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        家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)研究

        2019-01-03 02:30:24旦望云
        電子制作 2018年24期
        關(guān)鍵詞:交流電單相家用

        旦望云

        (河南省許昌高級(jí)中學(xué),河南許昌,461000)

        0 引言

        在全球及經(jīng)濟(jì)技術(shù)高速發(fā)展的今天,資源的匱乏和環(huán)境的污染在一定程度上束縛了發(fā)展速度的遞增,太陽(yáng)能作為一種清潔能源技術(shù)已經(jīng)成為了經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展的潛在需要[1]。隨著我國(guó)對(duì)清潔能源技術(shù)的支持力度的加大,不少家庭都建設(shè)了家用太陽(yáng)能發(fā)電裝置,以實(shí)現(xiàn)電力能源的自給自足,同時(shí),也出現(xiàn)了家用太陽(yáng)能發(fā)電過(guò)剩情況,因此需要將剩余電力反饋回電網(wǎng),避免電力能源的浪費(fèi),針對(duì)該問(wèn)題,國(guó)家相關(guān)部門也出臺(tái)了有關(guān)政策支持,但是將剩余電力反饋到電網(wǎng)是一個(gè)極其復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題,需要得到及時(shí)的解決,才能達(dá)到并網(wǎng)目的。

        本文結(jié)合對(duì)國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)的家用太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)政策,針對(duì)并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析闡述,重點(diǎn)將論述家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略,以此拓展對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電原理與電網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)的理解。

        1 家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

        一般說(shuō)來(lái),當(dāng)前主流的太陽(yáng)能發(fā)電有兩種實(shí)現(xiàn)方式,分別為太陽(yáng)能熱發(fā)電和太陽(yáng)能光發(fā)電[2]。所謂太陽(yáng)能熱發(fā)電是指將太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)(如水)的熱能,然后借助熱機(jī)(如汽輪機(jī))實(shí)現(xiàn)熱能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)化[1][3]。太陽(yáng)能光發(fā)電是與熱發(fā)電相對(duì)應(yīng)的,是指直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N利用方式,本文闡述的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電就屬于太陽(yáng)光發(fā)電類型。

        1.1 系統(tǒng)組成與原理

        家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池組(電池陣列)、太陽(yáng)能控制器(充電控制器與放電控制器)與逆變器三大部分組成[4],系統(tǒng)如圖1所示。

        太陽(yáng)能電池板(電池陣列)是發(fā)電的核心元件其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化為電能,供家庭用電使用,或輸送到蓄電池中。蓄電池會(huì)將電能進(jìn)行儲(chǔ)存在光照發(fā)電不能滿足用電需求時(shí),將電力進(jìn)行釋放。太陽(yáng)能控制器起到控制太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對(duì)蓄電池充電及放電過(guò)程保護(hù)(如在溫差過(guò)大時(shí)提供溫度補(bǔ)償)。逆變器是并網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵,它將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電并入到電網(wǎng)。

        圖1 家用太陽(yáng)能系統(tǒng)組成示意圖

        1.2 系統(tǒng)功能的分析

        本文研究的家用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)屬于小規(guī)模發(fā)電,通常都是屬于光伏發(fā)電,對(duì)于一般的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,其基本過(guò)程是借助太陽(yáng)能陣列將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能,根據(jù)不同的使用方式,發(fā)出的電能傳遞與轉(zhuǎn)換方式有多種,對(duì)應(yīng)的變換器種類也有不同,如可以是從太陽(yáng)能電池到電網(wǎng)的DC(Direct Current)/AC(Alternating Current)變換,也可以先經(jīng)過(guò)DC/DC變換,再經(jīng)過(guò)DC/ AC變換組成兩級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)程。對(duì)于家用這種小功率光伏發(fā)電系統(tǒng),由于實(shí)際輸出電壓比較低,因而通常需要先經(jīng)過(guò)DC/DC變換升壓,然后再通過(guò)DC/AC逆變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的傳送[5]。

        家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一般功能可以分為四種,分別為直接向直流負(fù)載供電、蓄電池儲(chǔ)能充電、經(jīng)過(guò)逆變器向交流負(fù)載供電或向外電網(wǎng)送電。

        (1)家用太陽(yáng)能向直流性質(zhì)負(fù)載直接供電:由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的是直流電,可以通過(guò)DC/DC充放電控制器向直流性質(zhì)的負(fù)載供電,如太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)。

        (2)家用太陽(yáng)能向蓄電池儲(chǔ)能充電:蓄電池儲(chǔ)能充電的功能是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái),到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。

        (3)家用太陽(yáng)能向交流負(fù)載供電:在有光照的情況下,太陽(yáng)電池組給能向蓄電池充電,蓄電池通過(guò)獨(dú)立逆變器逆變成交流電,給交流負(fù)載供電。

        (4)家用太陽(yáng)能向外電網(wǎng)送電:太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電,向公共電網(wǎng)送電。

        2 家用太陽(yáng)能并網(wǎng)技術(shù)

        家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就像一個(gè)小型的發(fā)電廠,其并網(wǎng)也必須滿足基本并網(wǎng)要求,但由于太陽(yáng)能電池陣列發(fā)出的是直流電,因此其必須經(jīng)過(guò)一個(gè)直流電變換為交流電的過(guò)程,即逆變過(guò)程,這是太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)的關(guān)鍵所在。

        2.1 逆變器工作過(guò)程分析

        太陽(yáng)能光伏發(fā)電由于受外部環(huán)境條件影響,其發(fā)電具有間歇性與波動(dòng)性等不確定性特點(diǎn),要想接入輸配電網(wǎng),必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的參數(shù)控制,才能保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。逆變器就是一種將直流電變換成交流電的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備,在家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中,通過(guò)借助這種電能轉(zhuǎn)換裝置太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)輸出的低壓直流電逆變轉(zhuǎn)換成220V伏的交流電,以供給常規(guī)交流負(fù)載使用或直接并入電網(wǎng)。如當(dāng)有正常日照時(shí),太陽(yáng)能電池陣列可以將光能直接轉(zhuǎn)換為電能,產(chǎn)生一定電壓的直流電,然后在DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換成220V交流電供電氣設(shè)備使用。如果家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電力超過(guò)家用電器設(shè)備負(fù)荷時(shí),可以通過(guò)單相逆變轉(zhuǎn)換裝置將剩余的電力饋送到外部交流電網(wǎng),該過(guò)程為送電到電網(wǎng),相反,如果所發(fā)的電量無(wú)法滿足家用電氣設(shè)備使用時(shí),聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可從外部交流電網(wǎng)輸入電能。基本原理如圖2所示。

        圖2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

        家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過(guò)程本質(zhì)上是將直流電逆變?yōu)榻涣麟?,將直流電逆變?yōu)閱蜗?20交流電,如式(1)所述,采用的單相并網(wǎng)逆變器原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 單相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

        單相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)由直流輸入端口、穩(wěn)壓濾波電容、單相全橋逆變電路、并網(wǎng)濾波器組成,逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率較高,但是整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的所有控制算法都集中在逆變環(huán)節(jié)中,這導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的控制系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜。

        2.2 太陽(yáng)能并網(wǎng)要求分析

        由于電網(wǎng)傳輸?shù)碾娏δ茉词蔷哂泄逃械姆?、頻率和相位的。從電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)要求可知,單相并網(wǎng)技術(shù)主要有以下三個(gè)方面的要求:一是發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)一致;二是發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)相同;三是發(fā)電機(jī)的激磁電勢(shì)動(dòng)能與電網(wǎng)壓力大小相等,且相位一致,以上多個(gè)條件如不同時(shí)滿足,則極易造成電路紊亂等嚴(yán)重后果,輕則導(dǎo)致電網(wǎng)輸電配電質(zhì)量不好,重則導(dǎo)致重大電力生產(chǎn)安全事故。

        2.3 太陽(yáng)能并網(wǎng)控制策略

        家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變控制目標(biāo)是通過(guò)有效的控制策略與控制算法,控制單相并網(wǎng)逆變器的輸出電流為特定要求的正弦電流,常見(jiàn)的如式(1)所示,要求并網(wǎng)逆變器輸出交流電與外部電網(wǎng)在幅值、頻率、相位和相序上要保持一致,因此必須制定科學(xué)合理的控制策略實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制目標(biāo)。

        綜上所述,家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電池陣列輸出的是低壓直流電,必須經(jīng)過(guò)特定的轉(zhuǎn)變才能與外部電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng),例如需要逆變、控制、檢測(cè)和保護(hù)等技術(shù)保障。當(dāng)然在常規(guī)情況下,這種單相逆變器必須和發(fā)電系統(tǒng)控制器相互協(xié)調(diào)配合、共同控制太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。

        3 結(jié)論

        家用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展應(yīng)用,本文從基于最簡(jiǎn)單的家用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理及其相應(yīng)的并網(wǎng)技術(shù)。從研究結(jié)果來(lái)看,太陽(yáng)能并網(wǎng)過(guò)程必須進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保逆變器輸出的交流電參數(shù)滿足并網(wǎng)要求,減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊和干擾,同時(shí)家用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)也要能應(yīng)對(duì)外部環(huán)境變化帶來(lái)的不確定性,如光照強(qiáng)度、溫度及家用負(fù)載的變化,必須通過(guò)特定的調(diào)節(jié)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行目標(biāo)。相信通過(guò)相關(guān)技術(shù)的成熟發(fā)展和應(yīng)用積累,太陽(yáng)能發(fā)電將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用,為人類清潔利用能源提供有力途徑。

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