光伏发电系统

单相无变压器型光伏逆变系统论述——曹军泉0.1光伏发电能源，对当今社会的开展是一个及其敏感的话题，二十一世界能源的枯竭将成为人类开展的巨大障碍。而太阳能那么是可以解决问题的首选。无污染，无噪音，无运输，无本钱，取之不尽，用之不蝎，无休无止，无私奉献，任何人无法阻止，也任何人无法垄断，是真正平安、清洁、廉价、和平的可再生能源。目前全世界各国都在致力于这方面的研究开发。而太阳能光伏发电即是其中一种的重要利用方式，在世界不少国家都开展了此项技术的公关。目前已取得显著成绩。1.1光伏的各种方案逆变器的主电路结构有电压型和电流型，或单相和三相，或单级和多级，按照输出的绝缘形式，把光伏发电并网用逆变器的主电路分为工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式，无变压器无绝缘方式。工频变压器绝缘方式高频变压器绝缘方式无变压器无绝缘方式1.1.1工频变压器绝缘方式采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，分为电压型和电流型两种。工频变压器绝缘方式电路简单，变换只有一级，效率较高，制造本钱低。一般工频逆变不采用SPWM控制，输出是矩波形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形畸变<5％。由于电路中的半导体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。虽然主变压器和滤波电感体积大，但是，可采用低频材料制造，本钱并不高。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳光发电站。返回1.1.2高频变压器绝缘方式采用高频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，变换分为三级(DC-HFAC-DC-LFAC)第一级为SPWM高频逆变器，通过高频变压器后整流滤波成直流，再经工频逆交器，变为工频正弦波电压输出。高频变压器比工频变压器体积小，重量轻，本钱低。但是，经多级变换，效率问题比较突出，只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件，仍然可以使效率超过90％。由于有SPWM控制和周波数变换，输出波形畸变小，不需要强有力的滤波，不过高频电磁干扰问题严重，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。这种方式的逆变器主要用于并网型太阳光发电站。返回1.1.3无变压器无绝缘方式为了进一步降低本钱，提高效率，已开发出无变压器无绝缘方式逆变器主电路，主电路结构如下图。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配，把太阳电池的输出电压升高到370V左右，尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化，有了升压局部后，可以保证逆变局部输入电压比较稳定。同时提高了电压，减少了电流，可以降低逆变局部损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些，比高频变压器绝缘方式简单，仍然是两级变换(DC-DC-AC)、效率高。没有变压器，体积小、重量轻、本钱较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式。返回1.2光伏逆变系统光伏发电系统如以下图所示：1.2光伏逆变系统如上图所示，是非隔离型光伏发电结构图。返回1.2光伏逆变系统其中太阳电池主要由光伏组件组成，其应用可以分为单个组件、组件串联及组件并联。光伏阵列的分布方式会对功率产生重要影响。逆变器的结构也随功率等级的不同而发生变化，从几瓦到几兆瓦分为；集成式、串型、多重串、主从结构和集中式等五种。为了充分利用光伏逆变系统的电能，使用户可以稳定的利用电能，我们必须将太阳能发电系统并入电网。1.3光伏逆变系统中的并网逆变器1.3.1光伏系统对并网逆变器的要求求具有较高的效率。要求具有较高的可靠性。求直流输入电压有较宽的适应范围，并保证交流输出电压的稳定。能实现高的功率因数的正弦波形。逆变器的电磁干扰小，不能对用户产生电磁干扰。1.3.2光伏并网逆变器的作用在光伏并网发电系统中，逆变器起如下作用：实现高质量的电能转换。将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成220V、50Hz的单相、正弦波交流电；其电流和电压的畸变率均小。实现系统的平安保护要求。如输出过载保护、输出短路保护、输入接反保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、“孤岛〞保护及装置。最大功率点的跟踪。1.3.3逆变器的控制策略 逆变器是整个光伏发电系统中最核心的局部，正确适宜的逆变器的控制策略可以保证逆变器输出的电能质量。以小型单相并网逆变系统为例，其系统的框图如右：单相光伏并网系统并网框图1.3.3逆变器的控制策略 并网逆变器按控制方式分类，可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法。 以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一个大电感提供较稳定的直流输入，这会导致系统动态响应差，因此并网逆变器主要采用电压源输入。 采用输出电压控制需要采用锁相环控制，这将导致响应缓慢、控制不精确或者出现环流。 如果输出采用电流控制，那么只需控制其输出电流以跟踪市电电压，即可到达并联运行的目的。 因此采用电压源输入、电流源输出的控制方式较为普遍。控制变量有两个：一是逆变器的输出电压，即中间电压；二是逆变器的输出电流。1.4太阳能电池最大功率点跟踪 由于光伏阵列输出特性是非线性的，因此所有的光伏发电系统都希望光伏阵列在同样日照、温度的情况下输出尽可能多的电能，这就在理论和实际上都需要解决的太阳能阵列最大功率点跟踪(MPPT-MaximumPowerPointTracking)的问题。 日照强度和温度对太阳能电池阵列的开路电压和短路电流有很大的影响，光伏并网系统工作也由此变得不确定。这必然会降低系统效率。因此为了不断获得最大功率输出，太阳能电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制。1.4太阳能电池最大功率点跟踪

由右图太阳能电池阵列的输出特性P-V曲线，可知当阵列工作电压小于最大功率点电压Vm时，阵列输出功率随太阳电池端电压Vpv上升而增加；当阵列工作电压大于最大功率点电压Vm时，阵列输出功率随Vpv上升而减少。因此最大功率点跟踪(MPPT)的实现实质是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压Vpv，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能的输出最大功率。太阳能电池的输出特性1.4.1MPPT的开展固定电压法扰动观察法导纳微分法为了得到更加稳定、精确、可靠的控制方法，我们进行了各种方法的探索，从自动化程度非常低的固定电压法，到可以在光照强度变化不大的情况下使用较完善的扰动观察发，到现在可以跟踪光照强度变化的导纳微分法。最大功率跟踪算法正在一步步地完善。固定电压法 在日照强度较高时，各曲线的最大功率点所对应的太阳能电池工作点电压变化不大。这说明阵列的最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即仅需从生产厂商处获得V数据并使阵列的输出电压钳位于v值即可。这样实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了固定电压的MPPT控制方式。 但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列最大功率点电压的影响。为克服使用场所冬夏早晚、阴睛雨雾等环境变化给系统带来的影响，在固定电压控制的根底上可以采用以下几种折衷的解决方法：手动调节方式微处理器查询数据表格方式返回扰动观察法 扰动观察法的主要思想是通过周期性的给太阳能电池的输出电压Vpv加扰动a(k)，比较其输出功率Pin(k)与前一周期的输出功率Pin(k-1)的大小，如果功率增加那么在下一个周期以同样方向加扰动，否那么a(t)改变扰动的方向。其具体的控制算法如右图：返回导纳微分法 导纳微分法根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压，从而防止了这种现象的出现。从图中可以看出，dP/dV的值是与输出电压值一一对应的。当dP/dV=0，在最大功率点处；当dP/dV>0，在最大功率点左边；当dP/dV<0，在最大功率点右边。太阳能电池P-V和dP/dV-V关系图返回1.4.2MPPT的方法比较固定电压法易实现、可靠性好、稳定性高；精度差、人为干预扰动观察法算法简单、易实现、精度较高；响应慢、受日照影响大导纳微分法精度高、响应快、可靠性好、自适应力强；算法较复杂1.5并网孤岛效应现象及预防 所谓孤岛效应就是指，当电网由于电气故障、误操作或者其他的因素中断供电时，像光伏并网逆变器等分散的独立供电装置未能及时检测出停电状态且迅速将自身切离电网，而仍向电网输送电能，因此形成一个由光伏并网发电系统向周围负载供电，但电力系统无法掌握的自给供电现象，这样就会引起孤岛效应。1.5.1孤岛效应的定义和危害孤岛现象发生后，电压波动、频率波动、谐波可能会同时出现，或都不出现。孤岛产生后将产生以下一些问题：①如果是非三相运行、有较大的谐波含量以及频率不稳时，都将使孤岛现象扩大。②孤岛的电压相量会相对于主网产生漂移，当电网快速恢复时，这可能会干扰重合闸。③如在重合闸前还未消除孤岛现象，将会导致不同步并网。在孤岛电压与电网电压相量不相同时并网，那么在接口处会产生很大的电流，导致损坏逆变器。④对在孤岛电网中进行检修工作的人员形成平安危害。⑤可能出现由单相并网系统供电给三相负载的情况，会造成三相负载的缺相运行，造成危害。1.5.1孤岛效应的定义和危害1.5.2孤岛效应检测方法孤岛效应检测技术在并网逆变器侧主要可分为主动式检测、被动式检测和电网侧检测。被动检测：过／欠压〔频〕检测、相位跳变检测、电压谐波检测主动检测：输出功率扰动法、频移法、主动频率漂移检测法(AFD)、频率跳变检测法等*电网侧反孤岛检测：阻抗插入检测法、远程通讯监控手段目前，根本采用主动和被动检测相结合的方法来检测孤岛效应，例如相位跳