光伏并网发电的研究进展

余 涛,余 婕

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200030;2.上海电力公司市南供电公司,上海 201100)

太阳能的转换有光热转换、光电转换和光化学转换 3种方式.利用光伏效应制成的光伏电池可将光能直接转换为电能,即光伏发电.近年来,光伏发电及其并网技术得到了持续快速的发展,已成为太阳能利用的主要方式之一[1].因此,对光伏并网发电及其相关技术展开更为全面、深入的研究,具有重要意义[2-4].

本文主要介绍了光伏并网发电的关键技术,分析了光伏并网发电对电力系统各方面的影响,并探讨技术研究方向.

1 光伏并网发电系统结构

典型的光伏并网发电系统结构包括:光伏阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、直流汇流母线、DC/AC逆变器、控制器和检测系统等,如图 1所示.太阳能通过光伏阵列转化为直流电,通过 DC/DC变换器汇集至直流母线,再通过 DC/AC逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦交流电,直接供给交流负载或经变压器接入电网.

在实际应用中,不同的光伏并网发电系统的容量大小、并网方式均有不同,可按照不同的分类标准,对光伏并网发电系统进行分类[5-10].

根据系统的规模和集中程度,光伏并网发电系统可分为集中式并网发电系统和分布式并网发电系统.集中式并网发电系统应看成一个发电站,其峰值功率可以达到兆瓦级,输出电压等级也较高,可以直接连入中压或高压电网.分布式光伏并网发电系统可以视为动态负荷,其容量较小,一般在几千瓦左右,目前在美国、欧洲和日本得到广泛应用的户用光伏并网发电系统(太阳能屋顶系统)都可以归入此类.

根据并网逆变器的拓扑结构,光伏并网发电系统可分为 3种:单级式并网系统,由一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪,以及 DC/AC逆变;两级式并网系统,一般包括软开关 DC/DC变换环节和自换相或电网换相的 DC/AC逆变环节;多级式并网系统,含 3个或 3个以上功率变化环节,如含有高频变压器等.此外,光伏并网发电系统还可以按并网相数分为单相并网系统和三相并网系统等.

图1 典型光伏并网发电系统

2 光伏并网发电的关键技术

在光伏并网发电系统的构成和运行中,有一系列关键技术,光伏发电系统的运行特性与所接入的电力系统有直接影响[11-16].其中最主要的是最大功率跟踪技术、孤岛检测技术、控制技术,以及逆变器结构等.对这些技术的研究和掌握,是实现光伏发电系统并网的首要基础和前提[17-19].

2.1 最大功率跟踪技术

光伏阵列是整个光伏并网发电系统的第一个环节,其输出功率受太阳辐照度、环境温度等的影响,具有强烈的非线性特征.图 2和图 3分别为在不同辐照度和温度下某光伏组件的输出特性变化曲线.

图2 不同辐照度下光伏组件输出特性曲线

图3 不同温度下光伏组件输出特性曲线

从图 2和图 3可以看出,在一定的太阳辐照度和环境温度下,光伏阵列可以在不同的输出电压下工作,但是只有在某一输出电压值时,光伏阵列的输出功率才能达到最大值,这时光伏阵列的工作点可达到输出功率电压曲线的最高点,称之为最大功率点.为此,光伏阵列必须实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制,使阵列不断获得最大功率输出.

传统的最大功率点跟踪方法有:开路电压法、短路电流法、功率回授法、定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法等.其中定电压跟踪法、扰动观察法和电导增量法是目前应用最为广泛的最大功率点跟踪算法[19].

(1)定电压跟踪法 通过分析不同日照强度下太阳能光伏电池输出功率曲线可知,当日照强度较高时,最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧.因此,可以将光伏电池的最大功率输出点看作是针对某一恒定电压输出的,这就大大简化了系统 MPPT的控制设计,从而构成了 CVT式的MPPT控制.使用这种方法,人们只需从生产厂商获得最大输出电压值,并将输出电压钳位于最大输出电压值即可.此方法控制简单,容易实现,可靠性也较高,但控制精度较差(尤其是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区),忽略了温度对光伏电池开路电压的影响,缺乏准确性.

(2)扰动观察法 通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点.其原理是先扰动输出电压值,然后测其功率变化,将测得的功率与扰动之前的功率相比,若数值增加,则表示扰动方向正确,继续朝同一方向扰动;若数值减小,则往相反方向扰动.其结构简单,扰动参数少.但也存在需要改进之处:一是减少在最大功率点跟踪过程中的功率损失;二是提高跟踪精度及速度;三是防止误判.

(3)电导增量法 通过太阳电池阵列输出功率特性曲线可知,最大值点 Pmax处的斜率为零,所以有:

式(3)为要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,阵列可获得最大功率输出.若不相等,则要判断 dP/dV是大于零还是小于零.电导增量法的最大优点是当太阳电池上的照度产生变化时,其输出端电压能以平稳的方式追随其变化,其电压波动较扰动观察法小,不过其算法较为复杂,且在跟踪过程中需花费大量时间执行 A/D转换,这会给微处理器的控制造成相当大的困难.

较新的最大功率点跟踪方法有:三点重心比较法,最优梯度法,间歇扫描跟踪法,功率数学模型法,模糊逻辑法,神经网络预测法等[20].

由于每种 MPPT方法都有各自的优缺点,因此在实际选择时,除了需要考虑各种方法本身的特点外,还需要考虑控制方法实现的难易程度、经济成本、传感器类型、跟踪速度与精度、应用领域等多个因素.不同的 MPPT方法需要采集的信号不同,如电压、电流、辐照度和温度等.一般来说,测量电压比测量电流容易,且电压传感器比电流传感器便宜,如果 MPPT方法需要使用辐照度传感器,则会增加实现成本.因此,在考虑跟踪速度和精度时,应着重考虑光伏阵列应用领域的特定要求,例如太阳能汽车对跟踪速度有较高的要求,而卫星、空间站等则对跟踪的速度与精度都有很高的要求.目前,MPPT方法的发展还很不完善,其技术手段尚未完全成熟,以后还将往数学模型的优化、智能方法的应用,以及多种 MPPT方法集成的方向发展.

2.2 孤岛检测技术

孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时,光伏并网发电系统仍然向周围的负载供电,从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛[21-23].光伏并网发电系统处于孤岛运行状态时会产生严重的后果,如孤岛中的电压和频率无法控制,可能会对用户的设备造成损坏;孤岛中的线路仍然带电,可能会危及检修人员的人身安全等.因此,必须应用孤岛检测技术来防止孤岛现象的发生.

孤岛检测方法分为被动式和主动式两种类型.被动式方法是利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位,以及谐波的变化进行孤岛检测.主动式方法是通过控制逆变器,使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动.电网正常工作时,由于电网锁相环的平衡作用,检测不到这些扰动,一旦电网出现故障,逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围,便可触发孤岛效应检测电路.目前主动式检测方法主要有阻抗测量法、输出功率扰动法、主动频率偏移法和滑动频率移相法等[24].

事实上,对孤岛运行的概率进行研究表明,光伏系统进入孤岛运行的概率不高,这是因为用户负载和逆变器输出功率之间很难达到平衡,而且还需要恒定的辐照度以及在大范围内偏离 MPPT控制.实验结果表明,即使满足所有条件,孤岛运行发生的概率也仅为 20%.到目前为止,没有国际标准来规范这种特殊的独立运行模式,且不同国家标准的差别非常大.

2.3 并网逆变器控制技术

对电网的跟踪控制是整个系统控制的核心,直接关系到系统的输出电能质量和运行效率.由于光伏并网逆变器是基于 PWM逆变实现的,所以其控制属于逆变器 PWM电流控制[25,26].

较早出现的 PWM非线性控制方法有瞬时比较和三角波比较两种.目前,较好的闭环电流控制方法是基于载波周期的一些控制方法,如无差拍PWM技术.该技术通过在下一个控制周期内消除目标误差,来达到稳态无静差的效果.该方法计算量较大,但开关频率固定,动态响应快,有利于实现光伏并网的数字控制.

随着微处理器技术,尤其是数字信号处理器的发展,现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中[27-29],如人工神经网络、自适应、滑模变结构、模糊控制等,它们虽然在各自领域解决了某些控制问题,但同样具有相应的局限性.例如:人工神经网络控制的精度依赖于模型训练样本;自适应控制要求在线识别对象模型,算法复杂,计算量大;滑模变结构控制存在系统抖振问题;模糊控制依赖于隶属度函数的选取,控制精度有待提高等.

2.4 并网逆变器结构

光伏并网发电系统逆变器结构分为集中型、模块集成型、串级型和多串级型逆变器 4种类型[30].

(1)集中型逆变器 它的优势是拓扑简单,价格便宜,但由于含有直流电路,使得费用增加,可靠性降低.此外,集中型逆变器无法独立进行最大功率点跟踪,其阴影遮蔽等因素会造成整个系统输出显著下降,并使扩展等受到限制.

(2)模块集成型逆变器 它的优点是运行方式灵活,即插即用,每个模块可独立进行 MPPT,无直流线路;缺点是当逆变器发生故障时或有特殊的安全性需要时,替换非常困难,且价格昂贵.

(3)串级型逆变器 安装在一组光伏阵列模块后,分别对每组光伏阵列进行最大功率点跟踪,因此 MPPT跟踪精度高.

(4)多串级型逆变器 它将串级型产生的高能量与集中型逆变器成本低的优势相结合,并将DC/DC变换器与每组光伏阵列相连,分别进行MPPT后,通过直流母线汇流经集中型 DC/AC逆变器接至电网,该逆变器具有易于扩展的特点.

目前,出现了一些新型的逆变器拓扑结构和连接概念,如主从连接概念,队连接概念等.其研究不再局限于单个逆变器效率的提高,而是扩展到多个逆变器连接效率即整个系统效率的提高.

3 光伏并网对电力系统的影响

并网是光伏发电推广应用的主要形式,但由于光伏发电系统的间歇性、波动性和分布性,并网后会对现有的电力系统的电能质量、继电保护、调度运行等产生重大影响.

3.1 对电能质量的影响

光伏并网发电系统对配电网和高压输电网的电压质量及其控制均有一定的影响.由于该系统受日照影响较大,发电量时常变化,而配电网中除了通过投切电容电抗器调节电压外,一般很少再配备其他的动态无功调节设备,如果该类发电量所占比例较大,其易变性会使配电线路上的负荷潮流也极易波动且变化较大,从而加大了电网正常运行时的电压调整难度[31-34].

光伏并网发电系统产生谐波的原因主要有两个:一是光伏阵列产生的直流电经逆变后转换为交流电并入电网时,由于逆变器的作用会产生 10～25 kHz脉冲频率的高次谐波;二是当采取某些最大功率跟踪和主动式孤岛检测技术时,也会产生特殊的谐波.在电网内的光伏并网发电系统规模有限.滤波器设计良好的情况下,光伏并网发电系统产生的谐波对交流电网造成的污染一般较易控制.但随着光伏并网发电系统的逐步推广和发电容量占电网内总发电量比例的上升,系统内含有的多个谐波源会产生严重影响电能质量的谐波,还可能在系统内激发出高次谐波的功率谐振,并对交流电网造成严重的谐波污染.光伏并网发电系统的逆变器一般采用电压型逆变主电路.该主电路可以实现有源滤波和无功补偿控制,并已得到广泛应用.将光伏并网的发电控制与无功补偿、有源滤波控制相结合,可构成并网发电、无功补偿和有源滤波的一体化控制系统.在电网的边缘地区建立使用一体化控制技术的大型光伏并网发电系统,可以有效改善供电质量和供电能力.

3.2 对继电保护的影响

目前,我国的中低压配电网主要是不接地(或经消弧线圈接地)单侧电源和辐射型供电网络.高比例光伏并网发电的引入使得配电网从传统的单电源辐射状网络变成双端甚至多端网络,从而改变故障电流的大小、持续时间及方向.而配电网中的继电器大多不具备方向敏感性,这可能会导致断路器保护误动、拒动并失去选择性,进而导致熔断器动作也失去选择性.光伏并网发电自身的故障也会对系统的运行和保护产生影响.另外,当光伏并网发电系统抗孤岛保护功能不能与自动重合闸等装置协调配合时,就会引起非同期合闸.目前,从理论上对光伏并网发电提出了多种继电保护改进方案[35-39],但这些方案需要进一步验证,以保证其可靠性和有效性.

3.3 对调度运行的影响

光伏并网发电对调度运行的影响主要体现在以下 3个方面[40].一是断面交换功率控制难度加大.光伏并网发电系统受辐照度等气候条件影响较大,导致其向交流电网输送的功率处于不断变化中,如果某一输电断面的某侧电网内存在容量相对较大的光伏并网发电系统,会导致该输电断面的功率出现波动,这将不利于断面两侧系统间交换功率的平稳控制.二是使短期负荷预测更加困难.传统的电网发电计划,尤其是日发电计划,主要依赖于对负荷的准确预测.由于光伏并网发电系统的发电量受气候影响显著,使得整个电网的负荷总量更具时变性和随机性,从而给电网的发电计划,尤其是日发电计划的合理制定增加了难度.三是使原有的调度管理体制面临挑战.发电商会根据自身需求随意启动和停运光伏并网发电系统,加之该类系统受气候影响较大,可能使配电网侧的能量管理面临前所未有的挑战,从而加大了电力公司调度的难度.

如果未来有大规模大容量光伏并网发电系统直接接入高压网络,也同样会使高压电网原有的调度管理面临类似挑战.

4 结 论

(1)加大光伏系统本身的研发和应用,降低发电成本;

(2)改进光伏并网逆变器的结构,完善控制方法,加强谐波治理,优化电能质量,辅助提高系统稳定性;

(3)加强仿真分析,优化设计与控制运行,提高光伏并网发电系统的配置能效;

(4)使系统监控与调度智能化、决策多样化,并建立专家库,以配合继电保护与紧急控制,增强系统的稳定性;

(5)建立完善的光伏并网发电系统的市场体系,并制定相应的法律、法规和管理政策.

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