光伏并网发电.docx

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光伏并网发电

光伏并网发电系统

1光伏并网发电系统的简单介绍

根据光伏系统与电网的关系，一般分为并网系统和离网系统。

而在并网系统中，根据有无逆流分为有逆流系统、无逆流系统。

所谓逆流，即用户处采用太阳能电池和电网并行供电，太阳能电池供电有剩余时，将剩余电能送入电网，电能输送方向恰与电网供电方向相反，故称为逆流。

这种系统一般为发电能力大于负载或发电时间同负荷不匹配。

无逆流系统，则是光伏系统发电量始终小于负荷的用电量。

根据光伏系统是否配置蓄电池，分为可调度系统、不可调度系统。

可调度系统主动性较强，当出现电网限电、掉电、停电时仍可正常供电。

虽然光伏系统有并网、离网之分，并网系统又有逆流、无逆流，可调度、不可调度之分，但其基本组件一般都包括以下几个部分：

太阳能电池方阵、储能装置、电子电力变换系统、控制器。

对于并网系统，由于与电网相连，因此一般不需要储能装置，只有对特殊要求的负荷,如需要有UPS（UninterruptiblePowerSupply）功能，才配有储能装置。

显然，与离网相比，并网发电节省了储能装置的成本，也省去了电池容量的设计。

2光伏并网发电系统分类

有逆流和无逆流

图1为逆流系统，这种系统最大特点就是太阳能方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。

在夜晚或阴雨，太阳能电池不能满足负载需要时，直接由电网供电。

可见，有逆流系统免除了配置蓄电池，省掉了蓄能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵

图1有逆流系统

所发的电力，降低了成本。

但是该系统中需要专用的并网双向逆变器，以保证满足该系统各项要求。

无逆流系统，则是指光伏系统的发电量始终小于或等于负荷的用电量，不够的电量由电网提供，在该系统中使用的并网逆变器为单向。

可调度式和不可调度式

根据并网光伏系统中是否配置蓄电池，又有可调度和不可调度系统之分，分别如图2、图3所示。

图2可调度式系统

图3不可调度式系统

可调度系统中配有容量较小的储能装置，一般采用自给天数为1~2天的蓄电池，市电与太阳能电源并行工作：

太阳能电池产生的电力有剩余则反馈给电网；太阳能电池电力不足，则启用市电给负载供电，市电还保证蓄电池长期处于浮充状态；如果市电发生故障，且太阳能电池无法工作，则转成独立模式，由蓄电池给负载供电，一旦市电恢复正常再转成联网模式。

可调度系统一般运用要求不间断的场合，而并网发电采用不可调度式系统即可。

3并网光伏系统各部件

太阳能电池方阵，由太阳能电池组件按照系统需求串、并联而成，在太阳照射下将太阳能转换成电能输出，它是并网光伏系统的能量之源。

储能装置，一般采用铅蓄电池，与离网系统相比，并网对铅蓄电池的容量要求较低，一般只要1~2天即可，并且并非所有并网系统都需要蓄电池，如纯并网发电系统就无需蓄电池，因此，蓄电池在并网系统中并没有在离网系统中那么重要。

控制器，控制系统各部件按着要求运行，尽可能多的输出符合电网要求的电能。

逆变器，是整个并网系统中最为重要的一个部件，与离网不同，它不仅可将直流电转换成交流电，还可对转换的交流电的频率、电压、相位、电能品质等进行控制，具体将在下一节中详细介绍。

4并网逆变器

并网逆变器功能

逆变器是联网光伏系统的核心部件和技术关键。

世界各大光伏系统公司都各有所长地推出了各种主电路拓朴结构及不同控制方式、不同功率等级的产品，它们可以是阶梯波形输出或全正弦波形输出，性能及效率指标相差悬殊。

据德国汉诺威太阳能研究所报道，同样阵列容量在同样气象条件下，由于采用了不同构造的逆变器，每年送向电网的发电量竟可相差一倍之多。

并网逆变器一般具有如下功能：

1、自动开关。

根据从日出到日落的日照条件，尽量发挥太阳能电池方阵输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。

2、最大功率点跟踪控制（MPPT）。

对随着太阳能电池方阵表面温度变化和太阳能辐射照度变化而产生出的输出电压与电流进行跟踪控制，使方阵经常保持最大输出的状态，以获得最大的功率输出。

3、防止“孤岛效应”。

系统所在地的公共电网发生停电，当负荷电力与逆变器输出电力相同时，逆变器的输出电压不会发生改变，难以察觉停电，因而有通过系统向所在地继续供电，这种情况叫“孤岛效应”。

在这种情况下，本应停了电的配电线中又有了电，这对于安检人员是危险的，除此外还有很多其它危害，因此应设置防止“孤岛效应”的功能。

4、自动电压调整。

在剩余电力逆流入电网时，因电力逆向输送而导致送电点电压上升，有可能超过商用电网的运行范围，为保持系统电压正常，运转过程中要能够自动防止电压上升。

最大功率点跟踪控制

太阳能电池板的输出具有非线性特性，而且输出受光照强度、温度和负载特性影响，实时调节太阳能电池板输出电压，使之工作在最大功率点电压处以使太阳能电池板输出功率达到最大值，这个过程即最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTrackingMPPT）。

由于光伏电源装置原始投入高，并且光伏电池转换效率较低，所以需要使装置的效率最大，而使光伏电池工作于最大功率点上是一个提高效率的主要途径，因此进行最大功率跟踪控制是光伏发电系统所必需采取的措施。

最大功率跟踪控制具体到P-V特性曲线（如图4）上，就是使光伏电池端电压始终处于Pm对应的电压附近。

下面介绍几种常用的最大功率跟踪算法：

1、恒电压控制法（CVT）

通过图4可知，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一恒定的电压值Vm附近，这样可以采用CVT法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点始终稳定在VM附近。

这样不但简化了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率点。

但一般硅型光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响，在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下，如果仍然采用恒定电压控制策略，阵列的输出功率将会偏离最大功率点，产生较大的功率损失。

特别是在有些情况下，光伏阵列的结温升高的比较明显，导致阵列的伏安曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统将会产生振荡。

对于那些一年四季或者每天早晨温差比较

图4光伏电池I-V曲线和P-V曲线

大的地区，温度对整个光伏阵列输出将会产生比较大的影响，如果采用CVT控制策略就只能通过降低系统得效率来保证其稳定性。

2、扰动观察法

扰动观察法（（perturb&observealgorithms-P&O）。

是目前实现MPPT常用的方法之一。

其原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏电池端电压，并观测其后的功率变化方向，来决定下一步的控制信号。

算法可以简述如下:

光伏控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列输出，改变步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”;然后通过比较扰动周期前后光伏阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续扰动，相反，如果输出功率减小，则改变“扰动”方向。

此法的最大优点在于其结构简单，被测参数少。

其缺点是由于始终有“扰动”的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失，并且跟踪速度较慢;而光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。

扰动观察法的流程图如图5所示。

3、电导增量法

电导增量法（IncrementalconductanceAlgorithm）也是MPPT控制常用的算法。

通过光伏电池阵列P-V曲线可知其在最大功率点Pm处的斜率为零，即下式成立：

P=V*I

dP/dV=I+V*dI/dV=0

dI/dV=-I/V

从图6中可以看出，dP/dV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。

图5扰动观察法流程图

图6光伏电池P-V和dP-dV关系图

电导增量法通过设定一些很小的变化阐值，判断目前工作点在最大功率点的哪一侧，然后改变逆变器输出功率，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点，而不是来回的跳动。

当从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，不会出现误判断的过程。

此跟踪法最大的优点，是当光伏电池上的光照强度产生变化时，输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电压波动较扰动观察法小。

缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。

而且实际的太阳能光伏阵列可能存在局部的功率最大点，这种算法可能导致系统稳定在局部最优点上。

除上述介绍的几种方法外，还有滞环比较法，模糊逻辑控制法，改进扰动控制法等，各种方案各有千秋，需要根据实际情况选择最合适的方案。

孤岛效应及其检测

孤岛效应，最初由美国Sandia国家实验室（5andiaNationalLaboratories）的报告指出：

当电力公司的供电，因故障事故或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能即时检测出停电状态而将自身切离市电网路，而形成由太阳能并网发电系统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。

事实上，不只太阳能发电系统会有这个问题的存在，只要是分散式的发电系统，例如:

风力发电、燃料电池发电等，或是一般并联在市电的发电设备都会有此问题产生。

一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括：

.

1、危害电力公司输电线路维修人员的安全:

2、影响配电系统上的保护开关动作程序;

3、电力孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定现象:

4、当电力公司供电恢复时所造成的相位不同步问题:

5、太阳能供电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题。

所以当越来越多的光伏并网发电系统并联于交流电网时，发生孤岛效应的机率也就越高，虽然通常在配电开关跳脱时，如果太阳能供电系统的供电量和电网负载需求量之间的差异根大，市电网路上的电压及频率将会发生很大的变动，此时可以利用系统软硬件所规定的电网电压的过（欠）电压保护设置点及过（欠）频率保护设置点来检测电网断电，从而防止孤岛效应。

可是当太阳能供电系统的供电量与网路负载需求量平衡或差异很小时，则当配电开关跳脱后，并网系统附近市电网路上的电压及频率的变动量将不足以被保护电路所检测到，还是会有孤岛效应的产生。

虽然出现这种情况的概率并不高，但在光伏并网系统大规模应用的情必须寻求适当的解决之道来应对日趋严重的孤岛效应问题。

防止孤岛效应（anti-islanding）的基本点和关键点是电网断电的检测。

检测方法一般分为被动检测法和主动检测法。

被动检测法：

是根据发生孤岛效应前后的电力参数不同来进行判断，包括电压谐波检测法、急剧相位偏移检测法。

主动式检测法是指并网逆变器主动、定时地对电网施加一些干扰信号，根据电网电压是否受其影响来判断孤岛效应的方法。

包括输出电能变动方式、加入电感或电容器、主动频率偏移。

5结语

太阳能并网系统与离网系统相比，对储能装置要求较低，而且大部分并网系统并不需要储能装置，因此在这一点上降低了成本，且避免了充放电的损失。

但对逆变器要求较高，尤其是国际趋势是将逆变器与控制器集成设计，更加提高了并网逆变器的技术含量，也越发突出了其在并网系统中的核心地位。

此外，与市网并行运行为交流负载提供电能也提高了整个系统的可靠性。

参考文献

[1]王长贵等.太阳能利用技术.化学工业出版社.2005

[2]沈辉等.太阳能光伏发电技术.化学工业出版社.2005

[3]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥:

合肥工业大学，2003.

[4]张化得.太阳能光伏发电系统的研究[M].山东大学.2007