光伏發(fā)電利用技術(shù)研究

1、光伏發(fā)電利用技術(shù)研究【摘要】光伏發(fā)電在解決我國(guó)無(wú)電地區(qū)電力建設(shè)和電力規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電的市場(chǎng)中都將扮演重要的角色，應(yīng)當(dāng)予以高度重視。本文對(duì)當(dāng)前兩種光伏發(fā)電利用技術(shù)做了簡(jiǎn)要的探究。 【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏獨(dú)立光伏 中圖分類號(hào)：TM6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 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(dú)立兩種類型。本文分別對(duì)這兩種技術(shù)做了簡(jiǎn)要的研究。 一、我國(guó)光伏發(fā)電的發(fā)展 中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)始于20世紀(jì)70年代，2000年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)電池及組件產(chǎn)量及其裝機(jī)容量逐年穩(wěn)步增加。2011年，我國(guó)裝機(jī)容量達(dá)到2.4 GW，截至2011年底，光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)到3GW。 光伏

2、發(fā)電技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的近幾十年中，太陽(yáng)能發(fā)電走過(guò)了從空間應(yīng)用、地面小規(guī)模應(yīng)用到現(xiàn)在的地面較大規(guī)模利用時(shí)代，從20022011年，特別是2002年基本解決了全國(guó)近800個(gè)無(wú)電鄉(xiāng)的鄉(xiāng)政府用電問(wèn)題。規(guī)模如此之大，在國(guó)際上也是空前的。在接下來(lái)的23年內(nèi)，我國(guó)解決了 11592個(gè)自然村和16889個(gè)行政村的用電問(wèn)題。由于所有的這些村莊都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，十分分散，只能建造獨(dú)立的太陽(yáng)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(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到不斷的完善和發(fā)展，20052010年，我國(guó)的太陽(yáng)能電池主要用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在2010年以后，隨著太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電將會(huì)由獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shí)。2020年，我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列。 二、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 通常光伏并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。 圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用三相橋的電路結(jié)構(gòu)，逆變電壓通過(guò)電感與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的控制目標(biāo)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(diǎn)跟蹤（

4、MPPT） 光伏陣列的特性曲線如圖2a所示，陣列工作點(diǎn)不同決定了它的輸出功率也不同。光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的原理是：通過(guò)檢測(cè)光伏陣列在不同工作點(diǎn)下的輸出功率，經(jīng)過(guò)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(shí)對(duì)應(yīng)的工作電壓。具體實(shí)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(dòng)太陽(yáng)電池輸出電壓值(UPV+U)，再測(cè)量輸出功率的變化，與擾動(dòng)之前的功率值相比。若輸出功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可向同一方向以+U為步長(zhǎng)再擾動(dòng)；若擾動(dòng)后的功率值減小，則向反方向以-U為步長(zhǎng)再擾動(dòng)。此法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，通常被較普遍地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。通過(guò)不斷

5、擾動(dòng)使陣列輸出功率趨于最大，尋優(yōu)過(guò)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?fù)浜涂刂品绞?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(dá)到并聯(lián)運(yùn)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(dòng)峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不依賴負(fù)載參數(shù)和無(wú)條件穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 滯環(huán)控制原理是將給定電流與反饋電流的誤差與一個(gè)確定滯環(huán)閾值H做比較，以確定兩對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)邏輯，如圖3所示。在輸出電流正半周，當(dāng)誤差超過(guò)滯環(huán)的上閾值，開(kāi)關(guān)管S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，UAB=E，電

6、感電流減小；當(dāng)誤差低于滯環(huán)的下閾值，開(kāi)關(guān)管S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)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?cè)韴D （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(jìn)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(nèi)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(shí)際檢測(cè)到的電容電壓與給定的電容電壓相比較，差值經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器，得到電流環(huán)的給定并網(wǎng)電流的幅值，當(dāng)實(shí)際的電容電壓超過(guò)給定值時(shí)，給定并網(wǎng)電流的幅值會(huì)增大，電容電壓會(huì)下降；當(dāng)實(shí)際的電容電壓小于給定值時(shí)，給定并網(wǎng)電流的幅值會(huì)減

7、小，電容電壓則會(huì)增加，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)電容電壓穩(wěn)定。給定并網(wǎng)電流幅值與經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓的頻率和相角同步信號(hào)相結(jié)合，得到并網(wǎng)電流的給定信號(hào)，此給定電流再與實(shí)際檢測(cè)到的并網(wǎng)電流相比較，差值經(jīng)過(guò)滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，得到全橋逆變器的功率器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制功率器件開(kāi)通和關(guān)斷，使并網(wǎng)電流在指定的環(huán)寬以內(nèi)變化。 三、獨(dú)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(gè)端口。在獨(dú)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(fù)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(fù)載端口僅向外部輸出功率，儲(chǔ)能端口既能接受功率，又能輸出功率，

8、用來(lái)平衡系統(tǒng)功率，保證負(fù)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(fù)載端的功率關(guān)系。當(dāng)光伏陣列輸入功率為零時(shí)，蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電，變換器工作于單輸入單輸出模式；當(dāng)光伏陣列輸入功率小于負(fù)載功率時(shí)，不足的能量由蓄電池補(bǔ)充，變換器工作于雙輸入模式；當(dāng)光伏陣列輸入功率大于負(fù)載功率時(shí)，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?fù)?三端口變換器與傳統(tǒng)兩端口變換器的本質(zhì)區(qū)別在于其內(nèi)部包含多條功率流。其三個(gè)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(gòu)造出三端口變換器拓?fù)洌?1)三條功率流均獨(dú)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(jí)功率變換，以實(shí)現(xiàn)高的變換效率和功率密度。按照上述思路，本文構(gòu)造并提出了一系列三端口變換器拓?fù)?，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?fù)鋵?shí)例。 以圖4(a)所示非隔離變換器為例進(jìn)行分析：當(dāng)PV功率大于負(fù)載功率時(shí)，PV向負(fù)載供電的同時(shí)向蓄電池充電，調(diào)節(jié)S1的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸入源的最大功率跟蹤(MPPT)，調(diào)節(jié)S2的占空比可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的控制，此時(shí)S4一直關(guān)斷，S3作為S2的同步整流管與S1互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)PV功率小于負(fù)

10、載功率時(shí)，PV和蓄電池向負(fù)載供電，此時(shí)S2一直關(guān)斷，S4一直導(dǎo)通，調(diào)節(jié)S1實(shí)現(xiàn)PV的MPPT，調(diào)節(jié)S3實(shí)現(xiàn)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定；當(dāng)PV輸入功率為0時(shí)，S1和S2都一直關(guān)斷，S4一直導(dǎo)通，控制S3實(shí)現(xiàn)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定。 圖4 三端口變換器拓?fù)?三端口變換器的控制策略是決定整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵因素。獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)中，需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)PV的MPPT控制、蓄電池充放電(電壓/電流)控制和負(fù)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(diào)節(jié)器(IVR)、蓄電池電流調(diào)節(jié)器(BIR)、蓄電池電壓調(diào)節(jié)器(BVR)和輸出電壓調(diào)節(jié)器(OVR)等四個(gè)調(diào)節(jié)器及其自主競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的系統(tǒng)功率控制方法：OVR控制器的輸出用來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)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(jìng)爭(zhēng)得到最小值，用來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管S1的占空比，從而控制PV端電壓，實(shí)現(xiàn)PV輸入功率的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PV的MPPT控制及蓄電池充電控制。 結(jié)束語(yǔ) 采用模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效減小漏電流、提高變換效率。在光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中，采用三端口變換器能夠有效實(shí)現(xiàn)光伏電池、儲(chǔ)能蓄電池和負(fù)載三者的能量管理和