功能的CVT電路，我們將太陽能電池方陣的工作電壓信號(hào)反饋到控制電路當(dāng)中，從而控制開關(guān)K的導(dǎo)通時(shí)間，這樣就能夠使得太陽能電池方陣的工作電壓始終工作在某一恒定電壓即可。

對(duì)于為BOOST電路，只需將BOOST電路的輸出電流信號(hào)反饋到控制電路，控制開關(guān)K的導(dǎo)通時(shí)間 ，是BOOST電路具有最大的電流輸出即可。

對(duì)于真正的MPPT控制，則需要對(duì)太陽能電池方陣的工作電壓和工作電流同時(shí)采樣，經(jīng)過乘法運(yùn)算得到功率數(shù)值，然后通過一系列尋優(yōu)過程使太陽能電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近?，F(xiàn)代電子技術(shù)和元器件已經(jīng)可以是MPPT控制電路的效率做到95%以上。

4 無功補(bǔ)償

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，從而降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補(bǔ)償[3]。

無功功率的傳輸加重了電網(wǎng)負(fù)荷，使電網(wǎng)損耗增加，系統(tǒng)電壓下降。故需對(duì)其進(jìn)行就近和就地補(bǔ)償。并聯(lián)電容器可補(bǔ)償或平衡電氣設(shè)備的感性無功功率。當(dāng)容性無功功率QC等于感性無功功率QL時(shí)，電網(wǎng)只傳輸有功功率P。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，高壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.9以上，低壓用戶的功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.85以上。

本方案光伏電站箱變（6%）滿載時(shí)合計(jì)無功損耗約1.2 Mvar，光伏電站至對(duì)側(cè)間隔接入點(diǎn)擬定10 kV線路長度約2 km，滿載運(yùn)行時(shí)感性無功損耗的一半約為0.5 Mvar，光伏電站匯集站至箱變之間10 kV電纜線路總長約15km，正常運(yùn)行時(shí)感性無功損耗約0.4 Mvar。綜上，三者合計(jì)無功損耗約為2.1 Mvar，考慮到10 kV線路電壓降，所以容性無功補(bǔ)償容量按5Mvar考慮。

所以本方案10kV系統(tǒng)采用單母線接線，在10kV母線上陪著1套直掛式±5Mvar高壓靜止無功發(fā)生器（SVG），用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償、平衡電壓和抑制諧波。SVG裝置包括工控機(jī)、功率模塊、真空接觸器、電抗器以及隔離開關(guān)。■

參考文獻(xiàn)

[1]王豐， 孔鵬舉， Fred C.Lee，等. 基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統(tǒng)輸出特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2015， 30（24）：127-134.

[2]王立喬， 鮑利斌， 孫孝峰. 基于變異粒子群算法的光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)， 2016， 37（3）：743-751.

[3]王旭冉， 郭慶來， 孫宏斌，等. 考慮快速動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)亩?jí)電壓控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2015（2）：53-60.