光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)要點(diǎn)及改進(jìn)對(duì)策

國(guó)家電投集團(tuán)陜西新能源有限公司 石耀中

1 引言

光伏發(fā)電作為一種代表性的新能源發(fā)電技術(shù)，選擇可再生的太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，不會(huì)消耗化石能源，也不會(huì)排放其他污染物，對(duì)于生態(tài)環(huán)境較為友好。光伏并網(wǎng)發(fā)電有別于離網(wǎng)光伏發(fā)電，可以精簡(jiǎn)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，基于大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制系統(tǒng)，更加高效利用太陽(yáng)能能源，并聯(lián)合使用集中管控技術(shù)、逆變器并聯(lián)技術(shù)等，合理開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能資源，起到補(bǔ)償無(wú)功、削峰、接收調(diào)度指令等功能優(yōu)勢(shì)。因此，大力推行光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用實(shí)施是必然選擇。光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)并非一成不變的，正處于持續(xù)升級(jí)優(yōu)化的狀態(tài)，可以創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，是我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)新生產(chǎn)物，極大地緩解了電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，減少化石能源的消耗量，對(duì)生態(tài)環(huán)境較為友好。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)在建筑屋頂、荒漠或戈壁等環(huán)境設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)，收集太陽(yáng)能資源，保證太陽(yáng)能資源充足下，實(shí)現(xiàn)光伏電池儲(chǔ)能[1]。DC/DC 是功率跟蹤器，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電項(xiàng)目有效調(diào)度。DC/AC是逆變器，主要是為了保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可以穩(wěn)定、順利并網(wǎng)，與電網(wǎng)可靠連接。基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，有助于減少電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷和傳統(tǒng)發(fā)電能耗、污染，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，提升太陽(yáng)能資源利用率，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化發(fā)展目標(biāo)。

2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

一是合理化開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能資源，此類(lèi)資源清潔可再生，不會(huì)消耗化石能源，而且也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，同生態(tài)環(huán)境較為友好，更好地滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展需要。

二是分布式安裝，供電就地分散方式安裝，增強(qiáng)電網(wǎng)的進(jìn)退靈活性，并且進(jìn)一步增強(qiáng)電力系統(tǒng)的災(zāi)害防控能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷均衡，減少線(xiàn)路損耗，帶來(lái)更大的效益。

三是系統(tǒng)發(fā)電量和電網(wǎng)并入連接，基于電能儲(chǔ)存能源，相較于獨(dú)立光伏系統(tǒng)而言，成本投資減少大概約35%～45%，有效減少系統(tǒng)總體改造成本。另外，不需要設(shè)置蓄電池組，增強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低故障發(fā)生概率和二次污染時(shí)間[2]。

四是具有調(diào)峰作用，光伏發(fā)電技術(shù)作為當(dāng)前時(shí)代的前沿技術(shù)之一，受到世界各國(guó)關(guān)注和重視，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)最主要的發(fā)電方式，呈現(xiàn)良好的發(fā)展前景。

3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)分析

3.1 功率點(diǎn)電路跟蹤控制技術(shù)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，一個(gè)重要技術(shù)要點(diǎn)即太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)，受到外界溫度和光照強(qiáng)度因素干擾影響。即便光照強(qiáng)度、溫度條件一致，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓、功率仍然會(huì)存在差異?；诠β庶c(diǎn)跟蹤控制技術(shù)，能夠在太陽(yáng)能資源的合理開(kāi)發(fā)和利用下，結(jié)合光照強(qiáng)度促使太陽(yáng)能電池輸出電能最大化，切實(shí)提升電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。跟蹤控制最大功率點(diǎn)電路方法多樣化，其中當(dāng)屬擾動(dòng)觀察、固定電壓以及增量電導(dǎo)等方法最為常見(jiàn)，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，采用模糊和滑膜控制方法用于跟蹤控制最大功率點(diǎn)，實(shí)際成果較為理想[3]。該方法即便可以跟蹤調(diào)節(jié)光伏器件輸出功率，但也存在相應(yīng)的弊端和不足，增強(qiáng)光伏器件穩(wěn)定性和便捷性、輸出最大功率，則是目前光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

3.2 光伏并網(wǎng)分布式技術(shù)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，分布式技術(shù)占據(jù)重要地位，可以實(shí)現(xiàn)電能合理分配，如果電力供應(yīng)不足，通過(guò)大電網(wǎng)調(diào)節(jié)和交換，以此解決這個(gè)問(wèn)題。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中包括了電路、保護(hù)裝置、太陽(yáng)能電池組、電網(wǎng)接口以及集便器等元件。作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)核心裝置，太陽(yáng)能電池組可以將太陽(yáng)能資源收集、轉(zhuǎn)化為電能。逆變器裝置的功能是轉(zhuǎn)換直流電。在具體應(yīng)用中，逆變器承載著形成交流負(fù)載功能，為電網(wǎng)系統(tǒng)提供電能支持。

3.3 逆變器技術(shù)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器靈活應(yīng)用能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目多樣化功能需求，促使太陽(yáng)能高效收集、轉(zhuǎn)換和利用。逆變器通過(guò)直接或是間接方式控制系統(tǒng)電流，促進(jìn)兩種控制技術(shù)融合應(yīng)用，有助于提升系統(tǒng)控制效果。就逆變器的集群特性與控制來(lái)看，具體如下。

一是逆變器集群運(yùn)行特性。逆變器并聯(lián)組合形式多樣，彰顯出獨(dú)特的集群特性，具體表現(xiàn)為諧波特性與系統(tǒng)效率特性。并聯(lián)逆變器的諧波特性，有多個(gè)三相逆變器并聯(lián)，同時(shí)加入LC濾波，重點(diǎn)考量電網(wǎng)阻抗因素。如果三相對(duì)稱(chēng)，則選擇單向等值電路分析，通過(guò)建立單臺(tái)逆變器模型能夠綜合分析逆變器并聯(lián)情況，發(fā)現(xiàn)異常動(dòng)態(tài)修改電網(wǎng)阻抗參數(shù)，確保逆變器并聯(lián)情況符合要求。隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)增加，諧波問(wèn)題將會(huì)有所下降[4]。

二是逆變器集群并聯(lián)運(yùn)行控制。并聯(lián)逆變器集群控制方式，有助于降低發(fā)電成本和電力系統(tǒng)運(yùn)行效率。逆變器集群并聯(lián)運(yùn)行控制方式集合了多個(gè)并聯(lián)逆變器，直流母線(xiàn)為共用，并且保證各集群直流母線(xiàn)保持相互獨(dú)立的狀態(tài)。從可靠性角度來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行中即便出現(xiàn)局部故障問(wèn)題，其他部分仍然可以保持正常運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)干擾到電站整體運(yùn)行。如果出現(xiàn)通信故障問(wèn)題，不需要立即停機(jī)，借助各單元特性動(dòng)態(tài)化協(xié)調(diào)，支持系統(tǒng)正常運(yùn)行。此時(shí)允許系統(tǒng)出現(xiàn)一定性能損失，不在最佳運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上，系統(tǒng)運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)可靠性和系統(tǒng)性能之間的矛盾沖突，要求做好二者協(xié)調(diào)處理。結(jié)合光伏系統(tǒng)特性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，光伏電站控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，確保系統(tǒng)性能符合要求?？刂葡到y(tǒng)有4 層，電站控制層是負(fù)責(zé)電網(wǎng)和電網(wǎng)之間的信息交互傳播，具有上傳下達(dá)的作用；集群控制層用于各逆變器運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)集群優(yōu)化運(yùn)行；單元控制層的功能室用于單臺(tái)逆變器電壓、電流控制，同時(shí)也可以結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行要求分散控制；時(shí)鐘同步層是用于各個(gè)逆變器內(nèi)生成開(kāi)關(guān)頻率同步時(shí)鐘，滿(mǎn)足PWM同步功能需要。

圖1 光伏電站控制系統(tǒng)架構(gòu)

時(shí)鐘同步，在各控制器上設(shè)置專(zhuān)用通信端口，實(shí)現(xiàn)各逆變器選擇同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。有觀點(diǎn)認(rèn)為，可以基于普通串行通信協(xié)議，各控制器上維護(hù)同步信號(hào)，以此避免增加通信端口。但此種方法對(duì)通信的依賴(lài)性較強(qiáng)，消耗的通信資源較多，而且一旦發(fā)生通信故障則會(huì)導(dǎo)致控制器信號(hào)快速脫離同步。選擇并網(wǎng)逆變器集群同步時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生方法，基于鎖相環(huán)鎖相電網(wǎng)電壓信號(hào)，遏制輸入信號(hào)噪聲大小，最終獲得輸入信號(hào)頻率。傳輸鎖相環(huán)輸出信號(hào)到鎖相倍頻器，獲得高頻時(shí)鐘信號(hào)輸出，觸發(fā)PEM信號(hào)生成，最后使用串行總線(xiàn)校準(zhǔn)，保證控制器時(shí)鐘信號(hào)相同。此種方式不需要消耗大量的通信資源，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)同步的目標(biāo)。

下垂控制是在缺少通信條件下使用，逆變器不是用于控制交流電壓，而是控制直流電壓和交流電流，所以要在直流側(cè)構(gòu)造下垂特性。

3.4 準(zhǔn)確判斷并網(wǎng)發(fā)電功率

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)電功率，分析干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素，并針對(duì)性地提出有效措施予以控制。具體的預(yù)測(cè)方式有直接預(yù)測(cè)和間接預(yù)測(cè)方式，有助于及時(shí)剖析影響產(chǎn)生的因素，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)并網(wǎng)發(fā)電功率，在提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率方面具有重要作用。需要注意的是，在預(yù)測(cè)系統(tǒng)功能時(shí)，要注重相關(guān)數(shù)據(jù)信息收集和處理，減少數(shù)據(jù)偏差，支持光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.5 系統(tǒng)安保技術(shù)

安保技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用，其本質(zhì)目標(biāo)是為了避免信息孤島情況出現(xiàn)而編制防護(hù)員，這樣在出現(xiàn)異常問(wèn)題時(shí)及時(shí)主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行。安保技術(shù)在應(yīng)用前，組織仿真試驗(yàn)來(lái)收集電網(wǎng)運(yùn)行中的負(fù)載數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)判斷電網(wǎng)后期運(yùn)行中出現(xiàn)故障的概率，有效控制逆變器，保障光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐

某光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目總峰值功率3360Wp，同企業(yè)電網(wǎng)并接，如果電網(wǎng)斷電，該系統(tǒng)即可獨(dú)立為企業(yè)供電。通過(guò)研究計(jì)算，太陽(yáng)能電池板設(shè)置在正向朝南，傾斜角度在25°～30°最佳，可以吸收到最大的太陽(yáng)能輻射，發(fā)電量也最大。

一是電氣設(shè)備。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)踐中，其主要構(gòu)成包括蓄電池組、太陽(yáng)能電池、雙向及并網(wǎng)逆變器等設(shè)備。

二是系統(tǒng)運(yùn)行原理。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將6 塊光伏電池串聯(lián)起來(lái)，借助二極管集線(xiàn)并聯(lián)12組串聯(lián)電池成為一組逆變器，直接將交流電并入到電網(wǎng)中，中間環(huán)節(jié)同蓄電池組、雙向逆變器連接。如果市電出現(xiàn)故障，及時(shí)切換蓄電池組來(lái)供電。太陽(yáng)能電池正常發(fā)電時(shí)，可以同時(shí)為蓄電池組、雙向逆變器充電。蓄電池組充滿(mǎn)電后，太陽(yáng)能電池發(fā)電電量直接逆變電網(wǎng)。另外，市電斷電，雙向逆變器會(huì)接收到失壓脫扣器脫扣信號(hào)，自動(dòng)化啟動(dòng)逆變器，借助蓄電池組為電氣設(shè)備供電服務(wù)[5]。

三是數(shù)顯監(jiān)控系統(tǒng)。在該光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目中，建立數(shù)顯監(jiān)控系統(tǒng)，其中有調(diào)速器、溫度與風(fēng)速計(jì)、照度儀、數(shù)據(jù)線(xiàn)纜、終端控制設(shè)備以及控制器等設(shè)備。借助計(jì)算機(jī)終端設(shè)備實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息，并通過(guò)程序轉(zhuǎn)換界面來(lái)自由轉(zhuǎn)換電視或電腦終端界面。也可以直觀展現(xiàn)交流電壓、直流電壓、系統(tǒng)溫度、日發(fā)電量、氣象數(shù)據(jù)以及總發(fā)電量等信息，便于客觀、全面反映出光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況。

5 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)優(yōu)化升級(jí)

科技是不斷創(chuàng)新發(fā)展的，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)也需要持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，其中電池儲(chǔ)備系統(tǒng)是未來(lái)技術(shù)優(yōu)化升級(jí)的重要內(nèi)容，應(yīng)該優(yōu)先選擇電能儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)的太陽(yáng)能系統(tǒng)，通過(guò)光伏發(fā)電模塊連接在一起，為后續(xù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)和完善奠定基礎(chǔ)。通過(guò)長(zhǎng)期使用，借助光照電流驅(qū)動(dòng)各類(lèi)設(shè)備運(yùn)行，并借助逆變器轉(zhuǎn)換直流電為交流電。

5.2 提升光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制水平

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制方式多樣，具體有雙環(huán)、滯環(huán)以及空間矢量PWM 幾種。雙環(huán)控制方法是基于電流、電壓等控制，合理化調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流值，此種控制方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)頻率相較于固定，如果開(kāi)關(guān)頻率偏低，則會(huì)降低電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。滯環(huán)控制方法，快速響應(yīng)電流，功率期間開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)大，輸出沒(méi)有特殊諧波，不可避免地增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。PWM 控制閥，是基于逆變器空間電壓轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)控制，屬于新型控制方式，在提升直流電壓使用效率方面優(yōu)勢(shì)鮮明。

伴隨著我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，將會(huì)有更多新技術(shù)和新設(shè)備應(yīng)用其中，在提升光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率同時(shí)，合理化解決系統(tǒng)切換問(wèn)題，擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能資源合理開(kāi)發(fā)利用，與電網(wǎng)安全連接，在滿(mǎn)足電力需求同時(shí)，有效減少電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷，支持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。