光伏發(fā)電利用技術(shù)研究

1、光伏發(fā)電利用技術(shù)研究【摘要】光伏發(fā)電在解決我國無電地區(qū)電力建設(shè)和電力規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電的市場中都將扮演重要的角色，應(yīng)當(dāng)予以高度重視。本文對當(dāng)前兩種光伏發(fā)電利用技術(shù)做了簡要的探究。 【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電并網(wǎng)光伏獨立光伏 中圖分類號：TM6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相連，可以分為并網(wǎng)和獨立兩種類型。本文分別對這兩種技術(shù)做了簡要的研究。 一、我國光伏發(fā)電的發(fā)展 中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)始于20世紀(jì)70年代，2000年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時期。太陽電池及組件產(chǎn)量及其裝機容量逐年穩(wěn)步增加。2011年，我國裝機容量達(dá)到2.4 GW，截至2011年底，光伏系統(tǒng)累計裝機總?cè)萘恳堰_(dá)到3GW。 光伏

2、發(fā)電技術(shù)在我國應(yīng)用的近幾十年中，太陽能發(fā)電走過了從空間應(yīng)用、地面小規(guī)模應(yīng)用到現(xiàn)在的地面較大規(guī)模利用時代，從20022011年，特別是2002年基本解決了全國近800個無電鄉(xiāng)的鄉(xiāng)政府用電問題。規(guī)模如此之大，在國際上也是空前的。在接下來的23年內(nèi)，我國解決了 11592個自然村和16889個行政村的用電問題。由于所有的這些村莊都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，十分分散，只能建造獨立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 到2020年前，隨著成本將不斷下降，政府扶持政策的不斷推出，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展，20052010年，我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在2010年以后，隨著太陽能光伏電池成本的大幅下

3、降，發(fā)電成本也隨著降低，2011年，每千瓦發(fā)電成本降至1.0元，而20102020太陽能光伏發(fā)電將會由獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到年將約為0.6元每千瓦時。2020年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望達(dá)到世界先進(jìn)行列。 二、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 通常光伏并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。 圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 系統(tǒng)采用三相橋的電路結(jié)構(gòu)，逆變電壓通過電感與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行模式下，系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使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，電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。 2、光伏陣列的最大功率點跟蹤（

4、MPPT） 光伏陣列的特性曲線如圖2a所示，陣列工作點不同決定了它的輸出功率也不同。光伏陣列最大功率點跟蹤的原理是：通過檢測光伏陣列在不同工作點下的輸出功率，經(jīng)過比較尋優(yōu)，找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應(yīng)的工作電壓。具體實現(xiàn)方法如下：首先使光伏陣列工作于某一確定電壓值，然后擾動太陽電池輸出電壓值(UPV+U)，再測量輸出功率的變化，與擾動之前的功率值相比。若輸出功率值增加，則表示擾動方向正確，可向同一方向以+U為步長再擾動；若擾動后的功率值減小，則向反方向以-U為步長再擾動。此法的最大優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)簡單，被測參數(shù)少，通常被較普遍地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點的跟蹤控制。通過不斷

5、擾動使陣列輸出功率趨于最大，尋優(yōu)過程如圖2b所示。 圖2 光伏陣列特性曲線 3、并網(wǎng)控制策略 （1）逆變器拓?fù)浜涂刂品绞?并網(wǎng)逆變器采用電壓型全橋逆變器，控制方式一般采用輸出電流控制，控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運行的目的。本文采用電流控制方式為滯環(huán)比較方式，雖然滯環(huán)比較方式頻率不固定，但它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴負(fù)載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點。 滯環(huán)控制原理是將給定電流與反饋電流的誤差與一個確定滯環(huán)閾值H做比較，以確定兩對開關(guān)管的開關(guān)邏輯，如圖3所示。在輸出電流正半周，當(dāng)誤差超過滯環(huán)的上閾值，開關(guān)管S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，UAB=E，電

6、感電流減??；當(dāng)誤差低于滯環(huán)的下閾值，開關(guān)管S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，UAB=E，電感電流增大。 圖3 采用滯環(huán)控制方式的并網(wǎng)逆變原理圖 （2）并網(wǎng)控制策略 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行并網(wǎng)控制。雙閉環(huán)的外環(huán)為電壓環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器直流輸入端電壓即電容電壓穩(wěn)定；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸送到電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。 將實際檢測到的電容電壓與給定的電容電壓相比較，差值經(jīng)過調(diào)節(jié)器，得到電流環(huán)的給定并網(wǎng)電流的幅值，當(dāng)實際的電容電壓超過給定值時，給定并網(wǎng)電流的幅值會增大，電容電壓會下降；當(dāng)實際的電容電壓小于給定值時，給定并網(wǎng)電流的幅值會減

7、小，電容電壓則會增加，由此來實現(xiàn)電容電壓穩(wěn)定。給定并網(wǎng)電流幅值與經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓的頻率和相角同步信號相結(jié)合，得到并網(wǎng)電流的給定信號，此給定電流再與實際檢測到的并網(wǎng)電流相比較，差值經(jīng)過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，得到全橋逆變器的功率器件的開關(guān)信號，控制功率器件開通和關(guān)斷，使并網(wǎng)電流在指定的環(huán)寬以內(nèi)變化。 三、獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 1、三端口變換器系統(tǒng)工作狀態(tài)分析 三端口變換器共包括單向輸入端、單向輸出端和雙向輸入/輸出端三個端口。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，輸入端與光伏陣列相連，輸出端與負(fù)載相連，雙向端則與蓄電池相連。其中輸入端僅接受外部輸入功率，負(fù)載端口僅向外部輸出功率，儲能端口既能接受功率，又能輸出功率，

8、用來平衡系統(tǒng)功率，保證負(fù)載供電的連續(xù)性和可靠性。 三端口變換器的系統(tǒng)工作狀態(tài)取決于光伏電池和負(fù)載端的功率關(guān)系。當(dāng)光伏陣列輸入功率為零時，蓄電池單獨向負(fù)載供電，變換器工作于單輸入單輸出模式；當(dāng)光伏陣列輸入功率小于負(fù)載功率時，不足的能量由蓄電池補充，變換器工作于雙輸入模式；當(dāng)光伏陣列輸入功率大于負(fù)載功率時，光伏陣列輸入的多余能量用以給蓄電池充電，變換器工作于雙輸出模式。 2、三端口變換器拓?fù)?三端口變換器與傳統(tǒng)兩端口變換器的本質(zhì)區(qū)別在于其內(nèi)部包含多條功率流。其三個端口之間等效的功率流包括：(1)輸入端到輸出端；(2)輸入端到雙向端；(3)雙向端到輸出端。只要建立起上述三條功率流所需要的傳輸路徑并滿

9、足如下約束條件就能夠構(gòu)造出三端口變換器拓?fù)洌?1)三條功率流均獨立可控，滿足各種工況下系統(tǒng)功率控制的要求；(2)三條等效功率傳輸路徑均為單級功率變換，以實現(xiàn)高的變換效率和功率密度。按照上述思路，本文構(gòu)造并提出了一系列三端口變換器拓?fù)?，包括非隔離和部分隔離兩大類，圖4分別給出了非隔離和部分隔離三端口變換器典型拓?fù)鋵嵗?以圖4(a)所示非隔離變換器為例進(jìn)行分析：當(dāng)PV功率大于負(fù)載功率時，PV向負(fù)載供電的同時向蓄電池充電，調(diào)節(jié)S1的占空比可以實現(xiàn)輸入源的最大功率跟蹤(MPPT)，調(diào)節(jié)S2的占空比可以進(jìn)一步實現(xiàn)負(fù)載電壓的控制，此時S4一直關(guān)斷，S3作為S2的同步整流管與S1互補導(dǎo)通；當(dāng)PV功率小于負(fù)

10、載功率時，PV和蓄電池向負(fù)載供電，此時S2一直關(guān)斷，S4一直導(dǎo)通，調(diào)節(jié)S1實現(xiàn)PV的MPPT，調(diào)節(jié)S3實現(xiàn)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定；當(dāng)PV輸入功率為0時，S1和S2都一直關(guān)斷，S4一直導(dǎo)通，控制S3實現(xiàn)負(fù)載端電壓的穩(wěn)定。 圖4 三端口變換器拓?fù)?三端口變換器的控制策略是決定整個系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵因素。獨立光伏供電系統(tǒng)中，需要同時實現(xiàn)PV的MPPT控制、蓄電池充放電(電壓/電流)控制和負(fù)載電壓/電流或功率控制。仍以圖4(a)所示非隔離三端口變換器為例，本文提出采用輸入電壓調(diào)節(jié)器(IVR)、蓄電池電流調(diào)節(jié)器(BIR)、蓄電池電壓調(diào)節(jié)器(BVR)和輸出電壓調(diào)節(jié)器(OVR)等四個調(diào)節(jié)器及其自主競爭機制的系統(tǒng)功率控制方法：OVR控制器的輸出用來調(diào)節(jié)開關(guān)管S2，S3，S4的占空比，保證在任何情況下，輸出電壓都是穩(wěn)定的。IVR，BIR，BVR控制器競爭得到最小值，用來調(diào)節(jié)開關(guān)管S1的占空比，從而控制PV端電壓，實現(xiàn)PV輸入功率的控制，進(jìn)而實現(xiàn)PV的MPPT控制及蓄電池充電控制。 結(jié)束語 采用模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠有效提高系統(tǒng)的冗余性和可靠性，采用提出的系統(tǒng)效率優(yōu)化控制方法，能夠有效提高系統(tǒng)效率，提出的新型非隔離光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠有效減小漏電流、提高變換效率。在光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)中，采用三端口變換器能夠有效實現(xiàn)光伏電池、儲能蓄電池和負(fù)載三者的能量管理和