光伏發(fā)電系統(tǒng)

單相無變壓器型光伏逆變系統(tǒng)論述——曹軍泉0.1光伏發(fā)電能源，對(duì)當(dāng)今社會(huì)的開展是一個(gè)及其敏感的話題，二十一世界能源的枯竭將成為人類開展的巨大障礙。而太陽能那么是可以解決問題的首選。無污染，無噪音，無運(yùn)輸，無本錢，取之不盡，用之不蝎，無休無止，無私奉獻(xiàn)，任何人無法阻止，也任何人無法壟斷，是真正平安、清潔、廉價(jià)、和平的可再生能源。目前全世界各國都在致力于這方面的研究開發(fā)。而太陽能光伏發(fā)電即是其中一種的重要利用方式，在世界不少國家都開展了此項(xiàng)技術(shù)的公關(guān)。目前已取得顯著成績。1.1光伏的各種方案逆變器的主電路結(jié)構(gòu)有電壓型和電流型，或單相和三相，或單級(jí)和多級(jí)，按照輸出的絕緣形式，把光伏發(fā)電并網(wǎng)用逆變器的主電路分為工頻變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式，無變壓器無絕緣方式。工頻變壓器絕緣方式高頻變壓器絕緣方式無變壓器無絕緣方式1.1.1工頻變壓器絕緣方式采用工頻變壓器使輸入的太陽電池矩陣和輸出端的電網(wǎng)絕緣，分為電壓型和電流型兩種。工頻變壓器絕緣方式電路簡單，變換只有一級(jí)，效率較高，制造本錢低。一般工頻逆變不采用SPWM控制，輸出是矩波形，要經(jīng)過強(qiáng)有力的濾波措施，才能使輸出正弦波形畸變<5％。由于電路中的半導(dǎo)體器件少，可適應(yīng)比較惡劣的使用條件。開關(guān)頻率低，產(chǎn)生的電磁干擾小。雖然主變壓器和濾波電感體積大，但是，可采用低頻材料制造，本錢并不高。這種方式的逆變器主要用于獨(dú)立型太陽光發(fā)電站。返回1.1.2高頻變壓器絕緣方式采用高頻變壓器使輸入的太陽電池矩陣和輸出端的電網(wǎng)絕緣，變換分為三級(jí)(DC-HFAC-DC-LFAC)第一級(jí)為SPWM高頻逆變器，通過高頻變壓器后整流濾波成直流，再經(jīng)工頻逆交器，變?yōu)楣ゎl正弦波電壓輸出。高頻變壓器比工頻變壓器體積小，重量輕，本錢低。但是，經(jīng)多級(jí)變換，效率問題比較突出，只要采用低損耗吸收電路和認(rèn)真選擇電磁元件，仍然可以使效率超過90％。由于有SPWM控制和周波數(shù)變換，輸出波形畸變小，不需要強(qiáng)有力的濾波，不過高頻電磁干擾問題嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽等抑制措施。這種方式的逆變器主要用于并網(wǎng)型太陽光發(fā)電站。返回1.1.3無變壓器無絕緣方式為了進(jìn)一步降低本錢，提高效率，已開發(fā)出無變壓器無絕緣方式逆變器主電路，主電路結(jié)構(gòu)如下圖。升壓電路可以和不同輸出電壓的太陽電池匹配，把太陽電池的輸出電壓升高到370V左右，盡管由于天氣變化因素使太陽電池輸出電壓發(fā)生變化，有了升壓局部后，可以保證逆變局部輸入電壓比較穩(wěn)定。同時(shí)提高了電壓，減少了電流，可以降低逆變局部損耗。升壓電路還可以對(duì)輸入的功率因數(shù)進(jìn)行校正。逆變器無變壓器無絕緣方式主電路比工頻變壓器絕緣方式復(fù)雜一些，比高頻變壓器絕緣方式簡單，仍然是兩級(jí)變換(DC-DC-AC)、效率高。沒有變壓器，體積小、重量輕、本錢較低，是到目前為止比較好的一種主電路方式。返回1.2光伏逆變系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如以下圖所示：1.2光伏逆變系統(tǒng)如上圖所示，是非隔離型光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)圖。返回1.2光伏逆變系統(tǒng)其中太陽電池主要由光伏組件組成，其應(yīng)用可以分為單個(gè)組件、組件串聯(lián)及組件并聯(lián)。光伏陣列的分布方式會(huì)對(duì)功率產(chǎn)生重要影響。逆變器的結(jié)構(gòu)也隨功率等級(jí)的不同而發(fā)生變化，從幾瓦到幾兆瓦分為；集成式、串型、多重串、主從結(jié)構(gòu)和集中式等五種。為了充分利用光伏逆變系統(tǒng)的電能，使用戶可以穩(wěn)定的利用電能，我們必須將太陽能發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)。1.3光伏逆變系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器1.3.1光伏系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)逆變器的要求求具有較高的效率。要求具有較高的可靠性。求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。能實(shí)現(xiàn)高的功率因數(shù)的正弦波形。逆變器的電磁干擾小，不能對(duì)用戶產(chǎn)生電磁干擾。1.3.2光伏并網(wǎng)逆變器的作用在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器起如下作用：實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換。將太陽能光電轉(zhuǎn)換組件陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成220V、50Hz的單相、正弦波交流電；其電流和電壓的畸變率均小。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平安保護(hù)要求。如輸出過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、輸入接反保護(hù)、直流過壓保護(hù)、交流過壓和欠壓保護(hù)、“孤島〞保護(hù)及裝置。最大功率點(diǎn)的跟蹤。1.3.3逆變器的控制策略 逆變器是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的局部，正確適宜的逆變器的控制策略可以保證逆變器輸出的電能質(zhì)量。以小型單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)的框圖如右：單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)框圖1.3.3逆變器的控制策略 并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。 以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一個(gè)大電感提供較穩(wěn)定的直流輸入，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此并網(wǎng)逆變器主要采用電壓源輸入。 采用輸出電壓控制需要采用鎖相環(huán)控制，這將導(dǎo)致響應(yīng)緩慢、控制不精確或者出現(xiàn)環(huán)流。 如果輸出采用電流控制，那么只需控制其輸出電流以跟蹤市電電壓，即可到達(dá)并聯(lián)運(yùn)行的目的。 因此采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式較為普遍?？刂谱兞坑袃蓚€(gè)：一是逆變器的輸出電壓，即中間電壓；二是逆變器的輸出電流。1.4太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤 由于光伏陣列輸出特性是非線性的，因此所有的光伏發(fā)電系統(tǒng)都希望光伏陣列在同樣日照、溫度的情況下輸出盡可能多的電能，這就在理論和實(shí)際上都需要解決的太陽能陣列最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT-MaximumPowerPointTracking)的問題。 日照強(qiáng)度和溫度對(duì)太陽能電池陣列的開路電壓和短路電流有很大的影響，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工作也由此變得不確定。這必然會(huì)降低系統(tǒng)效率。因此為了不斷獲得最大功率輸出，太陽能電池陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。1.4太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤

由右圖太陽能電池陣列的輸出特性P-V曲線，可知當(dāng)陣列工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓Vm時(shí)，陣列輸出功率隨太陽電池端電壓Vpv上升而增加；當(dāng)陣列工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓Vm時(shí)，陣列輸出功率隨Vpv上升而減少。因此最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)是一個(gè)自尋優(yōu)過程，即通過控制陣列端電壓Vpv，使陣列能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下智能的輸出最大功率。太陽能電池的輸出特性1.4.1MPPT的開展固定電壓法擾動(dòng)觀察法導(dǎo)納微分法為了得到更加穩(wěn)定、精確、可靠的控制方法，我們進(jìn)行了各種方法的探索，從自動(dòng)化程度非常低的固定電壓法，到可以在光照強(qiáng)度變化不大的情況下使用較完善的擾動(dòng)觀察發(fā)，到現(xiàn)在可以跟蹤光照強(qiáng)度變化的導(dǎo)納微分法。最大功率跟蹤算法正在一步步地完善。固定電壓法 在日照強(qiáng)度較高時(shí)，各曲線的最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的太陽能電池工作點(diǎn)電壓變化不大。這說明陣列的最大功率輸出點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)于某個(gè)恒定電壓，這就大大簡化了系統(tǒng)MPPT的控制設(shè)計(jì)，即僅需從生產(chǎn)廠商處獲得V數(shù)據(jù)并使陣列的輸出電壓鉗位于v值即可。這樣實(shí)際上是把MPPT控制簡化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了固定電壓的MPPT控制方式。 但是這種跟蹤方式忽略了溫度對(duì)陣列最大功率點(diǎn)電壓的影響。為克服使用場所冬夏早晚、陰睛雨霧等環(huán)境變化給系統(tǒng)帶來的影響，在固定電壓控制的根底上可以采用以下幾種折衷的解決方法：手動(dòng)調(diào)節(jié)方式微處理器查詢數(shù)據(jù)表格方式返回?cái)_動(dòng)觀察法 擾動(dòng)觀察法的主要思想是通過周期性的給太陽能電池的輸出電壓Vpv加擾動(dòng)a(k)，比較其輸出功率Pin(k)與前一周期的輸出功率Pin(k-1)的大小，如果功率增加那么在下一個(gè)周期以同樣方向加擾動(dòng)，否那么a(t)改變擾動(dòng)的方向。其具體的控制算法如右圖：返回導(dǎo)納微分法 導(dǎo)納微分法根據(jù)最大功率點(diǎn)的電壓來調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電壓，從而防止了這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。從圖中可以看出，dP/dV的值是與輸出電壓值一一對(duì)應(yīng)的。當(dāng)dP/dV=0，在最大功率點(diǎn)處；當(dāng)dP/dV>0，在最大功率點(diǎn)左邊；當(dāng)dP/dV<0，在最大功率點(diǎn)右邊。太陽能電池P-V和dP/dV-V關(guān)系圖返回1.4.2MPPT的方法比較固定電壓法易實(shí)現(xiàn)、可靠性好、穩(wěn)定性高；精度差、人為干預(yù)擾動(dòng)觀察法算法簡單、易實(shí)現(xiàn)、精度較高；響應(yīng)慢、受日照影響大導(dǎo)納微分法精度高、響應(yīng)快、可靠性好、自適應(yīng)力強(qiáng)；算法較復(fù)雜1.5并網(wǎng)孤島效應(yīng)現(xiàn)象及預(yù)防 所謂孤島效應(yīng)就是指，當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障、誤操作或者其他的因素中斷供電時(shí)，像光伏并網(wǎng)逆變器等分散的獨(dú)立供電裝置未能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)且迅速將自身切離電網(wǎng)，而仍向電網(wǎng)輸送電能，因此形成一個(gè)由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負(fù)載供電，但電力系統(tǒng)無法掌握的自給供電現(xiàn)象，這樣就會(huì)引起孤島效應(yīng)。1.5.1孤島效應(yīng)的定義和危害孤島現(xiàn)象發(fā)生后，電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、諧波可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，或都不出現(xiàn)。孤島產(chǎn)生后將產(chǎn)生以下一些問題：①如果是非三相運(yùn)行、有較大的諧波含量以及頻率不穩(wěn)時(shí)，都將使孤島現(xiàn)象擴(kuò)大。②孤島的電壓相量會(huì)相對(duì)于主網(wǎng)產(chǎn)生漂移，當(dāng)電網(wǎng)快速恢復(fù)時(shí)，這可能會(huì)干擾重合閘。③如在重合閘前還未消除孤島現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致不同步并網(wǎng)。在孤島電壓與電網(wǎng)電壓相量不相同時(shí)并網(wǎng)，那么在接口處會(huì)產(chǎn)生很大的電流，導(dǎo)致?lián)p壞逆變器。④對(duì)在孤島電網(wǎng)中進(jìn)行檢修工作的人員形成平安危害。⑤可能出現(xiàn)由單相并網(wǎng)系統(tǒng)供電給三相負(fù)載的情況，會(huì)造成三相負(fù)載的缺相運(yùn)行，造成危害。1.5.1孤島效應(yīng)的定義和危害1.5.2孤島效應(yīng)檢測方法孤島效應(yīng)檢測技術(shù)在并網(wǎng)逆變器側(cè)主要可分為主動(dòng)式檢測、被動(dòng)式檢測和電網(wǎng)側(cè)檢測。被動(dòng)檢測：過／欠壓〔頻〕檢測、相位跳變檢測、電壓諧波檢測主動(dòng)檢測：輸出功率擾動(dòng)法、頻移法、主動(dòng)頻率漂移檢測法(AFD)、頻率跳變檢測法等*電網(wǎng)側(cè)反孤島檢測：阻抗插入檢測法、遠(yuǎn)程通訊監(jiān)控手段目前，根本采用主動(dòng)和被動(dòng)檢測相結(jié)合的方法來檢測孤島效應(yīng)，例如相位跳