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        基于戶用型太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備研究

        2010-09-07 06:28:18張鵬
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年5期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)研究

        張鵬

        (無錫新世紀(jì)太陽能電力有限公司,江蘇 無錫 214108)

        引言

        隨著太陽能光伏技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,采用SPWM 技術(shù)的并網(wǎng)控制逆變器裝置在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)整流器相比,這種逆變器裝置的主電路采用可關(guān)斷的全控器件,可以實(shí)現(xiàn)電能的雙向傳輸。這種逆變器裝置不僅具有受控的AC/DC 整流功能,而且還具有DC/AC的逆變功能。通過數(shù)字控制技術(shù)在并網(wǎng)逆變器交流側(cè)可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行和正弦化電流波形,在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中采用PWM 并網(wǎng)逆變器可以在向電網(wǎng)饋送能量的同時,減少裝置對電網(wǎng)的污染,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)發(fā)電。

        1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

        光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板(即光伏陣列),并網(wǎng)逆變器,濾波電抗器和DSP控制電路構(gòu)成。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成

        由圖1 可見光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能,再利用并網(wǎng)逆變器的受控電流源特性,控制逆變器運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài),將直流電轉(zhuǎn)化為交流電饋送電網(wǎng)。整個系統(tǒng)能量的變換和傳遞過程,是利用IPM 模塊構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器電路來實(shí)現(xiàn)的,而并網(wǎng)逆變器的控制則是通過DSP 生成驅(qū)動主電路的PWM 信號來完成。

        針對光伏發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備的研究內(nèi)容,包括:

        ①系統(tǒng)總體方案設(shè)計

        ●整個控制系統(tǒng)采用不可調(diào)度式,無需蓄電池等儲能裝置,免除了由于存在蓄電池而帶來的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。

        ●整個系統(tǒng)分為控制和逆變兩部分。

        ●研究重點(diǎn)包括PWM 控制器、驅(qū)動電路、DC/DC 變換器、MPPT 技術(shù)及逆變器部分。

        ②系統(tǒng)控制技術(shù)的研究開發(fā)

        ●并網(wǎng)控制方法與策略研究,包括:最大功率點(diǎn)控制、波形跟蹤和控制方法。

        ●通過比較多種PWM 控制方式,確定適合該系統(tǒng)的控制策略。

        ●并網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)裝置的研究。

        ●能量管理策略的研究。

        ③系統(tǒng)逆變技術(shù)的研究開發(fā)

        ●逆變器并網(wǎng)方式研究開發(fā)。

        ●DC/DC 變換器控制系統(tǒng)研究開發(fā)。

        ●逆變效率分析、"孤島"檢測保護(hù)、主功率元件的選擇等研究。

        ④系統(tǒng)整機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)

        ●整機(jī)穩(wěn)定性及效率分析、電流傳感器和電壓傳感器研究。

        ●系統(tǒng)工作參數(shù)計算機(jī)仿真,通過仿真技術(shù)應(yīng)用,尋找最佳工作參數(shù)。

        2 并網(wǎng)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

        ①基于BOOST 升壓電路的光伏陣列MPPT 跟蹤技術(shù)和單級式正弦逆變與最大功率點(diǎn)跟蹤統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的主電路拓?fù)浼夹g(shù),使得MPPT控制、逆變控制、相位同步等控制目標(biāo)在一個變換環(huán)節(jié)中的得到實(shí)現(xiàn),保證輸出電流呈連續(xù)狀態(tài),達(dá)到簡化系統(tǒng)組成,提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的目的。

        ②運(yùn)用太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù),實(shí)現(xiàn)最大功率輸出,充分利用太陽能的能量,使裝置效率≥96%。

        通過對太陽能陣列的功率輸出采樣,將其與前一時刻的功率相比較,舍小取大,根據(jù)比較的結(jié)果,控制陣列電壓、電流的增大或減小,而后再比較,如此不停的周而復(fù)始自主尋優(yōu),確定系統(tǒng)工作點(diǎn)。

        ③建立先進(jìn)的并網(wǎng)逆變控制方法Deadbeat 無差拍PWM 技術(shù)、瞬時無功控制理論,在一個控制周期內(nèi),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功和諧波的無差拍補(bǔ)償,達(dá)到高水平柔性輸配電裝置的控制效果。

        能量管理和控制策略采用雙閉環(huán)控制:

        A、電流環(huán):提取參考電流,計算補(bǔ)償電流、無功電流。

        B、功率環(huán):實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤,控制功率流向。

        PWM 方式比較:

        -滯回比較PWM,電流變化小時會使電流相對誤差過大,電流變化大時,可能使器件的開關(guān)頻率過高。

        -定步長PWM,電流跟隨最大相對誤差不確定。

        -三角波比較PWM,輸出含有載波頻率段的諧波。

        -優(yōu)化PWM,運(yùn)算量大,不適于變化環(huán)境的計算。

        -無差拍PWM。單周期,開關(guān)頻率固定,動態(tài)響應(yīng)快。

        在電網(wǎng)電源和負(fù)載之間并聯(lián)了GCPV,負(fù)載消耗的有功功率并不需要由電網(wǎng)完全提供,因此電網(wǎng)輸出的電流明顯小于通過負(fù)載的電流,有效值約為2.26A。

        在matlab 環(huán)境下,對基于瞬時無功理論的諧波和無功電流的檢測進(jìn)行了仿真,仿真使用的負(fù)載為整流橋并聯(lián)阻容負(fù)載,在負(fù)載的進(jìn)線端串聯(lián)了三個電抗器,目前市場上大量的整流負(fù)載都安裝了輸入濾波電抗器,同時這三個電抗器也提供無功功率的消耗,其信號流程處理的方法完全按照瞬時無功的檢測方法。采用瞬時無功的基波電流提取算法,使GCPV 能夠?qū)崟r補(bǔ)償電網(wǎng)電流中的諧波和無功成分。

        根據(jù)三相電壓源型PWM 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型,可知并網(wǎng)逆變器通過控制三相電壓源型逆變器橋臂輸出電壓來控制輸出電流,在控制輸出電流得同時,為提高光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)發(fā)電量,充分利用在同等光照條件的光伏陣列所能提供的最大功率,在相應(yīng)的光伏并網(wǎng)逆變器裝置控制系統(tǒng)中引入了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)。

        ④采用包含孤島效應(yīng)等在內(nèi)的光伏并網(wǎng)保護(hù)控制策略,極大地改善了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

        ⑤采用基于正反饋有功干擾的孤島檢測方法,避免對公共電網(wǎng)的電力污染。保護(hù)響應(yīng)快、可靠性高。

        綜上所述,采用以上關(guān)鍵技術(shù)研究形成的5kW 太陽能發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備,從輸出波形圖可以看出,三相系統(tǒng)具有較好的正弦輸出電流波形,且三相電流保持平衡。

        3 結(jié)束語

        本文比較完善的闡述了基于DSP的光伏并網(wǎng)設(shè)備的組成及其關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計的并網(wǎng)設(shè)備能夠有效實(shí)現(xiàn)光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電功能。在并網(wǎng)逆變器裝置設(shè)計過程中,利用高速的數(shù)字信號處理器和智能功率模塊硬件集成度高、保護(hù)功能強(qiáng)大、性能可靠等特點(diǎn)簡化了并網(wǎng)設(shè)備的硬件設(shè)計和成本,同時提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

        展望光伏逆變控制技術(shù)的發(fā)展,必將伴隨電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、新型功率器件及應(yīng)用、模塊電源技術(shù)的發(fā)展,其核心目標(biāo)就是要求逆變控制系統(tǒng)的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。由此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)未來的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新就是:新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計、智能控制技術(shù)的應(yīng)用,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合、高頻開關(guān)技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、智能監(jiān)測與保護(hù)技術(shù)、模塊化技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)、電磁兼容性更好等。

        [1]李俊峰,王仲穎主編,《中華人民共和國可再生能源法解讀》[M],化學(xué)工業(yè)出版社,2005

        [2]沈輝,曾祖勤主編,《太陽能光伏發(fā)電技術(shù)》[M],化學(xué)工業(yè)出版社,2005

        [3]趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛,袁立強(qiáng)主編,《太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用》[M],科學(xué)出版社,2005

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