湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周迎春 胡志軍 肖慧慧

太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 周迎春 胡志軍 肖慧慧

隨著科學(xué)技術(shù)、工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展、社會生活水平的提高，居民用電、商業(yè)用電等社會用電量也急劇上升，而在新能源、低碳經(jīng)濟等理論的指導(dǎo)下，太陽能并網(wǎng)PWM發(fā)電技術(shù)也在不斷地進(jìn)步。因此，為了滿足龐大的用電需求和環(huán)保經(jīng)濟發(fā)展的高要求，對太陽能等新能源、可再生能源的并網(wǎng)發(fā)電及其PWM逆變系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探索以脈沖逆變系統(tǒng)為關(guān)鍵性技術(shù)的散布式發(fā)電技術(shù)、微型能源發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)等發(fā)電技術(shù)，以便于能夠提高供電質(zhì)量，促進(jìn)可再生能源的替代作用的發(fā)揮，推動新型能源的運用與發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)低碳經(jīng)濟發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)。

太陽能；新型能源；并網(wǎng)發(fā)電；PWM逆變系統(tǒng)；低碳經(jīng)濟

1.前言

隨著用電量急劇增長與不可再生資源發(fā)電之間的矛盾日益尖銳，太陽能等新型可再生能源發(fā)電、供電技術(shù)及其市場也在不斷地發(fā)展，而作為其關(guān)鍵技術(shù)的PWM逆變并網(wǎng)系統(tǒng)也在不斷地更新。通過對并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的電流與電壓閉環(huán)控制、抗孤島效應(yīng)保護(hù)功能、最大功率點的跟蹤控制等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，探究太陽能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，以便于促進(jìn)可再生能源在發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展，推動環(huán)保、綠色工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。

2.太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

2.1 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的概述

太陽能并網(wǎng)發(fā)電主要是指將太陽能不經(jīng)過蓄電池儲能而通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流，并將其輸送至電網(wǎng)；直流并網(wǎng)是太陽能等可再生能源的發(fā)展方向，也是能源利用技術(shù)的進(jìn)步。其發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是利用光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能量轉(zhuǎn)換成直流電能，經(jīng)逆變器變換為交流電進(jìn)行并網(wǎng)的一種發(fā)電系統(tǒng)，主要由光伏陣列、逆變器等部分組成。其中太陽能電池組件（通過導(dǎo)線對密封的太陽能電池物理單元進(jìn)行連接）對于電壓的控制較為靈活，可以依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娏?、電壓不同的要求來進(jìn)行組合、拆卸，且具有防風(fēng)、防雨、防腐、防雹的功能，能夠靈活地提供電流與電壓；逆變器（直流/交流）是對太陽能電池所發(fā)出的直流電進(jìn)行控制變換為交流電的組件，可以分為并網(wǎng)逆變器和獨立運行逆變器，并網(wǎng)逆變器多運用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中，便于將發(fā)出的電能反饋入電網(wǎng)之中。

2.2 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點

從現(xiàn)運行的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的效益來看，和傳統(tǒng)的離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)相比較，可以發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有清潔干凈、可循環(huán)無污染運行、成本下降、與建筑物之間的契合度高、可以分布式建設(shè)、調(diào)峰作用強等優(yōu)勢。由于太陽能并網(wǎng)發(fā)電所利用的能源主要是可再生的、清潔干凈的自然能源，且不需要蓄電池進(jìn)行電能的儲存，不僅能夠減少污染物、溫室氣體的排放，還能夠減少蓄電池的二次污染，提高系統(tǒng)中平均無故障時間，同時與建筑材料、裝飾材料之間的協(xié)調(diào)度高，能夠增強物質(zhì)資源的利用效率，在電網(wǎng)的輸送、輸出過程中靈活性較強，低于災(zāi)害、戰(zhàn)爭的性能較強，負(fù)荷平衡、線路損耗等問題都能得到改善，以促進(jìn)太陽能并網(wǎng)發(fā)電的推進(jìn)。

2.3 PWM逆變系統(tǒng)

PWM逆變系統(tǒng)是太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，主要是依靠脈沖寬度來對電壓輸出（周期的改變）進(jìn)行控制，包括了脈寬PWM法、相電壓控制PWM、SPWM法、隨機PWM、線電壓控制PWM等技術(shù)，將調(diào)頻、調(diào)壓的作用進(jìn)行整合，忽略直流環(huán)節(jié)，這樣就能夠抑制甚至消除低次諧波，提高調(diào)節(jié)速度，優(yōu)化動態(tài)性能，得到近似于正弦波的輸出電壓，且結(jié)構(gòu)簡單，硬件的成本較低，有利于太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)大面積的推廣。

2.4 分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的要求

依據(jù)國際上和國內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的各項基本標(biāo)準(zhǔn)來看，分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在對電網(wǎng)干擾因素、并網(wǎng)電流直流分量和波形質(zhì)量（送入電網(wǎng)的電壓應(yīng)為波形畸變率小、直流分量小的正弦波）、電磁兼容等基礎(chǔ)性內(nèi)容有著高要求；還對并網(wǎng)逆變器監(jiān)控系統(tǒng)的性能、運行狀態(tài)、所監(jiān)控電網(wǎng)的頻率與電壓（系統(tǒng)啟動停機的條件判斷）有著更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時還要求電網(wǎng)必須具備分散集中式的保護(hù)功能（抗孤島效應(yīng)保護(hù)等）。

3.太陽能并網(wǎng)控制的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 PWM電流控制技術(shù)

在太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，多采用電壓控制模式、電流控制模式，讓電網(wǎng)的饋入電流波形呈現(xiàn)出正弦波質(zhì)量，再利用無差拍控制法、預(yù)測電流控制法、滯環(huán)電流控制法、重復(fù)控制法、PI控制載波調(diào)制法等方法進(jìn)行脈沖寬度與電壓、電流輸出頻率、諧波參數(shù)的控制。其中無差拍控制預(yù)測電流控制法，是在精確的元件參數(shù)與電路模型準(zhǔn)備就緒后，利用電流、電壓輸出可測的反饋信號，靈活計算出下一個啟動、停用周期所需要的PWM脈沖寬度，同時將被控制電流的一個停用、啟動周期值設(shè)置為定值。

3.2 抗孤島效應(yīng)保護(hù)

孤島效應(yīng)是在電網(wǎng)供電檢修、用戶設(shè)備維護(hù)過程中出現(xiàn)的造成作業(yè)人員人身損害的危險源，這就要求了并網(wǎng)系統(tǒng)要具備實時監(jiān)測電網(wǎng)的頻率、電壓的功能，同時還能在電網(wǎng)異常時及時斷開連接。但是在實際的太陽能發(fā)電并網(wǎng)過程中，逆變器輸出的電流與電網(wǎng)的頻率特性、負(fù)載容量總是不相符，甚至系統(tǒng)內(nèi)的頻率、電壓嚴(yán)重超過電網(wǎng)與逆變器的正常工作范圍。因此，在單級逆變器高壓中引入PWM逆變控制器，讓載波幅度與電流控制器參數(shù)都依據(jù)電壓的變化而變化，建立起交流能量與直流能量之間能夠解耦的母線濾波電容、電壓控制模型，進(jìn)而減少孤島效應(yīng)的發(fā)生。

4.結(jié)語

太陽能等可再生能源的光伏類發(fā)電技術(shù)是我國新型能源及其利用的重要組成部分，其在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中有著重要的意義，運用逆變控制器中的PWM逆變系統(tǒng)對其最大功率電的跟蹤控制、抗孤島效應(yīng)保護(hù)等領(lǐng)域有著階段性、歷史性的作用，同時在單級式光伏逆變系統(tǒng)中針對不同的電壓、功率、頻率來調(diào)整其脈沖寬度、變頻逆變控制器參數(shù)，進(jìn)而控制電網(wǎng)饋入、輸出過程中的電流、電壓與功率，減少孤島效應(yīng)帶來的人身危險，減少太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的投資成本，進(jìn)一步提高太陽能等可再生清潔、自然能源的利用率，推動綠色、環(huán)保、可持續(xù)的循環(huán)電力經(jīng)濟的發(fā)展，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。

[1]趙杰.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D].天津大學(xué),2012.

[2]田旦瑜.具有電網(wǎng)電壓支撐能力的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方法研究[D].湖南大學(xué),2016.

[3]張彬.小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT及并網(wǎng)逆變器控制方法研究[D].湖南工業(yè)大學(xué),2015.

[4]陳煒,艾欣,吳濤,劉輝.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動化設(shè)備,2013,(02):26-32+39.

[6]李瑞,房志軍.光伏系統(tǒng)中孤島效應(yīng)檢測技術(shù)的仿真分析[J].變頻器世界,2012,(08):57-65.

周迎春（1972－），漢族，女，湖南湘潭人，大學(xué)本科，副教授，湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。

胡志軍（1965－），漢族，男，湖南湘鄉(xiāng)人，大學(xué)本科，副教授，湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

肖慧慧（1982－）漢族，女，湖南邵陽人，碩士研究生，講師，湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院。