光伏发电并网关键技术

光伏发电并网关键技术摘要：近年来，随着太阳能发电技术的逐渐成熟，光伏发电也逐渐成为国家电力供应的重要部分，而如何将光伏发出的电能并入大电网一直是电力系统的一项重要研究。本文将针对该问题进行探讨，列举光伏发电并网的背景与关键技术，并对技术内容进行概述。关键词：并网式光伏发电分布式光伏发电关键技术最大功率点跟踪（MPPT）孤岛效应1引言学习新能源发电与并网这门课程半学期以来，我感觉自己受益良多，我收获的不仅仅是各位老师课上所教授的关于新能源的内容，更有他们对于新能源发展的深入分析以及未来发展趋势的预测。后三节课中关于太阳能光伏发电及其并网技术的内容尤其吸引我的注意，下面我就以此为主题，对光伏发电并网关键技术进行一些简要的概括与探究。2光伏发电并网关键技术2.1研究背景随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。太阳能发电有两大类型：一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。光伏发电就属于太阳能光发电的一种。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电系统又包括独立光伏发电系统（离网光伏发电系统）、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统。离网光伏发电顾名思义就是指可以脱离电网，独立运行的光伏发电系统，本文不做研究；分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求的发电系统；而并网光伏发系统电则是直接并接入电网的系统。本文所研究的主体就是并网光伏发电系统，以及分布式光伏发电系统的并网部分。2.2光伏发电并网光伏发电并网就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电，带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑。不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。光伏发电并网有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是光伏发电并网的主流。光伏发电并网系统主要包括太阳能电池阵列，并网逆变器组成，并辅以相应的中央集控系统。在微网中运行，通过中低压配电网接入互联特或者超高压大电网，是光伏发电系统并网的重要特点。而光伏发电系统并网的基本必要条件是，逆变器输出之正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。为了满足这个条件可见，光伏并网发电技术关键在于并网逆变器，逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。目前逆变器的研究集中于针对“孤岛效应”的被动和主动防护检测方法，以及MPPT控制、电网电流控制及电压放大等课题。2.3关键技术由于太阳能光伏并网发电涉及到较多方面的技术，本文将对光伏电池板的MPPT和光伏逆变器防孤岛技术等关键点进行讨论。2.3.1最大功率点跟踪（MPPT）最大功率跟踪技术是通过调整光伏阵列端电压，使光伏阵列在各种不同的日照和温度环境下实现最大功率输出。太阳能电池板由许多个小的太能电池组成,根据需要的电压和电流,通过相应的小太阳能电池块串并联获得。每个太阳能电池都是由具有PN结的半导体组成,下图即是太阳能电池板的等效电路模型。图1太阳能电池等效模型不同光强下或不同温度下电池的特性也会有所变化，下图是不同光强下或不同温度下太阳能电池输出的I-U和P-U曲线：图2-1不同光照强度的I-U曲线图2-2不同光照强度的P-U曲线图2-3不同温度下的I-U曲线图2-4不同温度下的P-U曲线由以上曲线图可以看出：1）太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；2）开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化。3）由P-U特性可以看出，当U为某定值时，P达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，MaximumPowerPoint)，且随着外界环境的变化而变化，因此为使得光伏组件获得最高的效率，需要采取措施使得在环境发生变化时光伏组件可以最短时间内运行在功率的峰值点（MPP）处，这个过程即通常所说的最大功率点跟踪（MPPT）。MPPT控制的方法很多，常用的有恒压法、扰动观察法、电导增量法、曲线拟合法等。其中扰动观察法与电导增量法转换效率高、实现方法简单、环境适应性强，且无需知道特性曲线参数，是目前的主流方案。2.3.1.1扰动观察法扰动观察法是指在每一个小的控制周期内，在当前太阳能电池输出电压的基础上施加一个小的扰动步长。扰动步长本身是一个正的常数，可以在原电压的基础上增加步长或减小步长。然后比较扰动前后输出功率的变化情况，可能存在的变化有两种。一种是扰动后的功率输出大于扰动前的功率输出，表明在该扰动方向下输出功率增大，则下一步扰动仍保持相同方向。比如上一次是增加一个固定步长导致输出功率增大，则下次扰动仍然增加该步长。另一种是扰动后的功率输出小于等于扰动前的功率输出，则下一步扰动变为相反方向。具体的流程如下图所示。图3扰动观察法流程图2.3.1.2电导增量法太阳能电池功率曲线为一个单峰值的连续曲线，各点导数均存在。在最大功率点导数dP/dV为零；在最大功率点左侧区域，该导数的值恒大于零；在最大功率点右侧区域，该导数的值恒小于零。因此只需要在导数大于零的位置增大输出电压，在导数小于零的位置减小输出电压，即可找到或接近最大功率点，此时导数等于零或接近于零。我们知道P=V×I将P对V取导，当dV≠0时dPdV=d(V×I)dV=I+V×dIdV即将dP/dV的判断转换为I+V×dIdV正负号的判断。1)I+V×dIdV=0，达到最大功率点，维持电压不变。2)I+V×dIdV0，在最大功率点左侧，增加光伏电池的输出电压3)I+V×dIdV0，在最大功率点右侧，减小光伏电池的输出电压而当dV=0时，则根据dI的变化来判断电压的变化方向，原理与上面相同，不再赘述。电导增量法的流程图详见下图。图4电导增量法流程图当然，随着计算速度与策略的逐渐进步，更多更好的MPPT控制算法也逐渐产生，这些算法大多以几种主流算法为基础，综合了各个算法的优点，并加以创新。，有的甚至同时对电压电流功率进行综合监控判断，形成了较为完善合理高效的混合MPPT控制策略。相信这一关键技术很快就可以得到很好的解决。2.3.2防孤岛技术美国Sandia国家实验室把孤岛效应定义为：当电力公司的供电因故障或维修而停电时，光伏并网发电系统未能将自身切离市电网路，结果和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛运行存在以下问题：①电力公司输电线路维修人员的触电危险；②影响配电系统上的传统继电保护性能；③孤岛运行供电电压与频率的不稳定，电能质量下降；④市电网络恢复时孤岛区域与市电网相位不同步造成联网困难；⑤孤岛区域如采用单相逆变器可能造成区域内三相负载的缺相问题。当光伏发电系统正常工作时，逆变器将发出的电能输送到电网。若电网因故障断电时，如果系统不能及时的检测到电网断电而继续向电网输送电能，则此时光伏系统够成了一个独立供电系统，称此现象为孤岛效应。形成孤岛的原因一般有两个：一是电网故障检测装置动作后，而光伏逆变器没有检测到故障；二是自然环境因素造成电网线路发生故障。孤岛现象会对整个电网设备和用户设备造成影响，甚至是损坏设备，主要有以下四种情况：1）发生孤岛时，电网无法对逆变器输出的电压、频率进行调节。一旦出现过压、欠压或者是过频、欠频时，易损坏用户设备；2）如果光伏发电系统并网同时接有负载，且负载容量大于光伏系统容量时，一但发生孤岛效应，就会发生光伏电源过载；3）对检修人员的人身安全造成危害；4）发生孤岛时，若二次合闸会导致再次跳闸，损害设备和逆变器。孤岛的检测方法一般分为被动检测和主动检测。其中被动检测法是通过不断检测电网状态(如电压，频率等)来判断是否出现孤岛，包括电压频率检测法、相位跳变检测法、电压谐波检测法等。被动检测不会对电网产生干扰，但是当电网负载与逆变器输出平衡时将无法检测到孤岛，存在检测盲区。主动法是光伏逆变器定时发出扰动信号，检测电网响应来判断孤岛，包括主动式阻抗测量法、有功功率变动、无功功率变动、频率偏移法等。电网正常运行时，由于电网制衡作用，主动扰动效果微弱不足以产生影响，但当孤岛产生时。主动产生的小扰动将会造成孤岛状态大的变化。主动式检测方法检测盲区较小，但是输出谐波较大，而且为了克服控制算法较复杂，实际应用比较困难。孤岛检测的技术难点，已有很多学者提出了更进一步的解决方案。比如一种方案是从多机并网运行的角度对孤岛检测方法进行了研究，对并网逆变器常用的移频与移相两类主动孤岛检测技术在多逆变器并联工作下的相互联系及内在影响进行了深入分析，同时给出这两类方法下的逆变器孤岛检测设计注意事项及孤岛算法参数选取方法。再如有一种新的被动式孤岛检测方法，该方法以并网公共连接点PCC处频率变化与负荷电压变化之比△f／△U作为检测指标，并把它与给定的门槛值相比较，判断并网系统是否发生孤岛现象。2.3.3其他关键技术当然，除了MPPT和防孤岛技术以外，光伏发电并网还有许多关键技术，比如说并网逆变器的PWM控制策略，装置的保护与绝缘策略等。PWM控制：目前应用于逆变器控制是SVPWM技术主要有两个：一是基于固定频率的SVPWM电流控制，该方法利用同步旋转坐标系中的电流调节器计算出电压指令，在通过电压空间矢量跟踪电压指令信号，从而实现SVPWM控制方法；二是利用基于滞环电流控制的SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使得电流偏差控制在滞环环宽以内，此方式的开关频率是变化的。保护策略：当光伏发电系统接入后会使得电网的结构以及电网中短路电流的大小、流向及分布发生变化，使得电网各种保护也将随之发生变化，如使继电器的保护区缩小。特别是当电网发生故障时，会引起电弧的重燃，使得重合闸不成功。而传统的配电网大多为放射型的，末端电源，不会产转移电流，因而控制开关动作的继电器无需具备方向敏感功能，如此当其他并联分支故障时，会引起安装有分散式发电分支上的继电器的误动，造成该无故障分支失去配电网主电源。因此，当电网发生故障时，光伏电站的保护装置能检测出电网故障，以免造成保护误动作。其余技术在此不一一详述。3结语综上所述，光伏发电并网的关键技术主要集中在光伏发电系统中并网逆变器的技术上，其中具体包括光伏电池的最大功率点跟踪（MPPT）控制，并网逆变器的防孤岛技术，脉宽调制PWM控制策略，整个系统的过流短路保护、绝缘策略等等。这些关键技术目前有的已经基本实现，有的还在研究过程中，相信不久的将来，它们就能逐渐为人所用，为太阳能发电带来更好地发展，为世界的可持续发展带来更大的希望。参考文献[1]张军军,商振,吴福保.太阳能光伏发电的并网技术.电力与能源,第32卷第4期,2011[2]赵光开.光伏