太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制問(wèn)題探究

周偉

摘要：隨著全球氣候變暖等一系列環(huán)境問(wèn)題暴露在公眾面前，為了有效減少溫室氣體排放、減輕環(huán)境污染，需要采用清潔的新能源來(lái)改變傳統(tǒng)的能源格局。目前，以太陽(yáng)能利用為主的光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，可以有效減輕社會(huì)發(fā)展對(duì)于其他的能源的依賴。文章對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；光伏產(chǎn)業(yè)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；系統(tǒng)控制；電力能源 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM615 文章編號(hào)：1009-2374（2016）25-0099-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.048

能源問(wèn)題一直受到社會(huì)的普遍關(guān)注，因?yàn)檫@不僅關(guān)系到社會(huì)的發(fā)展，還對(duì)于自然環(huán)境產(chǎn)生重大的影響。而太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越得到廣泛的運(yùn)用，取得了非常好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展，具有非常遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。所以本文針對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制問(wèn)題進(jìn)行研究，并進(jìn)一步做深入探討。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的概況

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理就是利用光伏系統(tǒng)吸收太陽(yáng)能量，產(chǎn)生光生電壓，然后利用一定的設(shè)備將這些電壓產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)化為可以利用的電能。而這種電能在生成轉(zhuǎn)化過(guò)程中，具有綠色無(wú)污染、循環(huán)使用、構(gòu)建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以受到社會(huì)的普遍青睞。

1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本上由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池（如有儲(chǔ)能需求）、逆變器四個(gè)部分組成。

1.2.1 太陽(yáng)能電池組件。它是將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負(fù)載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。具體的操作就是利用支架和匯流箱將太陽(yáng)能電池組件，根據(jù)使用的實(shí)際情況進(jìn)行有效的組合排列，并會(huì)自動(dòng)將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)化為電能，而且光照越強(qiáng)產(chǎn)生的電能輸出就越多，具有正相關(guān)性。

1.2.2 控制器。在控制器類型的選擇上要根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)功率、電池方陣輸入路數(shù)以及用戶的要求等方面來(lái)確定。控制器在使用過(guò)程中，一般控制器包括專用CPU、各種電子元器件等部件，主要起到調(diào)節(jié)和保護(hù)的作用，因?yàn)樘?yáng)能電池組件發(fā)電和蓄電的效率都是極不穩(wěn)定的，需要控制器對(duì)其進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，確保其工作的穩(wěn)定，避免造成對(duì)于蓄電池的損傷。這樣就不僅可以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，而且可以對(duì)整個(gè)電池組件的電壓、電流等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示，便于對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)管。

1.2.3 蓄電池。一般而言，蓄電池并不是光伏發(fā)電的必要組成部分，現(xiàn)在一般的大型并網(wǎng)光伏電站都沒(méi)有配置蓄電池。它的主要作用就是將光伏系統(tǒng)接受太陽(yáng)能后轉(zhuǎn)化的電能儲(chǔ)存起來(lái)，以備使用。在蓄電池的使用過(guò)程中，要注意所選擇的蓄電池自身的儲(chǔ)電容量要大，釋放的電量要小，并且要保證充電效率高，同時(shí)要注意使用的地區(qū)以及價(jià)格等因素，確保可以方便、高效使用。一般為了保障蓄電池的使用壽命，盡量選擇容量大、電流充放小的蓄電池，而且在低溫狀態(tài)下使用，需要考慮使用膠體蓄電池。

1.2.4 光伏逆變器。在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的主要作用就是將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡⑶覍⑻?yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)進(jìn)行有效連接。因?yàn)檎麄€(gè)太陽(yáng)能發(fā)電輸出的一般都是電壓很低的直流電，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，一般將光伏電池組件串/并聯(lián)后再與光伏逆變器連接，最后由光伏逆變器將直流電變?yōu)檫m合的交流電后送入公共電網(wǎng)或供電器設(shè)備使用。

1.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

一般而言，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為三種類型：

1.3.1 獨(dú)立系統(tǒng)，不與公共電網(wǎng)進(jìn)行連接，所輸出的電力僅僅局限于小范圍的使用。

1.3.2 并網(wǎng)系統(tǒng)，就是與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)周圍的公共電網(wǎng)進(jìn)行連接，通過(guò)出售進(jìn)行大范圍使用。

1.3.3 混合類型，基本上就是將前兩者進(jìn)行綜合，兼而有之。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制要點(diǎn)

2.1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制過(guò)程關(guān)鍵在于對(duì)充電器和逆變器的控制，所以對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的控制就需要注意電池組件的額定功率、逆變器的輸出電壓以及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的總功率等因素的變化。

2.2 太陽(yáng)能電池的最大輸出功率

在進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制過(guò)程中，最難控制的是，在維持電池最大輸出功率的時(shí)候，還要達(dá)到低諧波失真電流輸出的控制，這就需要在操作過(guò)程中對(duì)控制器的性能、系統(tǒng)等進(jìn)行有效掌握和監(jiān)控。

2.3 與公共電網(wǎng)相協(xié)調(diào)

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的三種類型中，尤其是并網(wǎng)類型和混合類型，需要注意的是太陽(yáng)能發(fā)電輸出的電壓、功率、幅值等數(shù)據(jù)要與公共電網(wǎng)協(xié)調(diào)一致，這其中涉及到控制器和逆變器等相關(guān)系統(tǒng)的控制。

3 對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)有效控制的措施

3.1 對(duì)太陽(yáng)能電池組件合理配置

目前多采用太陽(yáng)能電池組件一般為單晶和多晶硅太陽(yáng)能電池。其基本上由鋼化玻璃、TPT等材料熱壓密封制成，具有堅(jiān)固、抗寒、耐高溫、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)能電池組件內(nèi)部封裝了多個(gè)電池單元，電池單元經(jīng)過(guò)串聯(lián)/并聯(lián)后能有效提供電池組件的輸出電流和電壓，便于實(shí)際使用，目前普遍采用60或72片封裝。

3.2 正確選擇太陽(yáng)能光伏控制器

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的控制器選擇中，要根據(jù)系統(tǒng)電壓的等級(jí)來(lái)進(jìn)行選擇，同時(shí)還需要詳細(xì)計(jì)算發(fā)電系統(tǒng)的容量以及組件串的并聯(lián)數(shù)量，來(lái)確定控制器的控制方式。例如，直流路燈的光源是30V，那么控制器應(yīng)該選擇30V。對(duì)于控制器是否具有蓄電池放電控制功能，這是根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)來(lái)決定。對(duì)于用戶的其他需求而設(shè)置的一些功能，則需要根據(jù)相關(guān)的控制器產(chǎn)品型號(hào)經(jīng)過(guò)比較來(lái)選擇。

3.3 最大功率點(diǎn)的監(jiān)測(cè)

眾所周知，光伏發(fā)電系統(tǒng)受到太陽(yáng)的光照強(qiáng)度以及周圍溫度的影響，導(dǎo)致電力輸出的變化很大，所以需要根據(jù)太陽(yáng)能電池所能產(chǎn)生的電能輸出功率，找到最大功率的轉(zhuǎn)化效率，即最大功率點(diǎn)后，就可以在實(shí)踐中對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電更好地進(jìn)行利用。目前對(duì)于最大功率點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法就是利用恒壓跟蹤法以及自適應(yīng)算法等多種方法，有效監(jiān)測(cè)出太陽(yáng)能光伏電池的輸出功率變化與陽(yáng)光強(qiáng)度以及溫度的關(guān)系，找到功率輸出最大時(shí)的電壓。

3.4 對(duì)蓄電池電壓的有效控制

在整個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要想進(jìn)行有效的控制主要就是對(duì)充電器和逆變器的控制。控制器要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使得整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮到最大的功效，并且還要對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，防止蓄電池過(guò)度充電以及快速放電而受到損害，影響使用壽命。目前對(duì)于蓄電池的電壓檢測(cè)一般對(duì)于整個(gè)充電系統(tǒng)的外環(huán)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用在線式電壓檢測(cè)方法，當(dāng)監(jiān)測(cè)的電壓結(jié)果達(dá)到最大值的時(shí)候就證明電池已經(jīng)充滿。由于蓄電池端電壓在充電停止后電壓會(huì)出現(xiàn)變化，不能發(fā)揮最大功效，所以需要采用一種離線式的檢測(cè)方法。同時(shí)，對(duì)于蓄電池的自放電問(wèn)題，可以采取設(shè)置放電自鎖功能進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)。在具體的運(yùn)用中就是利用集成運(yùn)算電路的電壓反饋特性。當(dāng)達(dá)到下限電壓，出現(xiàn)信號(hào)反饋到下限自鎖功能的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉，停止放電。當(dāng)蓄電池充滿后，就可以重新將蓄電池打開，繼續(xù)供電，這樣就可以確保蓄電池的高效運(yùn)行。

3.5 對(duì)逆變器的合理選擇

在整個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器作為一個(gè)不可或缺的部件，也會(huì)需要消耗一定的電能來(lái)維持自身的運(yùn)行。因此，它的輸入功率要比輸出功率大，所以對(duì)于整個(gè)逆變器的效率而言，就是輸入功率與輸出功率之間的比較。在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器就是需要將太陽(yáng)能的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，對(duì)于太陽(yáng)能電池的效率發(fā)揮具有關(guān)鍵的作用，所以要想對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行高效運(yùn)行，就必須要選擇高效率的逆變器，確保整個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮到最佳狀態(tài)。一般情況下，逆變器還具有自動(dòng)調(diào)壓和手動(dòng)調(diào)壓等功能，可以在具體的運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，確保光伏發(fā)電的供電效率。

3.6 進(jìn)行有效的并網(wǎng)發(fā)電控制

光伏逆變器能夠?qū)㈦姵亟M件發(fā)出的直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)頻率相同，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電，從而讓光伏發(fā)電系統(tǒng)能與公共電網(wǎng)連接。但是由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，當(dāng)國(guó)家電網(wǎng)需要維護(hù)和檢修的過(guò)程時(shí)，就會(huì)處于斷電狀態(tài)，而這時(shí)如果太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)依然處于運(yùn)行狀態(tài)，就會(huì)形成孤島效應(yīng)。這就容易對(duì)維修保養(yǎng)的工作人員先造成危害，而且也會(huì)因自身的負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致電力和電壓的不穩(wěn)定，損害整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，為了對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，就需要在逆變器具備有自動(dòng)偵測(cè)功能，即防孤島保護(hù)。一般這種偵測(cè)分為主動(dòng)和被動(dòng)兩類，主動(dòng)偵測(cè)就是逆變器主動(dòng)釋放一個(gè)信號(hào)，觀察電網(wǎng)是否正常運(yùn)行；被動(dòng)檢測(cè)就是當(dāng)電網(wǎng)的功率和電壓出現(xiàn)異常情況，而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓、相位等情況發(fā)生改變，而做出的判斷。同時(shí)還有一種特殊的情況，就是國(guó)家電網(wǎng)突然跳閘斷電，也會(huì)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，一般這種情況比較少見，但是也需要注意監(jiān)測(cè)。

4 提高光伏發(fā)電應(yīng)用的輔助措施

目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的應(yīng)用，具有非常廣闊的國(guó)際市場(chǎng)，所以我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)應(yīng)該采取更多的有效措施，積極與國(guó)際接軌。在具體的操作中，首先要采用新的技術(shù)和管理，降低生產(chǎn)成本，提高發(fā)電效率，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；其次是提高相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，不僅要發(fā)揮好逆變器的功效，而且要提高控制器以及蓄電池等各方面的技術(shù)要求；再次是要做好相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加強(qiáng)與國(guó)際市場(chǎng)接軌，適應(yīng)各地建筑物的特點(diǎn)，確保實(shí)用、美觀；最后是國(guó)家應(yīng)該加大對(duì)于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力支持，提供各個(gè)方面的優(yōu)惠政策進(jìn)行支持。

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是一個(gè)具有非常廣闊前景的行業(yè)，不僅可以有效地對(duì)于太陽(yáng)能資源進(jìn)行利用，而且能降低其他能源的消耗，減輕污染，非常符合當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的發(fā)展需求，所以今后需要進(jìn)一步加大對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的研究，使得更多的先進(jìn)技術(shù)得到具體應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：王 波）