電氣自動(dòng)化在集中式并網(wǎng)光伏電站中的應(yīng)用及發(fā)展

劉勝俊

（中利騰輝共和新能源有限公司，青海 海南 813000）

1 光伏發(fā)電原理和并網(wǎng)形式及特點(diǎn)

太陽(yáng)能發(fā)電是傳統(tǒng)發(fā)電的有益補(bǔ)充，鑒于其對(duì)環(huán)保與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，各發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不全力推動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電的工作，目前中小規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電已形成了產(chǎn)業(yè)。在微網(wǎng)中運(yùn)行，通過(guò)中低壓配電網(wǎng)接入互聯(lián)特/超高壓大電網(wǎng)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的重要特點(diǎn)。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的基本必要條件是，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。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有2種形式：集中式并網(wǎng)和分散式并網(wǎng)。集中式并網(wǎng)：特點(diǎn)是所發(fā)電能被直接輸送到大電網(wǎng)，由大電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶(hù)供電，與大電網(wǎng)之間的電力交換是單向的方式。適于大型光伏電站并網(wǎng)，通常離負(fù)荷點(diǎn)比較遠(yuǎn)，荒漠光伏電站采用這種方式并網(wǎng)。分散式并網(wǎng)：又稱(chēng)為分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)，特點(diǎn)是所發(fā)出的電能直接分配到用電負(fù)載上，多余或不足的電力通過(guò)聯(lián)結(jié)大電網(wǎng)來(lái)調(diào)節(jié)，與大電網(wǎng)之間的電力交換可能是雙向的方式。適于小規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常城區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用這種方式，特別適于建筑結(jié)合的光伏系統(tǒng)。集中式光伏電站占地面積較大，而且對(duì)光照資源和電網(wǎng)要求比較嚴(yán)格。

目前并網(wǎng)光伏電站所擁有的自動(dòng)化系統(tǒng)有：（1）逆變器的自動(dòng)檢測(cè)功能和自動(dòng)啟停功能，特點(diǎn)是逆變器作為光伏電站的核心設(shè)備，功能強(qiáng)大，地位顯赫，大規(guī)模并網(wǎng)光伏電站的逆變器臺(tái)數(shù)較多，因此每臺(tái)逆變器要根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率、相位角，自動(dòng)檢測(cè)跟蹤并網(wǎng)，網(wǎng)上也是自動(dòng)停止運(yùn)行。（2）綜合自動(dòng)化后臺(tái)，其主要特點(diǎn)是把所有光伏匯流箱、逆變器、箱變的電氣參數(shù)通過(guò)通信通道匯集在后臺(tái)，方便運(yùn)維人員查看故障，盡快處理。（3）功率自動(dòng)控制系統(tǒng)（AGC）的應(yīng)用，最大特點(diǎn)是根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度要求自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏電站有功功率輸出。（4）電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)（AVC）的應(yīng)用，最大特點(diǎn)是通過(guò)光伏電站配備的SVG或SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置，調(diào)整電壓，確保并網(wǎng)線(xiàn)路的電壓質(zhì)量。（5）光功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，特點(diǎn)是調(diào)度根據(jù)短期和超短期天氣預(yù)報(bào)值，下發(fā)第2日和下一時(shí)段的發(fā)電計(jì)劃，使隨天氣變化不斷變化的光伏負(fù)荷出力，達(dá)到可控的目的。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中有一個(gè)最重要的組成部分便是光伏發(fā)電單元，光伏發(fā)電的工作原理就是借助逆變器將光能轉(zhuǎn)變成電能，從而服務(wù)全社會(huì)。圖1的流程圖表示的是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，合理地?cái)[放光伏電池，完成對(duì)太陽(yáng)能的有效收集，只要能保證太陽(yáng)能充足的環(huán)境，均可作為光伏電池的陳列位置，一般包括戈壁、沙漠以及建筑物的頂端處。DC/DC通常被稱(chēng)作功率跟蹤器，DC/DC的主要作用是可以確保光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的功率處于穩(wěn)定的狀態(tài)，借助蓄電池的功能完成光伏發(fā)電項(xiàng)目的調(diào)度，然后實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)，同時(shí)，這個(gè)過(guò)程會(huì)大大增加DC/AC的工作壓力。而DC/AC常被稱(chēng)作逆變器，主要是連接電網(wǎng)系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的樞紐，它們之間相互連接的穩(wěn)定程度主要取決于系統(tǒng)的應(yīng)用，當(dāng)光伏發(fā)電項(xiàng)目接入的數(shù)量越來(lái)越多時(shí)，一方面促進(jìn)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面可以提升社會(huì)全體推廣使用太陽(yáng)能的力度，如此一來(lái)，在很大程度上減輕了使用傳統(tǒng)電能所面臨的挑戰(zhàn)。

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

3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方案及控制技術(shù)

3.1 兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體控制策略

圖2顯示的電路圖是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的總體控制策略。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能檢測(cè)到光伏電池，該電池常會(huì)將電壓和電流輸出，采樣調(diào)理電路可將輸出的電壓和電流處理后再輸至數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（俗稱(chēng)DSP），然后再進(jìn)行數(shù)字濾波處理，最后作為最大功率點(diǎn)去跟蹤輸入變量。對(duì)直流母線(xiàn)的電壓進(jìn)行測(cè)定，在數(shù)字濾波處理完成的基礎(chǔ)上，求其與直流母線(xiàn)參考指令信號(hào)的差值，由電壓調(diào)節(jié)器輸出誤差信號(hào)，確保直流母線(xiàn)的電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，電流幅值乘以正弦表求得電流指令信號(hào)，然后求其與已被輸出至DSP的并網(wǎng)電流采樣濾波值的差值。

圖2 系統(tǒng)總體控制策略

3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)

在電子學(xué)的理論中，式（1）可完全等效與光伏電池的數(shù)學(xué)模型。

式（1）中：I 為光伏電池輸出的電流；IL為光生電流；IO為二極管飽和電流；U 為光伏電池輸出的電壓；q 為電子的電荷量；A 為二極管特性因子；K 為波爾茲曼常數(shù)；Rs為與光伏電池等效的串聯(lián)電阻；Rsh為與光伏電池等效的并聯(lián)電阻。圖3為等效電路圖。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，以下兩種方法最為常用：（1）擾動(dòng)觀(guān)察法，該法能準(zhǔn)確的處理最大功率點(diǎn)的位置，從而對(duì)跟蹤功率整體的狀態(tài)進(jìn)行有效控制。（2）電導(dǎo)增量法，該法可以確定光伏列陣中曲線(xiàn)的變化，通過(guò)曲線(xiàn)的變化呈現(xiàn)出峰值，從而判斷該階段是否處于最大值。

圖3 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

3.3 孤島檢測(cè)技術(shù)

孤島保護(hù)方法主要有兩種方式：（1）被動(dòng)式；（2）主動(dòng)式。其中被動(dòng)式檢測(cè)判斷孤島效應(yīng)的方法有兩種：（1）通過(guò)檢測(cè)電壓（與電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)處）來(lái)判斷；（2）判斷與電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)處頻率的異常狀況。而主動(dòng)式檢測(cè)判斷孤島效應(yīng)的方法則是需要人為地引入擾動(dòng)信號(hào)，然后在檢測(cè)公共耦合點(diǎn)處電壓或判斷公共耦合點(diǎn)處頻率的異常狀況。在光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，通常都是結(jié)合使用主動(dòng)式和被動(dòng)式。孤島保護(hù)方法中被動(dòng)式最常用方法的就是過(guò)壓或欠壓，其中過(guò)頻或欠頻檢測(cè)方法，通常是指公共耦合點(diǎn)處電壓或其頻率有一個(gè)規(guī)定的上下限值，將檢測(cè)出的電壓和頻率與規(guī)定值進(jìn)行對(duì)照，確定孤島效應(yīng)的發(fā)生情況。不過(guò)有一種情況是無(wú)法準(zhǔn)確地判斷孤島效應(yīng)，也就是說(shuō)會(huì)有檢測(cè)盲區(qū)出現(xiàn)的情況，比如光伏逆變器并網(wǎng)處接的負(fù)載和其輸出的功率非常相近時(shí)，就無(wú)法做出準(zhǔn)確的判斷。而孤島保護(hù)方法中的主動(dòng)式孤島保護(hù)法則采用主動(dòng)頻率偏移法，簡(jiǎn)稱(chēng)AFD，其工作機(jī)理是：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)間隔一定的時(shí)間，人為的擾動(dòng)一次注入電網(wǎng)電流的頻率（用△?表示），注意擾動(dòng)的幅度需要非常微小；光伏電網(wǎng)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)檢測(cè)后公共耦合點(diǎn)電壓或其頻率值均在規(guī)定的上下限之間。但光伏電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，公共耦合點(diǎn)電壓或其頻率值會(huì)發(fā)生很大的變化，因此當(dāng)再次進(jìn)行人為微小擾動(dòng)時(shí)，此時(shí)光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)值就會(huì)以變化后的屯為準(zhǔn)，再重新疊加一個(gè)矽的擾動(dòng)，如此在不斷積累后，耦合點(diǎn)電壓頻率就會(huì)逐漸偏離電網(wǎng)規(guī)定的正常頻率，直到超過(guò)并網(wǎng)檢測(cè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，最終產(chǎn)生孤島保護(hù)。

3.4 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的安全保護(hù)技術(shù)

對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)方法來(lái)說(shuō)，防孤島保護(hù)可以起到對(duì)其主動(dòng)保護(hù)的作用，在電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確地觀(guān)察并分析電網(wǎng)中的負(fù)載數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)光伏電網(wǎng)系統(tǒng)是否會(huì)出現(xiàn)異常即斷電情況，而此時(shí)系統(tǒng)中的逆變器也受到了控制，最終有效地保護(hù)了發(fā)電系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為一種綠色可再生的新能源而備受關(guān)注，迅速發(fā)展的光伏并網(wǎng)發(fā)電既可以改善生態(tài)環(huán)境，又可以提高人們的生活方式。光伏發(fā)電系統(tǒng)與常用的火力發(fā)電系統(tǒng)相比，具有無(wú)枯竭危害，安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染，不受資源分布地域的限制，可利用荒坡或建筑屋面的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需消耗燃料，建設(shè)周期短等特點(diǎn)；最重要的是簡(jiǎn)單化的運(yùn)營(yíng)管理。