劉建發(fā)

（湖南動力源電力勘測設(shè)計(jì)有限公司 湖南 長沙 410021）

前言

面對越發(fā)嚴(yán)峻的資源消耗危機(jī)和自然環(huán)境問題，全球范圍內(nèi)的可再生能源角度的開發(fā)項(xiàng)目開始成為當(dāng)今主流能源方面的的關(guān)鍵研究課題。在太陽光照射在由主要二極管構(gòu)成的電池板上面以后，此時光伏陣列能夠吸收來自外界的光能并保證自身吸收到的光能利用光電轉(zhuǎn)換作用輸出電能，該能源轉(zhuǎn)化流程即為太陽能光伏電池板正常發(fā)電的一般過程。因?yàn)楣夥l(fā)電形式與傳統(tǒng)模式的火力發(fā)電有所不同，并不需要消耗煤炭或者天然氣等傳統(tǒng)能源，所以在生產(chǎn)電能期間也不會排放各種有害氣體，不會對周邊環(huán)境造成污染，可以將其理解為一種節(jié)能減排、綠色環(huán)保的新型發(fā)電方式，并且正在漸漸成為一種電力能源領(lǐng)域結(jié)構(gòu)中的常見內(nèi)容，同時也被認(rèn)為是二十一世紀(jì)后最具應(yīng)用前景新型能源，被廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)中。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電原理與控制

1.1 光伏發(fā)電原理

因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)本身主要是憑借固有的光伏性能電池將來自太陽輻射產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成電能，因此其工作基礎(chǔ)屬于半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)生的光伏效應(yīng)。通過半導(dǎo)體P-N結(jié)在受光后，自身吸收的光照中會蘊(yùn)含一定的太陽能，此時P型硅或者N型硅中存在的電子均能夠高能光子激發(fā)下產(chǎn)生作用，進(jìn)而在共價(jià)鍵中得以進(jìn)一步激發(fā)，最終產(chǎn)生電子、空穴，對于電子和空穴而言，二者分別會向帶正電N區(qū)與帶負(fù)電P區(qū)發(fā)生運(yùn)動，因?yàn)榻缑鎸訋в械膶?shí)時電荷分離，此時P-N結(jié)兩端則會產(chǎn)生電壓，若此時將P-N結(jié)外部進(jìn)行短路作用，則會同步產(chǎn)生光電流。簡單來說，光伏效應(yīng)在此時感受到來自外界的光照作用，同時電池結(jié)構(gòu)中存在的P-N結(jié)則會將實(shí)時電荷作出能量形式的改變，最終產(chǎn)生電動勢反映效應(yīng)[1]。

1.2 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

單級光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)控制主要有下述三個方面的基本控制要求，分別為：MPPT控制、并網(wǎng)電流控制以及三環(huán)控制結(jié)構(gòu)或雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。針對兩級式類型的并網(wǎng)逆變直流濾波電容器而言，一般會在其前側(cè)為其設(shè)定DC/DC轉(zhuǎn)換器，同時保證后端DC/AC逆變器位置正確，并且電容器可以有效改變前后級差生的的能量等級，正式解除前后級之間存在的耦合現(xiàn)象，此時前級直流升壓能量轉(zhuǎn)換器能夠最高標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備而的最大功率點(diǎn)跟蹤任務(wù)，同時控制工作也更為出色，并且后級直流交流能量逆變器的實(shí)時控制要求主要為：前級、后級二者之間存在的連接直流側(cè)電壓處于恒定狀態(tài)，此時可以實(shí)現(xiàn)對并網(wǎng)實(shí)時電流的有效控制，根據(jù)產(chǎn)生的實(shí)時電壓指令，完成電網(wǎng)系統(tǒng)配置的任務(wù)，并保證無功功率調(diào)節(jié)作用有效[2]。

并網(wǎng)逆變器需要通過對自身的輸出電流做出有效的矢量控制，保證實(shí)現(xiàn)對輸出功率和設(shè)備無功功率的有效控制。具體控制操作如下：通過對設(shè)備中的兩端電壓控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)設(shè)備對輸出電流實(shí)時穩(wěn)定性，保證幅相控制作用實(shí)時且有效。因?yàn)槭噶糠较蛞约翱刂破骺刂谱兞看嬖谝欢ǔ潭鹊牟顒e，能夠?qū)⒐夥⒕W(wǎng)進(jìn)行改良，并將逆變器的實(shí)時控制策略合理轉(zhuǎn)化為閉環(huán)矢量控制體系，此間采取的應(yīng)對策略需要保證實(shí)效性，同時還需要主義功率閉環(huán)功率策略之間的區(qū)別[3]。在此期間，由于電流閉環(huán)控制矢量選用的控制策略需要對坐標(biāo)系進(jìn)行變換作用，將原本靜止?fàn)顟B(tài)下的坐標(biāo)系交流量代表的坐標(biāo)進(jìn)行變換，而后將其中的能量轉(zhuǎn)換成為一張與系統(tǒng)保持一致，同時實(shí)時角頻率轉(zhuǎn)速也需要主義，將其與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流量形式放在同一水平電壓上，利用比例積分調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)電流；因?yàn)橥幰粋€坐標(biāo)系下，此時的電流與電壓分量均會同步發(fā)生旋轉(zhuǎn)，所以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率解耦控制方面的效果極佳；針對電網(wǎng)電壓而言，需要保證系統(tǒng)定向矢量控制工作(VOC)、設(shè)備虛擬磁鏈?zhǔn)噶靠刂?VFOC)工作穩(wěn)定性，同時還需要將二者放置與同一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，此后階段的d軸參考方向會發(fā)生實(shí)時變化，所以會產(chǎn)生一定程度的差異性[4]。

1.3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

一般情況下，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)包括：并網(wǎng)光伏陣列、并網(wǎng)直流配電柜、并網(wǎng)逆變裝置以及負(fù)荷等幾個方面。系統(tǒng)發(fā)電全部過程如下：首先由太陽光照射太陽能電池塊，此時并網(wǎng)光伏陣列會發(fā)生變化，同時光生伏打效應(yīng)也會在此時發(fā)生，設(shè)備輸出直流電，此后經(jīng)由并網(wǎng)逆變器，最終實(shí)現(xiàn)直流電效應(yīng)，此后階段的交流電能量也會轉(zhuǎn)換，利用傳輸線將實(shí)時交流電完全輸送給系統(tǒng)的負(fù)載設(shè)備使用，期間的各項(xiàng)儲能裝置均可以光伏發(fā)電產(chǎn)能過剩的情況下吸收多余電能，還可以在光照不足或者發(fā)電量不能有效滿足負(fù)荷要求的情況下將自身存儲的能量予以釋放，因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器本身的原因，主系統(tǒng)中需要保證配置結(jié)構(gòu)的合理性，由太陽能量為首選條件，保證量級控制部件的使用性能正常，功率優(yōu)化控制部件、并網(wǎng)故障保護(hù)部件以及充放電控制等均能夠發(fā)揮出非常良好的作用[5]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制

2.1 最大功率跟蹤原理.

系統(tǒng)最高功率跟蹤主要是指光伏電池在將接收到電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，始終保持自身的最大輸出功率，同時還需要以最高標(biāo)準(zhǔn)利用太陽能發(fā)電控制技術(shù)，借助對電路占空比控制作用的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出功率方面的改變。因?yàn)楣夥姵刈陨砉β瘦^大，與其兩端電壓和經(jīng)過電流的乘積大致相等，所以在其經(jīng)過對功率檢測后，能夠得知最終階段的光伏電池狀態(tài)，在上述內(nèi)容基礎(chǔ)上，可以對控制信號加以調(diào)節(jié)和控制，保證最終階段的電流變化穩(wěn)定且有效，使光伏電池能夠維持最佳作業(yè)狀態(tài)，保持最高功率輸出效率。因?yàn)楝F(xiàn)有光伏電池特性不同，各種等效電路差異性較大，主要為非線性元件，所以此后階段的輸出特性不甚統(tǒng)一，流程復(fù)雜且分析難度較大，下文主要將簡單線性電路作為研究案例，針對最大功率原理展開說明，強(qiáng)化最佳功率輸出原理[6]。

2.2 最大功率跟蹤的基本拓?fù)?/h3>

兩級式并網(wǎng)逆變器，其自身最大功率如圖1內(nèi)容所示。圖中的一級是直流Boost升壓變換器，該設(shè)備能夠控制PWM信號，實(shí)現(xiàn)升壓作用。檢測PV光伏板設(shè)備，保證其電壓和電流穩(wěn)定性，根據(jù)功率算法展開計(jì)算，此時電壓參考值為Ue，對光伏電池進(jìn)行測試，并采樣輸出電壓，保證輸出電壓穩(wěn)定，同時將光伏電池為標(biāo)準(zhǔn)，使電壓參考值處于相減狀態(tài)，將得到的最終電壓指令進(jìn)行記錄，并將其輸入控制器，此時三角載波器會將PWM控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時還會對Boost升壓變換器進(jìn)行處理，保證其電壓處于閉環(huán)控制狀態(tài)下；第二級屬于光伏并網(wǎng)逆變器控制拓?fù)?，設(shè)備電壓控制期間，可針對實(shí)時直流電壓調(diào)節(jié)，保證直流電壓趨于穩(wěn)定，同時內(nèi)環(huán)電流也需要主義，保證控制工作的有效性，并調(diào)節(jié)輸出因數(shù)[7]。

3 分布式光伏發(fā)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光伏電池組件選型

對于單晶硅太陽能電池而言，其自身主要由單晶硅棒構(gòu)成，并且構(gòu)成材料純度較高，這樣能夠使發(fā)電效率得到進(jìn)一步保證。再加上單晶硅太陽能電池本身具有特殊性，其設(shè)計(jì)方式、制造工藝相對成熟，并且該設(shè)備的生產(chǎn)成本很低，所以，很多太陽能電池在今日依舊使用單晶硅棒材料。一般情況下，單晶硅太陽能實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率較高，可以到達(dá)15%以上，但此間生產(chǎn)材料性能會存在一定的問題，同時電池不存在倒角，所以發(fā)電面積較小，根據(jù)工程最終運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，太陽能電池運(yùn)行期間，如果投入過多能量，電池功率產(chǎn)生的實(shí)際消耗速度較慢。如現(xiàn)有工程中的光伏板安裝面積比較小，但工程對發(fā)電量的需求較高，面對這種情況時，設(shè)計(jì)人員可以首先考慮單晶硅太陽能電池，通過這種方式滿足工程建設(shè)需求[8-9]。

3.2 光伏并網(wǎng)逆變器及其結(jié)構(gòu)選擇

光伏并網(wǎng)逆變器極為重要，屬于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中重要組成部分，按照隔離變壓器運(yùn)行原理，可將其分為隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器兩種，因?yàn)樽儔浩鲗?shí)際頻率存在差別，同時工頻和高頻也有著較大差別，所以可將隔離型光伏并網(wǎng)逆變器繼續(xù)細(xì)分為工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器[10]。

針對工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行分析，該設(shè)備輸入和輸出功率并不存在直接聯(lián)系，沒有直接耦合關(guān)系，因此可有效避免輸入作業(yè)造成的干擾，同時輸出信號會受到的影響也可以得到有效控制。主控電路系統(tǒng)也需要主義，自身電路拓?fù)浯蠖啾容^簡單，但是工頻變壓器具有轉(zhuǎn)化作用，高電壓可由其變換為設(shè)備運(yùn)行所需的低電壓，能夠?yàn)闄z修人員提供人身安全保障，同時也可以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在直流輸入電壓后，影響變化范圍會擴(kuò)大時，此間的輸出與輸入需要保持匹配狀態(tài);再加上工頻變壓器自身并不具備直流電專遞效用，所以可以降低飽和現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要針對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時最大跟蹤控制能力及并網(wǎng)逆變控制技術(shù)展開研究，對光伏并網(wǎng)后續(xù)響應(yīng)現(xiàn)象加以明確分析。通過對分布式光伏發(fā)電站最終設(shè)計(jì)方案的總結(jié)，指出選用兩級式并網(wǎng)逆變器MPPT單環(huán)控制結(jié)構(gòu)以后能夠取得更為優(yōu)質(zhì)的使用效果，本文主要研究下述兩方面內(nèi)容：

(1)選用兩級式并網(wǎng)逆變器MPPT單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對能夠滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)，且可靠性要求能做出大幅度的調(diào)整，保證可變步長電導(dǎo)增量MPPT控制算法有效性。最終階段結(jié)果能夠充分驗(yàn)證MPPT設(shè)計(jì)方案，明確其控制方法切實(shí)可行，可以更加有效的效避免功率振蕩或者誤判問題的發(fā)生。

(2)與傳統(tǒng)形式的PI控制方式做出對比，并網(wǎng)電流發(fā)生畸變的概率較低，并且動態(tài)響應(yīng)速度要更加快捷：當(dāng)電網(wǎng)電壓處于不平衡狀態(tài)時，可以有效消除并網(wǎng)電流中存在的負(fù)序分量，也能夠有效保證并網(wǎng)電流運(yùn)行的正弦化狀態(tài)；上述控制在使用期間并不需要鎖相環(huán)。