光伏并网发电系统

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光伏并网发电系统 [复制链接]

人类的发展与能源的利用是紧密相连的，工业高度发展的今天更是如此。工业革命以来，人类为了自身的发展，对自然进行了毫无节制的索取。而日益恶化的生态环境使人们逐步认识到，人类必须走可持续发展的道路，大力开发和利用可再生能源是必由之路。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。太阳能光伏利用技术在这种形势下进入了快速发展的阶段。太阳能的转换和利用方式，从狭义上可分为三类： 即光电转换，光热转换，光化学转换，太阳能光伏发电是其中的一个主要方面，即通过光伏电池将太阳辐射能直接转化为电能，并与储能装置，测量控制装置和直流-交流转换装置相配套，构成光伏发电系统。
国内外的发展现状
在国外，近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中小功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。1979年，美国太阳联合设计公司在能源部的支持下，研制出了面积为0.9*1.8M的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏试验系统。1980年在MIT建造了有名的Carlisle House”，屋顶安装了7.5KW光伏方阵，并结合被动式太阳房和太阳集热器，给建筑供电、提供热水和制冷。20多年前，日本三洋电器公司研制出了瓦片形状的非晶硅太阳电池组件每块能输出2.7W的电能，到1997年就已经安装了数兆瓦。美国和欧盟先后实施了“百万屋顶计划”；日本计划到2010年光伏系统的装机容量要达到5GW。世界上规模最大的屋顶光伏系统建在德国慕尼黑展览中心，第一期安装的光伏系统容量为1MW，现在已达到了2MW。法国、印度也陆续推出了”1-5KW级百万屋顶光伏计划”。
我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。目前我国光伏产品的市场份额为：户用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。
我国有着十分丰富的太阳能资源。据估算，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50╳1018kj，约相当于1700亿吨标准煤。全国各地太阳辐射总量达3340~8400MJ/m2?a，全国年平均光照小时数为2200h，平均太阳能电力为1700TWh，约为目前装机容量的多倍。我国西藏、青海、新疆、内蒙古南部、陕西北部等广大地区的太阳能辐射总量很大，尤其是青藏高原地区的绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优越资源条件。户用光伏系统和独立光伏电站是解决我国边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。对于联网的光伏发电系统，由于在电网覆盖的地区，光电应用成本太高，目前没有竞争力。我国只有少许示范性的并网光伏发电系统。为了弥补国内的技术空白，中国科学技术部于1996年11月下达了“1-5KW级并网逆变/控制一体化机”  , “九五”国家重点科技攻关项目。我国的光伏发电研究现状如下：
1. 国内的光伏并网发电正在悄然兴起，已经建成的光伏并网发电项目已经有10座；
2. 国家“九五”和“十五”攻关项目：5KW、20KW和50KW并网光伏发电系统；
3. 北京市计科能源新技术开发公司和合肥工业大学能源研究所共同协作，以成功研制出“3KW可调度型并网逆变器”样机，并于1999年7月13日正式通过了科技部组织的项目验收。
4. 深圳园博园光伏发电系统已在用户侧并网，容量为1000KW，为亚洲第一，在国际上也为数不多。在广东南澳岛上正在进行有益的尝试，将光伏发电与风电互补上网，第一期30KW已经并网，运行情况良好,第二期70KW工程正在筹建中。
5. 北京上地技术开发区软件园50KW蝶型屋顶并网光伏发电系统；
6. 北京天普公司的10KW和100KW的并网发电系统；
7. 首都博物馆300KW屋顶并网光伏系统；
8. 北京市计科公司生产基地10KW的可调度式并网光伏发电系统；
9. 位于昌平区的北京生态园的屋顶发电系统；
10. 即将开始的奥运场馆和奥运公园的光伏发电项目等。
可调度式并网系统的结构及原理
    光伏并网发电系统分为可调度式并网系统（带少量蓄电池）和不可调度式并网系统（不带蓄电池），后者由于没有蓄电池，造价相对较低，但由于不能够控制上网时间，作为调峰使用效果较差，这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作模式，当电网失电时停止工作。国外开发可调度性并网系统的目的是电网调峰,虽然带有蓄电池，但其容量只要求满足每天3-4H调峰，不象独立光伏系统要求存储容量满足3-4D使用，因此造价比独立光伏系统大大下降。由于上网时间可以控制，可调度式并网系统的调峰效果大大提高，深受电力部门的欢迎。可调度式并网系统要求逆变器同时具有独立工作和并网工作两种模式，具有更大的灵活性，更容易被电力部门作为电力调峰所接受。
目前关于可调度型并网逆变器的研制方案大多是采用80C96 16位单片机配合D/A转换和MOSFET功率模块实现SPWM正弦脉宽调制电流同步跟踪并网逆变/独立逆变的切换控制等功能。
并网控制逆变器的输出须与电网频率及相位保持同步。同时，其交流纹波失真度应能满足电网要求。具有完善的保护措施，如防孤岛效应、过压、欠压、短路及防雷等。
光伏并网的研究主要有三方面的内容，一是最大功率点控制；二是直流变换电路的研究；三是逆变电路的研究。
1.最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking)
由于光伏电池的最大功率输出点是随光强和温度变化的。为了充分利用太阳能 ,系统必须实现最大功率点的跟踪。最大功率控制方法也有一个发展过程 ,早期的光伏系统采用恒定电压控制方法 ,这种方法的优点是简单易行 ,而且基本可以跟踪最大功率点 。但随着电力电子及控制技术的发展 ,这种方法简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济。因此一些新的控制方法应运而生 ,如扰动观测法 (登山法) ,导纳微增法等  .
（1）恒定电压控制 (CVT)
在不同的光照强度下 ,硅太阳能电池阵列具有图 1所示的伏安特性曲线
它表明太阳电池既非恒压源 ,也非恒流源 ,而是一种非线性直流电源 ,太阳能电池阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线Ｌ的交点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ即为光伏系统的工作点 ,如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’、Ｅ’上 ,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率 .人们发现 ,当温度保持某一定值时 ,最大功率点基本在一根垂线的两侧 ,这样就可以把最大功率点的轨迹近似的看成输出电压恒定的一根垂线 ,这就是恒定电压控制的理论依据 .但是这种跟踪方式忽略了温度对阵列开路电压的影响 ,对结温影响最大的因素当推环境温度和太阳辐照度 .以常规单晶硅太阳能电池而言 ,当环境温度每升高 1℃时 ,其开路电压下降率约为 0.35%～0 45%.以新疆的某一阵列为例 ,阵列在环境温度为25℃时开路电压为 363 .6Ｖ ,当环境温度为 60℃时下降至 299Ｖ ,其下降幅度为 17.5%.这是不容忽视的影响 ,而这一点采用恒定电压跟踪是无法克服的 .
（2）最大功率点的跟踪(MPPT)
实际上最大功率点的跟踪是一个自寻优过程。通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测 ,得到当前光伏电池输出功率 ,再与已存储的前一时刻光伏电池功率相比较 ,舍小存大 ,再检测、再比较。如此不停地周而复始 ,便可使光伏电池动态工作在最大功率点上。
①登山法
登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动 ,比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小。如果功率增加 ,在下一个周期以同样方向加扰动 ,否则改变扰动的方向。
②导纳微分法
登山法输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。这种方法不能将太阳能电池的输出功率与实际的最大功率点电压作比较 ,从而偏离了实际的最大功率点。导纳微分法根据最大功率的电压来调节太阳能电池的输出电压 ,从而避免了这种现象的出现。ｄＰ/ｄＶ的是与输出电压值一一对应的。
( 1)当ｄＰ/ｄＶ =0,在最大功率点处
( 2)当ｄＰ/ｄＶ >0,在最大功率点左边
( 3)当ｄＰ/ｄＶ <0,在最大功率点右边
并且ｄＰ/ｄＶ=ｄ(ＩＶ) /ｄＶ =Ｉ+ＶｄＩ/ｄＶ ,因此通过判断Ｉ/Ｖ +ｄＩ/ｄＶ即Ｇ+ｄＧ的符号 ,就可以确定工作点的位置了。
2. DC/DC变换器部分：
    直流变换电路分为直接变换和间接变换两类，前者先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压；后者没有中间变压器的介入，直接进行直流电压的变化。
3. DC/AC逆变器部分：
将由前一部分输出的直流电压经过本装置转移为与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网。正弦波逆变电路采用全桥电路，逆变输出电力品质的好坏直接取决与SPWM信号。SPWM正弦脉宽调制可分为双极性调制方式（SPWM波有正负2个电平）、单极性调制方式（SPWM波有正、负、零3个电平）和单极性倍频调制方式（SPWM波有正、负、零3个电平，SPWM波的脉冲数是单极性调制方式的两倍）。双极性调制方式的特点是V1-V4都工作在较高频率（载波频率），能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。单极性调制方式的特点是在一个开关周期内2只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压；另2个功率管以较低的输出电压基波功率工作，从而很大程度上减小了开关损耗。单极性倍频调制方式的特点是输出SPWM波的脉动频率是单极性的两倍，而开关频率与单极性调制是不变的，因此单个开关管损耗是不变的。为减小输出波形的畸变，应采用较高的载波频率，但载波频率的提高必然产生更多的开关损耗，同时死区性效应也越明显。由此点看，单极性倍频调制方式明显优于前两种方式。又对其调制的SPWM波进行谐波分析可得：单极性和双极性调制方式下SPWM波形中所含的谐波主要在载波频率及几倍载波频率附近，单极性SPWM波谐波分量比双极性的要小，而单极性倍频调制方式在不提高开关频率的前提下，提高了SPWM波形的谐波频率。SPWM波形中所含谐波主要在2倍及4倍载波频率附近，谐波频率越高，滤波越容易，输出电压谐波分量得到了有效的控制。因此对桥式电压性SPWM逆变电源单极性倍频调制方式性能优越于其他两种调制方式。传统的桥式SPWM逆变器采用模拟分立元件或专用模拟控制集中芯片来产生4个功率管的驱动电压，但模拟器件要实现复杂、先进的控制算法很困难。数字控制电源是当今电源实现发展的方向。利用DSP TMS320F240的EV（事件管理）模块中的全比较单元，可以产生4个功率管的控制电压。工作过程可简述为：与电网同频率、同相位的并网电流给定值与实际的并网电流进行比较后，差值通过PI控制处理后，经三角波调制后，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电路放大，驱动IGBT工作，产生与电网同频率、同相位的正弦波电流。其中，同步信号采集，三角波信号产生，PI控制器的运算，过流、过压、过热保护以及通信等功能，均由DSP完成。
四、结论
本文介绍了光伏发电的意义以及国内外的发展现状，同时介绍了可调度式并网系统的组成及现有的实现方案。由于光伏发电已成为现实，并正在全球范围内迅猛发展。太阳能代替石化能源成为人类能源的主体也终会实现。

zjh

太感谢了，这个正是我现在需要的！！！

zhuwei870703

太感谢了，这个正是我现在需要的！！！

hoking.good

没选做这题，遗憾。。