光伏發(fā)電利用技術研究

1、光伏發(fā)電利用技術研究【摘要】光伏發(fā)電在解決我國無電地區(qū)電力建設和電力規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電的市場中都將扮演重要的角色，應當予以高度重視。本文對當前兩種光伏發(fā)電利用技術做了簡要的探究。 【關鍵詞】光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏獨立光伏 中圖分類號：TM6文獻標識碼：A文章編號： 光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相連，可以分為并網(wǎng)和獨立兩種類型。本文分別對這兩種技術做了簡要的研究。 一、我國光伏發(fā)電的發(fā)展 中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)始于20世紀70年代，2000年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量及其裝機容量逐年穩(wěn)步增加。2011年，我國裝機容量達到2.4 GW，截至2011年底，光伏系統(tǒng)累計裝機總容量已達到3GW。 光伏

2、發(fā)電技術在我國應用的近幾十年中，太陽能發(fā)電走過了從空間應用、地面小規(guī)模應用到現(xiàn)在的地面較大規(guī)模利用時代，從20022011年，特別是2002年基本解決了全國近800個無電鄉(xiāng)的鄉(xiāng)政府用電問題。規(guī)模如此之大，在國際上也是空前的。在接下來的23年內，我國解決了 11592個自然村和16889個行政村的用電問題。由于所有的這些村莊都處于偏遠地區(qū)，十分分散，只能建造獨立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 到2020年前，隨著成本將不斷下降，政府扶持政策的不斷推出，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，20052010年，我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在2010年以后，隨著太陽能光伏電池成本的大幅下

3、降，發(fā)電成本也隨著降低，2011年，每千瓦發(fā)電成本降至1.0元，而20102020太陽能光伏發(fā)電將會由獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到年將約為0.6元每千瓦時。2020年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術水平有望達到世界先進行列。 二、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 1、系統(tǒng)結構 通常光伏并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型逆變的拓撲結構，如圖1所示。 圖1 主電路拓撲結構 系統(tǒng)采用三相橋的電路結構，逆變電壓通過電感與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行模式下，系統(tǒng)的控制目標是使逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同，電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。 2、光伏陣列的最大功率點跟蹤（

4、MPPT） 光伏陣列的特性曲線如圖2a所示，陣列工作點不同決定了它的輸出功率也不同。光伏陣列最大功率點跟蹤的原理是：通過檢測光伏陣列在不同工作點下的輸出功率，經(jīng)過比較尋優(yōu)，找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應的工作電壓。具體實現(xiàn)方法如下：首先使光伏陣列工作于某一確定電壓值，然后擾動太陽電池輸出電壓值(UPV+U)，再測量輸出功率的變化，與擾動之前的功率值相比。若輸出功率值增加，則表示擾動方向正確，可向同一方向以+U為步長再擾動；若擾動后的功率值減小，則向反方向以-U為步長再擾動。此法的最大優(yōu)點在于其結構簡單，被測參數(shù)少，通常被較普遍地應用于光伏系統(tǒng)最大功率點的跟蹤控制。通過不斷

5、擾動使陣列輸出功率趨于最大，尋優(yōu)過程如圖2b所示。 圖2 光伏陣列特性曲線 3、并網(wǎng)控制策略 （1）逆變器拓撲和控制方式 并網(wǎng)逆變器采用電壓型全橋逆變器，控制方式一般采用輸出電流控制，控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達到并聯(lián)運行的目的。本文采用電流控制方式為滯環(huán)比較方式，雖然滯環(huán)比較方式頻率不固定，但它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態(tài)響應快、不依賴負載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點。 滯環(huán)控制原理是將給定電流與反饋電流的誤差與一個確定滯環(huán)閾值H做比較，以確定兩對開關管的開關邏輯，如圖3所示。在輸出電流正半周，當誤差超過滯環(huán)的上閾值，開關管S2和S3導通，S1和S4關斷，UAB=E，電

6、感電流減?。划斦`差低于滯環(huán)的下閾值，開關管S1和S4導通，S2和S3關斷，UAB=E，電感電流增大。 圖3 采用滯環(huán)控制方式的并網(wǎng)逆變原理圖 （2）并網(wǎng)控制策略 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略進行并網(wǎng)控制。雙閉環(huán)的外環(huán)為電壓環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器直流輸入端電壓即電容電壓穩(wěn)定；內環(huán)為電流環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸送到電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。 將實際檢測到的電容電壓與給定的電容電壓相比較，差值經(jīng)過調節(jié)器，得到電流環(huán)的給定并網(wǎng)電流的幅值，當實際的電容電壓超過給定值時，給定并網(wǎng)電流的幅值會增大，電容電壓會下降；當實際的電容電壓小于給定值時，給定并網(wǎng)電流的幅值會減

7、小，電容電壓則會增加，由此來實現(xiàn)電容電壓穩(wěn)定。給定并網(wǎng)電流幅值與經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓的頻率和相角同步信號相結合，得到并網(wǎng)電流的給定信號，此給定電流再與實際檢測到的并網(wǎng)電流相比較，差值經(jīng)過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，得到全橋逆變器的功率器件的開關信號，控制功率器件開通和關斷，使并網(wǎng)電流在指定的環(huán)寬以內變化。 三、獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 1、三端口變換器系統(tǒng)工作狀態(tài)分析 三端口變換器共包括單向輸入端、單向輸出端和雙向輸入/輸出端三個端口。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，輸入端與光伏陣列相連，輸出端與負載相連，雙向端則與蓄電池相連。其中輸入端僅接受外部輸入功率，負載端口僅向外部輸出功率，儲能端口既能接受功率，又能輸出功率，

8、用來平衡系統(tǒng)功率，保證負載供電的連續(xù)性和可靠性。 三端口變換器的系統(tǒng)工作狀態(tài)取決于光伏電池和負載端的功率關系。當光伏陣列輸入功率為零時，蓄電池單獨向負載供電，變換器工作于單輸入單輸出模式；當光伏陣列輸入功率小于負載功率時，不足的能量由蓄電池補充，變換器工作于雙輸入模式；當光伏陣列輸入功率大于負載功率時，光伏陣列輸入的多余能量用以給蓄電池充電，變換器工作于雙輸出模式。 2、三端口變換器拓撲 三端口變換器與傳統(tǒng)兩端口變換器的本質區(qū)別在于其內部包含多條功率流。其三個端口之間等效的功率流包括：(1)輸入端到輸出端；(2)輸入端到雙向端；(3)雙向端到輸出端。只要建立起上述三條功率流所需要的傳輸路徑并滿

9、足如下約束條件就能夠構造出三端口變換器拓撲：(1)三條功率流均獨立可控，滿足各種工況下系統(tǒng)功率控制的要求；(2)三條等效功率傳輸路徑均為單級功率變換，以實現(xiàn)高的變換效率和功率密度。按照上述思路，本文構造并提出了一系列三端口變換器拓撲，包括非隔離和部分隔離兩大類，圖4分別給出了非隔離和部分隔離三端口變換器典型拓撲實例。 以圖4(a)所示非隔離變換器為例進行分析：當PV功率大于負載功率時，PV向負載供電的同時向蓄電池充電，調節(jié)S1的占空比可以實現(xiàn)輸入源的最大功率跟蹤(MPPT)，調節(jié)S2的占空比可以進一步實現(xiàn)負載電壓的控制，此時S4一直關斷，S3作為S2的同步整流管與S1互補導通；當PV功率小于負

10、載功率時，PV和蓄電池向負載供電，此時S2一直關斷，S4一直導通，調節(jié)S1實現(xiàn)PV的MPPT，調節(jié)S3實現(xiàn)負載端電壓的穩(wěn)定；當PV輸入功率為0時，S1和S2都一直關斷，S4一直導通，控制S3實現(xiàn)負載端電壓的穩(wěn)定。 圖4 三端口變換器拓撲 三端口變換器的控制策略是決定整個系統(tǒng)能否正常工作的關鍵因素。獨立光伏供電系統(tǒng)中，需要同時實現(xiàn)PV的MPPT控制、蓄電池充放電(電壓/電流)控制和負載電壓/電流或功率控制。仍以圖4(a)所示非隔離三端口變換器為例，本文提出采用輸入電壓調節(jié)器(IVR)、蓄電池電流調節(jié)器(BIR)、蓄電池電壓調節(jié)器(BVR)和輸出電壓調節(jié)器(OVR)等四個調節(jié)器及其自主競爭機制的系統(tǒng)功率控制方法：OVR控制器的輸出用來調節(jié)開關管S2，S3，S4的占空比，保證在任何情況下，輸出電壓都是穩(wěn)定的。IVR，BIR，BVR控制器競爭得到最小值，用來調節(jié)開關管S1的占空比，從而控制PV端電壓，實現(xiàn)PV輸入功率的控制，進而實現(xiàn)PV的MPPT控制及蓄電池充電控制。 結束語 采用模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構，能夠有效提高系統(tǒng)的冗余性和可靠性，采用提出的系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法，能夠有效提高系統(tǒng)效率，提出的新型非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結構，能夠有效減小漏電流、提高變換效率。在光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)中，采用三端口變換器能夠有效實現(xiàn)光伏電池、儲能蓄電池和負載三者的能量管理和