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光伏并网逆变器工作原理-结构配置组成及发电控制方式解析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-06-01 

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光伏并网逆变器

随着绿色能源可再生能源的大规模开发和利用,太阳能凭借其独特的优点得到了更多的关注。太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一。其中太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注,而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势,必将得到快速的发展。本论文就是在此背景下,对太阳能并网发电系统中最大功率跟踪控制技术、并网控制策略、孤岛效应检测方法等进行了研究,具有重要的现实意义。太阳能光伏并网发电系统的两个核心部分是太阳能电池板的最大功率点跟踪(MPPT)控制和光伏并网逆变控制。本文重点对光伏发电的逆变器最大功率点跟踪技术、孤岛检测技术以及光伏电站并网控制技术进行了讨论,并且预测了光伏发电技术的发展趋势。


1.光伏并网发电系统的基本介绍

1.1光伏并网发电系统的基本原理

光伏并网逆变器系统是将太阳能光伏阵列发出的直流电转化为与公共电网电压同频同相的交流电,因此该系统是既能满足本地负载用电又能向公共电网送电。一般情况下,公共电网系统可看作是容量为无穷大的交流电压源。当太阳能光伏发电并网系统中太阳能光伏阵列的发电量小于本地负载用电量时,本地负载电力不足部分由公共电网输送供给;当光伏电池阵列的发电量大于本地负载用电量时,太阳能光伏系统将多余的电能输送给公共电网,实现并网发电


1.2光伏并网发电系统的组成

太阳能光伏发电并网系统组成如图所示,该系统一般由太阳能电池光伏阵列、MPPT控制、DC/DC变换器、驱动电路以及控制器组成,其中变换器可将太阳能光伏阵列发出的直流电逆变成正弦交流电并入公共电网。控制器主要控制逆变器并网电流的波形、功率以及光伏电池最大功率点的跟踪,以便向电网传送的功率与太阳能光伏电池阵列所发的最大功率电能相匹配。

光伏并网逆变器

1.3光伏并网发电系统的控制方式

如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则相当于是电压源与电压源并联运行;如果光伏并网逆变器的输出采用电流控制,就相当于电流源与电压源并联运行。逆变器采用电流控制时,只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电压,控制输出电流与电网电压同频同相,这样系统的功率因数为1。目前,光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。

太阳能光伏发电并网系统的逆变器通常采用电流控制模式,这样整个系统系统实际上就是一个电压源和电流源并联的系统。逆变器并网运行的主要控制目标是要保证逆变器输出电流与公共电网电压同频同相,并且还能实时跟踪电网电压实现最大功率跟踪控制。通过采用锁相控制技术实现太阳能光伏发电并网系统输出的并网电流与公共电网电压相位同步,保证系统输出的功率因数为1。光伏并网逆变器运行时还要控制并网电流的总畸变失真要低,以减小对电网的谐波影响,使并网系统的有功功率输出达到最大。


1.4光伏并网发电系统的分类

光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类:一种为不含蓄电池环节的不可调度式光伏并网发电系统;另一种为含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统。系统结构图如1.1所示

可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节,系统首先对蓄电池进行充电,然后根据需要将系统用作并网或者经逆变后独立使用,系统工作时间和并网功率大小可以人为设定。可调度式并网系统虽然在表面上看来比不可调度式系统功能齐全,但由于增加了储能环节,带来了很多严重的问题,这是因为:

(1)由于采用蓄电池作为储能设备,系统必须增加蓄电池的充电装置,这就增加了成本并且降低了系统的可靠性。

(2)蓄电池组的寿命较短。目前免维修蓄电池在良好环境下的工作寿命通常为5年,而光伏阵列稳定工作的寿命则在25~30年之问,这样就需要定期更换蓄电池组,又增加了许多系统的投入。

(3)蓄电池组较为笨重,需要占用较大空间,同时要防止泄露出腐蚀性液体,另外报废的蓄电池组要专门处理,否则会造成污染。

基于上述原因,目前的光伏并网系统主要以不可调度式系统为主。不可调度式光伏并网发电系统的集成度高,其安装和调试相对方便,可靠性也高。

光伏并网逆变器

2.并网发电系统

根据其所产生的电能能否返送到电力系统,可以分为逆流型,无逆流型,切换型,直、交流型,混合型和地域型等。


(1)直、交流型并网发电系统,该系统就是将光伏并网逆变器发电系统所产生的直流电直接供用电设备使用。该系统有时与电力系统并用,主要目的是为了提高供电的可靠性。

(2)混合并网发电系统当太阳能光伏发电所提供的电力不足(如遇到连续阴雨天气、冬季日照时间过短等),需要使用其他能源来补充时,可以将风力发电、燃料电池发电等其他发电系统与光伏发电系统并用,这样的系统叫做混合并网发电系统,如太阳能光伏、燃料电池并网发电系统和风、光互补型并网发电系统:①太阳能光伏、燃料电池并网发电系统,为综合利用能源,提高能源的综合利用率,节约电费,减少环境污染,有时将燃料电池与太阳能光伏发电系统并网在一起,构成太阳能光伏、燃料电池并网系统;②风、光互补型并网发电系统,当利用光伏发电提供的电力不足时,可以利用风力发电;当风力发电不足时,可以利用光伏发电,这样的系统称为风、光互补式并网发电系统。

风光互补系统同时利用太阳能和风能发电,因此对气象资源的利用更加充分。可实现昼夜发电。在适宜气象条件下,风光互补系统可提高系统供电的连续性和稳定性。由于通常夜晚无阳光时恰好风力较大,所以互补性好,可以减少系统的太阳能板配置,从而大大降低系统造价,单位容量的系统初投资和发电成本均低于独立的光伏系统。该系统发电有余时可向电网系统供电(卖电);当该系统所发出的电能不足时,可以由电网系统供电(买电)。

(3)逆流型太阳能并网发电系统,当太阳能光伏系统发出的电能充裕时,可将剩余电能向电网系统供电;当太阳能光伏系统提供的电力不足时,可利用外接电力系统供电。这种系统称为逆流式并网发电系统。

(4)无逆流型并网发电系统光伏并网逆变器发电系统,即使发电充裕也不向电力系统供电,但当太阳能光伏发电系统供电不足时,可以利用外接电力系统供电。这种系统称为无逆流式并网发电系统。

(5)切换型并网发电系统,该系统可分为以下两种:①切换型并网发电系统当多云、阴雨、日光不足、晚间或蓄电池容量不足时,切换器能自动地换向电力系统一侧,由电网直接向负载供电。设计时,若采用大容量的蓄电池,投资费用增大;采用切换器可使用小容量的蓄电池,则成本可以明显降低。②自运行切换型并网系统当电力系统因多种原因突然停电时,光伏系统可以通过保护装置自动使电力系统与光伏系统分离。


3.光伏并网系统的核心技术

为了最大限度的利用好太阳能资源,现阶段太阳能光伏并网技术的研究方向为最大功率点跟踪技术,并网逆变器控制技术,孤岛检测技术。

3.1最大功率点跟踪技术(MPPT)

最大功率点跟踪技术是通过调整光伏阵列端电压,使光伏阵列在不同的光照和温度下实现最大功率输出,目前常用的MPPT方法主要有恒电压跟踪方法,干扰观测法和电导增量法

3.1.1恒电压跟踪方法

虽然光伏阵列的最大功率点功率随着光照强度的增强而增大.但最大功率点电压基本变化不大。因此,只要通过光伏阵列生产商提供的光伏阵列的特性数据或者通过实际测量就可以得到近似最大功率点电压U..系统只需将光伏阵列的输出电压固定在U.上.就可以使光伏阵列以近似最大功率输出。这样就将最大功率点跟踪控制简化成稳压控制,光伏阵列的工作点比较稳定,实现方法简单,系统稳定可靠。

但是.这种方法忽略了温度对光伏阵列工作特性的形响。当温度上升时,光伏阵列的最大功率点电压下降,并且变化较大。如果仍然采用固定电压法控制.光伏阵列的输出功率将损失较大.无法充分发挥作用,效率下降.因此,在冬夏、早晚等温度变化较大时.采用固定电压控制并不合适,此时,可以通过以下方法根据实际情况改变Um:

1)根据冬夏、早晚的实际情况,手工调整Um.由于需要人工维护,费时费力,因此较少采用。

2)将光伏阵列在不同温度下对应的Um.存储在系统的存储器内。根据温度传感器测量得到的温度相应的将光伏阵列输出电压固定在此温度下对应的Um。

3)根据光伏阵列的最大功率点电压与开路电压之间存在近似的比例关系这一特性改变Um。

根据以上分析,可知因定电压法的特点如下:

1)原理简单,控制方法容易实现.只需耍将光伏阵列输出电压固定在近似最大功率点电压Um处即可。

2)由于光伏阵列输出电压固定在某一特定值,因此系统比较稳定.不易出现振荡.

3)在外部环境发生变化的情况下控制精度较低.因此适用子外部环境(光照强度、温度等)变化不大的场合,如太空。


3.2并网逆变器控制技术

光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电,从而向电网供电的装置,它实际上是一个有源逆变系统。光伏并网逆变器控制目标是:控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波,且与电网电压同频、同相。光伏并网系统逆变器按控制方式分类,可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方式。电压源型逆变器是采用电容作为储能元件,在直流输入侧并联大电容用作无功功率缓冲环节,构成逆变器低阻抗的电源内阻特性,即电压源特性。以电流源为输入方式的逆变器,其直流侧需串联一个大电感作为无功元件储存无功功率,构成逆变器高阻抗的电流源特性,提供稳定的直流电流输入,但是串入大电感往往会导致系统动态响应差,因此,目前世界范围内大部分光伏并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。

并网逆变器中逆变部分控制的关键量是矢量图中的电流,可以通过对输出电压的控制完成对I的控制或者直接对I进行控制,完成对交流侧电流、功率因数的控制。因此,根据电流控制方法的不同,可以将电流控制方式分为以下两种控制模式:

1)间接电流控制

它是根据稳态电流向量的给定、PWM基波电压向量的幅值和相位,分别进行闭环控制,进而通过电压控制实现对并网电流的控制。该控制策略虽然简单且不需检测并网电流,但动态响应慢,存在瞬时直流电流偏移,尤其是瞬态过冲电流几乎是稳态值的两倍;从稳态向量关系进行电流控制,其前提条件是电网电压不发生畸变,而实际上由于电网内阻抗、负载的变化以及各种非线性负载扰动等情况的存在,尤其是在瞬态过程中电网电压的波形会发生畸变。电网电压波形的畸变会直接影响着系统控制的效果,因此间接电流控制方法控制电路复杂、信号运算过程中要用到电路参数、对系统参数有一定的依赖性、系统的动态响应速度也比较慢。

2)直接电流控制

通过运算求出交流电流,再引入交流电流反馈,通过对交流电流的直接控制,使其跟踪指令电流值。对于光伏并网逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形,通常用电网电压信号乘以电流有功给定,产生正弦参考电流波形,然后使其输出电流跟踪这一指令电流。具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应速度快等优点。


3.3选型技巧

光伏并网逆变器的选用,首先要考虑具有足够的额定容量,以满足最大负荷下设备对电功率的要求。对于以单一设备为负载的逆变器,其额定容量的选取较为简单。

当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于0.9时,选取逆变器的额定容量为用电设备容量的1.1~1.15倍即可。同时逆变器还应具有抗容性和感性负载冲击的能力。


对一般电感性负载,如电机、冰箱、空调、洗衣机、大功率水泵等,在起动时,其瞬时功率可能是其额定功率的5~6倍,此时,逆变器将承受很大的瞬时浪涌。针对此类系统,逆变器的额定容量应留有充分的余量,以保证负载能可靠起动,高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全,有时需采用软起动或限流起动的方式。


4.光伏电站的组成

光伏并网逆变器光伏发电系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜,太阳跟踪控制系统等设备组成。其部分设备的作用是:

4.1电池方阵

在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生“光生电压”,这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非单晶硅太阳能电池三种。

4.2蓄电池组

其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。

4.3控制器

是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

4.4逆变器

是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。光伏并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。

4.5跟踪系统

由于相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统,一年春夏秋冬四季、每天日升日落,太阳的光照角度时时刻刻都在变化,如果太阳能电池板能够时刻正对太阳,发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度,将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中,也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论,需要地球经纬度地区的的数据和设定,一旦安装,就不便移动或装拆,每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数;原理、电路、技术、设备复杂,非专业人士不能够随便操作。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车,以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上,不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯,智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳。


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