光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究進(jìn)展

余 濤,余 婕

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200030;2.上海電力公司市南供電公司,上海 201100)

太陽能的轉(zhuǎn)換有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換 3種方式.利用光伏效應(yīng)制成的光伏電池可將光能直接轉(zhuǎn)換為電能,即光伏發(fā)電.近年來,光伏發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)得到了持續(xù)快速的發(fā)展,已成為太陽能利用的主要方式之一[1].因此,對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)展開更為全面、深入的研究,具有重要意義[2-4].

本文主要介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù),分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)各方面的影響,并探討技術(shù)研究方向.

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括:光伏陣列、DC/DC變換器、蓄電池組、直流匯流母線、DC/AC逆變器、控制器和檢測(cè)系統(tǒng)等,如圖 1所示.太陽能通過光伏陣列轉(zhuǎn)化為直流電,通過 DC/DC變換器匯集至直流母線,再通過 DC/AC逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦交流電,直接供給交流負(fù)載或經(jīng)變壓器接入電網(wǎng).

在實(shí)際應(yīng)用中,不同的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的容量大小、并網(wǎng)方式均有不同,可按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分類[5-10].

根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和集中程度,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng).集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)看成一個(gè)發(fā)電站,其峰值功率可以達(dá)到兆瓦級(jí),輸出電壓等級(jí)也較高,可以直接連入中壓或高壓電網(wǎng).分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以視為動(dòng)態(tài)負(fù)荷,其容量較小,一般在幾千瓦左右,目前在美國、歐洲和日本得到廣泛應(yīng)用的戶用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(太陽能屋頂系統(tǒng))都可以歸入此類.

根據(jù)并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為 3種:單級(jí)式并網(wǎng)系統(tǒng),由一個(gè)功率變換環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)升壓、最大功率點(diǎn)跟蹤,以及 DC/AC逆變;兩級(jí)式并網(wǎng)系統(tǒng),一般包括軟開關(guān) DC/DC變換環(huán)節(jié)和自換相或電網(wǎng)換相的 DC/AC逆變環(huán)節(jié);多級(jí)式并網(wǎng)系統(tǒng),含 3個(gè)或 3個(gè)以上功率變化環(huán)節(jié),如含有高頻變壓器等.此外,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還可以按并網(wǎng)相數(shù)分為單相并網(wǎng)系統(tǒng)和三相并網(wǎng)系統(tǒng)等.

圖1 典型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行中,有一系列關(guān)鍵技術(shù),光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性與所接入的電力系統(tǒng)有直接影響[11-16].其中最主要的是最大功率跟蹤技術(shù)、孤島檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù),以及逆變器結(jié)構(gòu)等.對(duì)這些技術(shù)的研究和掌握,是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的首要基礎(chǔ)和前提[17-19].

2.1 最大功率跟蹤技術(shù)

光伏陣列是整個(gè)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的第一個(gè)環(huán)節(jié),其輸出功率受太陽輻照度、環(huán)境溫度等的影響,具有強(qiáng)烈的非線性特征.圖 2和圖 3分別為在不同輻照度和溫度下某光伏組件的輸出特性變化曲線.

圖2 不同輻照度下光伏組件輸出特性曲線

圖3 不同溫度下光伏組件輸出特性曲線

從圖 2和圖 3可以看出,在一定的太陽輻照度和環(huán)境溫度下,光伏陣列可以在不同的輸出電壓下工作,但是只有在某一輸出電壓值時(shí),光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值,這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)可達(dá)到輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn),稱之為最大功率點(diǎn).為此,光伏陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制,使陣列不斷獲得最大功率輸出.

傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有:開路電壓法、短路電流法、功率回授法、定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法等.其中定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法是目前應(yīng)用最為廣泛的最大功率點(diǎn)跟蹤算法[19].

(1)定電壓跟蹤法 通過分析不同日照強(qiáng)度下太陽能光伏電池輸出功率曲線可知,當(dāng)日照強(qiáng)度較高時(shí),最大功率點(diǎn)幾乎分布在一條垂直線的兩側(cè).因此,可以將光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)看作是針對(duì)某一恒定電壓輸出的,這就大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng) MPPT的控制設(shè)計(jì),從而構(gòu)成了 CVT式的MPPT控制.使用這種方法,人們只需從生產(chǎn)廠商獲得最大輸出電壓值,并將輸出電壓鉗位于最大輸出電壓值即可.此方法控制簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),可靠性也較高,但控制精度較差(尤其是對(duì)于早晚和四季溫差變化劇烈的地區(qū)),忽略了溫度對(duì)光伏電池開路電壓的影響,缺乏準(zhǔn)確性.

(2)擾動(dòng)觀察法 通過不斷擾動(dòng)太陽能光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來尋找最大功率點(diǎn).其原理是先擾動(dòng)輸出電壓值,然后測(cè)其功率變化,將測(cè)得的功率與擾動(dòng)之前的功率相比,若數(shù)值增加,則表示擾動(dòng)方向正確,繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng);若數(shù)值減小,則往相反方向擾動(dòng).其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,擾動(dòng)參數(shù)少.但也存在需要改進(jìn)之處:一是減少在最大功率點(diǎn)跟蹤過程中的功率損失;二是提高跟蹤精度及速度;三是防止誤判.

(3)電導(dǎo)增量法 通過太陽電池陣列輸出功率特性曲線可知,最大值點(diǎn) Pmax處的斜率為零,所以有:

式(3)為要達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件,即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí),陣列可獲得最大功率輸出.若不相等,則要判斷 dP/dV是大于零還是小于零.電導(dǎo)增量法的最大優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)太陽電池上的照度產(chǎn)生變化時(shí),其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化,其電壓波動(dòng)較擾動(dòng)觀察法小,不過其算法較為復(fù)雜,且在跟蹤過程中需花費(fèi)大量時(shí)間執(zhí)行 A/D轉(zhuǎn)換,這會(huì)給微處理器的控制造成相當(dāng)大的困難.

較新的最大功率點(diǎn)跟蹤方法有:三點(diǎn)重心比較法,最優(yōu)梯度法,間歇掃描跟蹤法,功率數(shù)學(xué)模型法,模糊邏輯法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等[20].

由于每種 MPPT方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此在實(shí)際選擇時(shí),除了需要考慮各種方法本身的特點(diǎn)外,還需要考慮控制方法實(shí)現(xiàn)的難易程度、經(jīng)濟(jì)成本、傳感器類型、跟蹤速度與精度、應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)因素.不同的 MPPT方法需要采集的信號(hào)不同,如電壓、電流、輻照度和溫度等.一般來說,測(cè)量電壓比測(cè)量電流容易,且電壓傳感器比電流傳感器便宜,如果 MPPT方法需要使用輻照度傳感器,則會(huì)增加實(shí)現(xiàn)成本.因此,在考慮跟蹤速度和精度時(shí),應(yīng)著重考慮光伏陣列應(yīng)用領(lǐng)域的特定要求,例如太陽能汽車對(duì)跟蹤速度有較高的要求,而衛(wèi)星、空間站等則對(duì)跟蹤的速度與精度都有很高的要求.目前,MPPT方法的發(fā)展還很不完善,其技術(shù)手段尚未完全成熟,以后還將往數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化、智能方法的應(yīng)用,以及多種 MPPT方法集成的方向發(fā)展.

2.2 孤島檢測(cè)技術(shù)

孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí),光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電,從而形成一個(gè)電力公司無法控制的自給供電孤島[21-23].光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,如孤島中的電壓和頻率無法控制,可能會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備造成損壞;孤島中的線路仍然帶電,可能會(huì)危及檢修人員的人身安全等.因此,必須應(yīng)用孤島檢測(cè)技術(shù)來防止孤島現(xiàn)象的發(fā)生.

孤島檢測(cè)方法分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種類型.被動(dòng)式方法是利用電網(wǎng)斷電時(shí)逆變器輸出端電壓、頻率、相位,以及諧波的變化進(jìn)行孤島檢測(cè).主動(dòng)式方法是通過控制逆變器,使其輸出功率、頻率或相位存在一定的擾動(dòng).電網(wǎng)正常工作時(shí),由于電網(wǎng)鎖相環(huán)的平衡作用,檢測(cè)不到這些擾動(dòng),一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障,逆變器輸出的擾動(dòng)將快速累積并超出允許范圍,便可觸發(fā)孤島效應(yīng)檢測(cè)電路.目前主動(dòng)式檢測(cè)方法主要有阻抗測(cè)量法、輸出功率擾動(dòng)法、主動(dòng)頻率偏移法和滑動(dòng)頻率移相法等[24].

事實(shí)上,對(duì)孤島運(yùn)行的概率進(jìn)行研究表明,光伏系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行的概率不高,這是因?yàn)橛脩糌?fù)載和逆變器輸出功率之間很難達(dá)到平衡,而且還需要恒定的輻照度以及在大范圍內(nèi)偏離 MPPT控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即使?jié)M足所有條件,孤島運(yùn)行發(fā)生的概率也僅為 20%.到目前為止,沒有國際標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范這種特殊的獨(dú)立運(yùn)行模式,且不同國家標(biāo)準(zhǔn)的差別非常大.

2.3 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

對(duì)電網(wǎng)的跟蹤控制是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心,直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量和運(yùn)行效率.由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于 PWM逆變實(shí)現(xiàn)的,所以其控制屬于逆變器 PWM電流控制[25,26].

較早出現(xiàn)的 PWM非線性控制方法有瞬時(shí)比較和三角波比較兩種.目前,較好的閉環(huán)電流控制方法是基于載波周期的一些控制方法,如無差拍PWM技術(shù).該技術(shù)通過在下一個(gè)控制周期內(nèi)消除目標(biāo)誤差,來達(dá)到穩(wěn)態(tài)無靜差的效果.該方法計(jì)算量較大,但開關(guān)頻率固定,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,有利于實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的數(shù)字控制.

隨著微處理器技術(shù),尤其是數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展,現(xiàn)代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏逆變系統(tǒng)的控制中[27-29],如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等,它們雖然在各自領(lǐng)域解決了某些控制問題,但同樣具有相應(yīng)的局限性.例如:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的精度依賴于模型訓(xùn)練樣本;自適應(yīng)控制要求在線識(shí)別對(duì)象模型,算法復(fù)雜,計(jì)算量大;滑模變結(jié)構(gòu)控制存在系統(tǒng)抖振問題;模糊控制依賴于隸屬度函數(shù)的選取,控制精度有待提高等.

2.4 并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)分為集中型、模塊集成型、串級(jí)型和多串級(jí)型逆變器 4種類型[30].

(1)集中型逆變器 它的優(yōu)勢(shì)是拓?fù)浜?jiǎn)單,價(jià)格便宜,但由于含有直流電路,使得費(fèi)用增加,可靠性降低.此外,集中型逆變器無法獨(dú)立進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,其陰影遮蔽等因素會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)輸出顯著下降,并使擴(kuò)展等受到限制.

(2)模塊集成型逆變器 它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式靈活,即插即用,每個(gè)模塊可獨(dú)立進(jìn)行 MPPT,無直流線路;缺點(diǎn)是當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)或有特殊的安全性需要時(shí),替換非常困難,且價(jià)格昂貴.

(3)串級(jí)型逆變器 安裝在一組光伏陣列模塊后,分別對(duì)每組光伏陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,因此 MPPT跟蹤精度高.

(4)多串級(jí)型逆變器 它將串級(jí)型產(chǎn)生的高能量與集中型逆變器成本低的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,并將DC/DC變換器與每組光伏陣列相連,分別進(jìn)行MPPT后,通過直流母線匯流經(jīng)集中型 DC/AC逆變器接至電網(wǎng),該逆變器具有易于擴(kuò)展的特點(diǎn).

目前,出現(xiàn)了一些新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接概念,如主從連接概念,隊(duì)連接概念等.其研究不再局限于單個(gè)逆變器效率的提高,而是擴(kuò)展到多個(gè)逆變器連接效率即整個(gè)系統(tǒng)效率的提高.

3 光伏并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

并網(wǎng)是光伏發(fā)電推廣應(yīng)用的主要形式,但由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的間歇性、波動(dòng)性和分布性,并網(wǎng)后會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、繼電保護(hù)、調(diào)度運(yùn)行等產(chǎn)生重大影響.

3.1 對(duì)電能質(zhì)量的影響

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)和高壓輸電網(wǎng)的電壓質(zhì)量及其控制均有一定的影響.由于該系統(tǒng)受日照影響較大,發(fā)電量時(shí)常變化,而配電網(wǎng)中除了通過投切電容電抗器調(diào)節(jié)電壓外,一般很少再配備其他的動(dòng)態(tài)無功調(diào)節(jié)設(shè)備,如果該類發(fā)電量所占比例較大,其易變性會(huì)使配電線路上的負(fù)荷潮流也極易波動(dòng)且變化較大,從而加大了電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓調(diào)整難度[31-34].

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因主要有兩個(gè):一是光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)逆變后轉(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)時(shí),由于逆變器的作用會(huì)產(chǎn)生 10～25 kHz脈沖頻率的高次諧波;二是當(dāng)采取某些最大功率跟蹤和主動(dòng)式孤島檢測(cè)技術(shù)時(shí),也會(huì)產(chǎn)生特殊的諧波.在電網(wǎng)內(nèi)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模有限.濾波器設(shè)計(jì)良好的情況下,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對(duì)交流電網(wǎng)造成的污染一般較易控制.但隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逐步推廣和發(fā)電容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例的上升,系統(tǒng)內(nèi)含有的多個(gè)諧波源會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響電能質(zhì)量的諧波,還可能在系統(tǒng)內(nèi)激發(fā)出高次諧波的功率諧振,并對(duì)交流電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器一般采用電壓型逆變主電路.該主電路可以實(shí)現(xiàn)有源濾波和無功補(bǔ)償控制,并已得到廣泛應(yīng)用.將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無功補(bǔ)償、有源濾波控制相結(jié)合,可構(gòu)成并網(wǎng)發(fā)電、無功補(bǔ)償和有源濾波的一體化控制系統(tǒng).在電網(wǎng)的邊緣地區(qū)建立使用一體化控制技術(shù)的大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),可以有效改善供電質(zhì)量和供電能力.

3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響

目前,我國的中低壓配電網(wǎng)主要是不接地(或經(jīng)消弧線圈接地)單側(cè)電源和輻射型供電網(wǎng)絡(luò).高比例光伏并網(wǎng)發(fā)電的引入使得配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變成雙端甚至多端網(wǎng)絡(luò),從而改變故障電流的大小、持續(xù)時(shí)間及方向.而配電網(wǎng)中的繼電器大多不具備方向敏感性,這可能會(huì)導(dǎo)致斷路器保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)并失去選擇性,進(jìn)而導(dǎo)致熔斷器動(dòng)作也失去選擇性.光伏并網(wǎng)發(fā)電自身的故障也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和保護(hù)產(chǎn)生影響.另外,當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)抗孤島保護(hù)功能不能與自動(dòng)重合閘等裝置協(xié)調(diào)配合時(shí),就會(huì)引起非同期合閘.目前,從理論上對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電提出了多種繼電保護(hù)改進(jìn)方案[35-39],但這些方案需要進(jìn)一步驗(yàn)證,以保證其可靠性和有效性.

3.3 對(duì)調(diào)度運(yùn)行的影響

光伏并網(wǎng)發(fā)電對(duì)調(diào)度運(yùn)行的影響主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面[40].一是斷面交換功率控制難度加大.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)受輻照度等氣候條件影響較大,導(dǎo)致其向交流電網(wǎng)輸送的功率處于不斷變化中,如果某一輸電斷面的某側(cè)電網(wǎng)內(nèi)存在容量相對(duì)較大的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),會(huì)導(dǎo)致該輸電斷面的功率出現(xiàn)波動(dòng),這將不利于斷面兩側(cè)系統(tǒng)間交換功率的平穩(wěn)控制.二是使短期負(fù)荷預(yù)測(cè)更加困難.傳統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃,尤其是日發(fā)電計(jì)劃,主要依賴于對(duì)負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè).由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量受氣候影響顯著,使得整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷總量更具時(shí)變性和隨機(jī)性,從而給電網(wǎng)的發(fā)電計(jì)劃,尤其是日發(fā)電計(jì)劃的合理制定增加了難度.三是使原有的調(diào)度管理體制面臨挑戰(zhàn).發(fā)電商會(huì)根據(jù)自身需求隨意啟動(dòng)和停運(yùn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),加之該類系統(tǒng)受氣候影響較大,可能使配電網(wǎng)側(cè)的能量管理面臨前所未有的挑戰(zhàn),從而加大了電力公司調(diào)度的難度.

如果未來有大規(guī)模大容量光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)直接接入高壓網(wǎng)絡(luò),也同樣會(huì)使高壓電網(wǎng)原有的調(diào)度管理面臨類似挑戰(zhàn).

4 結(jié) 論

(1)加大光伏系統(tǒng)本身的研發(fā)和應(yīng)用,降低發(fā)電成本;

(2)改進(jìn)光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),完善控制方法,加強(qiáng)諧波治理,優(yōu)化電能質(zhì)量,輔助提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;

(3)加強(qiáng)仿真分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制運(yùn)行,提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的配置能效;

(4)使系統(tǒng)監(jiān)控與調(diào)度智能化、決策多樣化,并建立專家?guī)?以配合繼電保護(hù)與緊急控制,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

(5)建立完善的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)體系,并制定相應(yīng)的法律、法規(guī)和管理政策.

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