光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理

1、1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類1.1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電 網(wǎng)電壓同頻同相的交流電， 并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電， 又向電網(wǎng)發(fā)電 的系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器 和繼電保護(hù)裝置組成。光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件， 由其將接收到的太 陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能。 目前工程上應(yīng)用的光伏陣列一般是由一定 數(shù)量的晶體硅太陽能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓的要求串、 并聯(lián) 組成的。并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心， 它將光伏陣列發(fā) 出的電能逆變成220V/50Hz的正弦波電流并入電網(wǎng)

2、。電壓型逆變器 主要由電力電子開關(guān)器件組成，以脈寬調(diào)制的形式向電網(wǎng)提供電 能。控制器一般由單片機(jī)或DSF芯片作為核心器件，控制光伏陣列的最大功率點(diǎn)的跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的功率和波形。 繼電保護(hù)裝置可以保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全性。1.1.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和兩級(jí)式光伏 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中， 并網(wǎng)逆變器要同時(shí)完2成MPPT和并網(wǎng)電流控制的任務(wù)，即保證光伏陣列輸出功率最大化 的前提下控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相； 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電 系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器只需進(jìn)行逆變控制， 光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT由前級(jí)DC/D

3、C變換器完成，并網(wǎng)逆變器通過控制DC/DC變 換器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，并網(wǎng)逆變器控制的任務(wù)是保證 輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率、相位完全一致。1.2光伏陣列模塊工作點(diǎn)（MPPT跟蹤控制1.1.1光伏陣列輸出特性太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽能電池電路模型見圖2-1。a:（1中：光生電流，正比于太陽能電池的面積和入射光的輻照度ID：暗電流；Rsh:旁路電阻；RS：串聯(lián)電阻；RL：電池的外負(fù)載電阻；Uoc:電池的開路電壓。）圖2-1太陽能電池電路模型輸出負(fù)載R上電壓電流關(guān)系I3式中q k:電子電荷量及波爾茲曼常數(shù);A:太陽能板的理想因數(shù)，A=1.5

4、;T:太陽能板的溫度；Iso:太陽能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)。由光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型分析可知，太陽能電池的輸出是一個(gè)隨 光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2-2為太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1 kW/m2,T=25e時(shí)的典型輸出特性。太陽能 板的輸出開路電壓Uw和輸出短路電流iSc的值由生產(chǎn)廠家給出。由圖2-2光伏電池輸出特性曲線可知，光伏電池在輸出電壓較 低時(shí)，其輸出電流幾乎不變，可以看成一個(gè)直流恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個(gè)單峰值曲線， 光伏電池輸出功率隨輸出電壓變 化而變化，在變化過程中存在一個(gè)最大值。圖2-2太陽能電池典型輸出曲線IRLIphqIosexp URLIRLR

5、AkTURL1RL尺Rsh41.1.2 MPPT控制方法觀察光伏電池輸出功率特性P-U曲線可知，太陽能電池有一個(gè) 最優(yōu)工作點(diǎn),叫做最大功率點(diǎn)（MPPT）,它取決于電池板溫度和光 照大小,不同的溫度和光照條件下太陽能電池有不同的最大功率 點(diǎn)。即使在同一溫度和光照條件下,由于太陽能電池的工作電壓不 同,也會(huì)使太陽能電池輸出功率不同。 要使光伏電池盡可能地工作 在最大功率點(diǎn)，需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制。最常用的最 大功率點(diǎn)跟蹤方法有：恒定電壓跟蹤法（CVT）、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法4等。1、恒定電壓跟蹤法通過觀察光伏系統(tǒng)P-V關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度下，當(dāng)日照強(qiáng)度較高時(shí)， 諸曲線的最

6、大功率點(diǎn)幾乎都分布在一條垂直線的 兩側(cè)，這說明光伏陣列的最大功率輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某一恒定電 壓，這就大大簡(jiǎn)化了MPPT的控制設(shè)計(jì)，即人們僅需從生產(chǎn)廠商處 獲得數(shù)據(jù)Vmax，并使陣列的輸出電壓鉗位于Vmax值即可，實(shí)際上是把MPPT空制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT空制。采用CVT較之不帶CVT的直接耦合工作方式要有利得多，對(duì)于一般光伏 系統(tǒng)可望獲得多至20%的電能。但這種控制方式忽略了溫度對(duì)開路 電壓的影響，特別是在環(huán)境溫度變化比較大的場(chǎng)合， 會(huì)產(chǎn)生較大的 偏差，從而浪費(fèi)較大的電能。CVT控制的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會(huì) 出現(xiàn)振5蕩，有很好的穩(wěn)定性；可以方便地通

7、過硬件實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是： 控制精度差， 特別是對(duì)于早晚和四季溫度變化劇烈的地區(qū)； 必須人6工干預(yù)才能良好運(yùn)行，更難預(yù)料風(fēng)、沙等影響。圖2-3采用CVT空制的控制流程圖2、擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法的原理是在每個(gè)控制周期用較小的步長改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的， 方向可以是增加也可以 是減少，控制對(duì)象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動(dòng)”；然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向 繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測(cè)到輸出功率減少，則改變“干擾”的 方向。7當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后， 光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在其最大功率點(diǎn)附 近的一個(gè)小范圍內(nèi)來回振蕩，從而導(dǎo)致部分功率損失；其次，難以 選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣 列可能長時(shí)間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)， 步長過大， 太陽能電池陣列在 最大功率點(diǎn)附近的振蕩又會(huì)加大， 跟蹤精度下降， 從而導(dǎo)致更多的 功率損失。由上可歸納出擾動(dòng)觀察法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：跟蹤方法 簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少， 傳感器精度