華電分布式能源工程技術(shù)有限公司 張 希

隨著民族工業(yè)的發(fā)展,電力核能、熱能、水電等傳統(tǒng)能源是發(fā)電部門用來發(fā)電的能源的主要組成部分,而化石能源在其中所占的比重是相當(dāng)可觀的,隨著化石能源的進(jìn)一步不斷消耗,人們面臨著越來越嚴(yán)重的能源危機。本世紀(jì)初的相關(guān)調(diào)查得出在主要的傳統(tǒng)能源中,煤炭開采周期最長為227年,油氣開采周期僅為50年左右,幾乎沒有化石能源可以繼續(xù)開采，人類將面臨能源不足的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)所消耗的資源占世界能源負(fù)擔(dān)的90%以上。但是它也有一些缺點。首先,它們不能靈活地跟蹤負(fù)載的變化,微電網(wǎng)通過對不同時段的電路負(fù)荷、儲能和發(fā)電機構(gòu)成可以有效控制的系統(tǒng)，可以對熱能進(jìn)行有效的調(diào)配。分布式發(fā)電的方法應(yīng)用效果好,污染低,靈活性強，易于安裝。但是過量的應(yīng)用有可能引入多種不同的干擾,光伏發(fā)電技術(shù)路線成熟,可以實現(xiàn)再生,因此被認(rèn)為是不可或缺的微電源。為此,有必要分析光伏發(fā)電芯片的具體生成路徑,分析每段時間內(nèi)電源的動態(tài)特性和波動頻率。微型電源是微網(wǎng)中的主要電源,微型電網(wǎng)不僅可以連接到公用網(wǎng)絡(luò)上運行,還可以獨立于公用網(wǎng)絡(luò)公司。如果發(fā)生故障或要求網(wǎng)絡(luò)。光伏發(fā)電具有可再生的優(yōu)點,無排放、安裝舒適、技術(shù)先進(jìn),將成為微網(wǎng)絡(luò)中重要的微電源。

1 光伏發(fā)電模型及波動特性

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的模型主要由兩部分組成：光伏陣列模型和逆變器。逆變器技術(shù)可用于單級和多級逆變器，雖然提高功率轉(zhuǎn)換率使得光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤和直流電壓范圍容易實現(xiàn)，但是單級逆變器損耗小、電力電子器件少、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的控制和更高的轉(zhuǎn)換效率。獨特的光伏發(fā)電模型集成了逆變器和光伏陣列，并形成了完整的燈箱電路模型[1]。在建立模型時要充分考慮光伏電路系統(tǒng)中的各部分電流，預(yù)設(shè)常數(shù)和測量值電池溫度，進(jìn)而得出他們間的關(guān)系表達(dá)式。它們與短路電流和入射光強度有關(guān)，二極管的電流變化取決于溫度的變化，對于光伏建筑來說宜采用單級電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1 光伏陣列模型

太陽能電池必須按標(biāo)準(zhǔn)連接、并聯(lián)和包裝形成完整的太陽能電池組件，此時才能實現(xiàn)光伏發(fā)電。光伏組件的性能通常在幾十瓦到幾百瓦之間，光伏陣列由多個太陽能電池組件串聯(lián)而成，它發(fā)電效率的高低可直接對光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量利用和轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響，最小的供電單位是光伏電池片，單個的光伏電池輸出峰值電流只有1W左右，輸出電壓卻僅僅只有零點幾伏左右，且由于其安裝和使用難度大，電池的容量也不能滿足電網(wǎng)工作時負(fù)載對電池容量的需求，所以必須將大量的太陽能電池組合起來構(gòu)成組合體，這就是為什么必須有幾個、幾十個或數(shù)百個單獨的太陽能電池串聯(lián)對光伏發(fā)電進(jìn)行實現(xiàn)的原因，可以通過多個光伏電池板的組合使電池可以產(chǎn)生足夠功率的電能。

包裝前的組合稱為光伏組件，被包裝后成為光伏組合板，廣泛應(yīng)用光伏電池的基本單元就是所謂的光伏電池板，輸出的電壓可達(dá)到十幾伏甚至是幾十伏，負(fù)載的帶動能力有了明顯的提升，再將電池板并聯(lián)或串聯(lián)可進(jìn)一步增強其帶動負(fù)載電路的能力，在這樣的思路下，根據(jù)具體的電源發(fā)電負(fù)載能力要求進(jìn)一步將組合板構(gòu)成陣列，可實現(xiàn)光伏陣列的制備[2]。對于單個的光伏電池已有了相應(yīng)的等效電路模型，在此模型之下，并聯(lián)著的電阻是單個光伏發(fā)電板的漏電阻，是一個串聯(lián)的等效電阻，由此得出的電池可提供的最大電流，通過計算模型中的相應(yīng)參數(shù)，結(jié)合熱電勢的計算方法對并聯(lián)的較大電阻和串聯(lián)的較小電阻對公式中復(fù)雜的參數(shù)進(jìn)行忽略和對公式本身進(jìn)行簡化可得出簡化后的等效電路模型，使得電池的模型更為清晰明了。

光伏陣列由串聯(lián)的光伏組件通過串并聯(lián)實現(xiàn)。太陽能組件的串并聯(lián)數(shù)量與微電網(wǎng)的發(fā)電性能息息相關(guān)，所以在設(shè)計串并聯(lián)方式時應(yīng)當(dāng)充分考慮。在設(shè)計時需選用相同或相似工作電流串聯(lián)的電池組件，否則會出現(xiàn)能源浪費的問題。串聯(lián)光伏電池板的個數(shù)與光伏電池的總電壓成正比。串聯(lián)組件的個數(shù)確定主要是根據(jù)功率逆變器的直流電壓要求同時還有電池的浮充電壓，線損及溫度變化對太陽能電池的影響考慮。如果選擇的串聯(lián)個數(shù)不合適會導(dǎo)致總電壓太低，不能滿足正常電池充電要求，可能出現(xiàn)光伏電池只超過電壓但沒有輸出功率的情況，光伏陣列的總流量可通過確定光伏電池板的并聯(lián)數(shù)量來確定，特別是每天的總負(fù)載消耗量、當(dāng)?shù)馗叻迦照諘r數(shù)的平均值等，在實際的模型構(gòu)架過程中，受控電流源能夠更準(zhǔn)確的表達(dá)電路系統(tǒng)的動態(tài)特性，也可結(jié)合前面單個光伏電池的等效電路計算公式得出光伏電池組件的模型計算公式，進(jìn)而對其電學(xué)性能進(jìn)行分析。

通過對單個組件在不同光照條件下的電學(xué)性能可以看出，特性曲線具有很強的非線性，既不是恒定電流源也不是恒定電壓源，對負(fù)載也不是可以任意提供不同大小的功率，在電壓值較高的區(qū)域，電壓沒有發(fā)生很大的變化、電流的變化范圍較大，研究中將其視為電壓源區(qū)，低壓區(qū)則相反，電壓的變化范圍大但電流大小沒有明顯變化，所以可視為電流源。實驗得到不同的特性曲線表明連接溫度的變化可能會顯著改變光伏電池在輸出電流方面的特性。提高環(huán)境的溫度會導(dǎo)致短路電流小幅增加，這將導(dǎo)致電池開路電壓的顯著降低[3]。通常光伏電池的輸出為負(fù)溫度系數(shù)，太陽能電池的效率取決于電池之內(nèi)pn結(jié)的工作溫度。

1.2 光伏逆變器

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是十分關(guān)鍵的一部分，逆變器的變換效果對光伏電池的電能質(zhì)量具有直接的影響，隨著逆變器種類的增多和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電實現(xiàn)了在國家生產(chǎn)和日常生活多個領(lǐng)域的靈活應(yīng)用，對于高性能的太陽能功率逆變器來說，電路網(wǎng)絡(luò)類型的選擇是非常重要的，因為系統(tǒng)電路的設(shè)計主要是以效率、成本、功耗、功耗等為核心的，對保證系統(tǒng)的安全可靠性具有直接的影響。常見的光伏逆變器結(jié)構(gòu)可分為單級和多級。

單級變壓器具有高魯棒性、低成本與結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，然而系統(tǒng)的性能因數(shù)低于0.7，且諧波較大。在這樣的電路結(jié)構(gòu)中包含的高頻開關(guān)電子器件和PWM逆變器的使用可以較好的解決輸出交流電的諧波問題。直流輸入電壓比較低的情況下，有必要使用交流變壓器增加電壓以獲得正常的交流電壓和頻率，同時需要注意輸入和輸出之間的電分離，在光伏逆變電路采用工頻變壓器結(jié)構(gòu)是逆變器低壓側(cè)絕緣變壓器必不可少的優(yōu)勢，逆變橋使用低電壓MOSFET器件實現(xiàn)高頻電流的提供可有效節(jié)省開關(guān)器件的成本，此外這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也適用于大規(guī)模光伏發(fā)電。在綜合兩者優(yōu)點的前提下，盡可能利用直流輸入電壓數(shù)值的提升來提高逆變器的轉(zhuǎn)換性能。

對于三相的逆變器的控制和使用，根據(jù)控制方式的不同光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器可以有多種不同控制方式，對于電壓源的光伏逆變器，逆變器網(wǎng)絡(luò)化運行的輸出控制方式可分為電壓控制方式和電流控制方式。如果所連接的逆變器采用電壓調(diào)節(jié)器電源，在這種情況下需完成逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)的電壓相位以便穩(wěn)定運行。為確保兩者的輸出順序，所以繼續(xù)對此控制方法開展更多的研究具有很大的必要性。用于控制逆變器輸出的電流只能通過跟蹤電源電壓來控制，逆變器和電源電壓可在相同的頻率和相位上控制，電流源控制的前提是將網(wǎng)絡(luò)逆變器的輸出流量作為受控量，以相同的頻率和相位產(chǎn)生電源和電源電壓，輸出電流必須實時控制，進(jìn)而實現(xiàn)光伏逆變器輸出電流的穩(wěn)定，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器控制的目標(biāo)的是光伏系統(tǒng)輸出功率的解耦和最大功率點跟蹤[4]。

對于單相逆變器，控制模式也分為電壓型和電流型兩種。電流型應(yīng)用更為廣泛，在間接電流控制中，基于穩(wěn)態(tài)的間接流量控制是基于PWM基極電壓矢量的幅值和相位，以及穩(wěn)態(tài)電流矢量的設(shè)置閉環(huán)控制，最后實現(xiàn)SPWM電壓的控制，雖然這種方法的檢測和實現(xiàn)更為簡單，但存在電流的直流偏移量，特別是暫態(tài)電流幾乎是穩(wěn)態(tài)電流的兩倍，而且它是動態(tài)的，狀態(tài)反應(yīng)比較慢，存在轉(zhuǎn)換的延遲和滯后；直接控制方式中，直流控制器首先通過特定的計算接收交流功率指令，通過分析交流電流的反饋信號狀況完成電流的轉(zhuǎn)換和跟蹤任務(wù)。反饋電流與給定的參考電流相比的控制方式即為電流滯后控制。如果反饋電流低于參考電流的某個值，應(yīng)調(diào)整主斷路器的狀態(tài)以增加系統(tǒng)的輸入側(cè)電流；否則，如果反饋電流高于參考電流的規(guī)定值則應(yīng)調(diào)整主斷路器的狀態(tài)，為了減小系統(tǒng)的輸入側(cè)電流，滯環(huán)比的連續(xù)自適應(yīng)可以實現(xiàn)輸入電流跟隨給定電流并且處于滯環(huán)狀態(tài)。這種電路很容易用模擬器實現(xiàn)和控制，但是如果功率器件的開關(guān)頻率很高，對負(fù)載和開關(guān)參數(shù)的變化不敏感，反應(yīng)速度非?？?，空間矢量調(diào)制逆變器空間電壓矢量開關(guān)對開關(guān)頻率進(jìn)行改變實現(xiàn)了電路性能的改善。對于固定開關(guān)頻率方法，雖然具有實現(xiàn)簡單、算法簡單、物理意義明確的優(yōu)勢，但同時也由于電網(wǎng)側(cè)變壓器結(jié)構(gòu)簡單和濾波效率低限制了電力設(shè)備的功率損耗，通過對連接電流的閉環(huán)調(diào)節(jié)，輸出電流中含有較少的諧波信號，使其經(jīng)常處于諧波要求嚴(yán)格的情況下使用。

在實際的光伏發(fā)電中，光的強度和太陽能電池的溫度都會發(fā)生動態(tài)的變化。確保光伏陣列在規(guī)定的光強和溫度下在最大功率點運行，光伏陣列在相應(yīng)的電壓下運行，因此需要實現(xiàn)最大性能點的跟蹤。最大性能點跟蹤策略：實時識別光伏陣列的輸出性能，使用特定的控制算法，預(yù)測陣列在當(dāng)前工作條件下的最大可能性能，并通過改變電流來滿足最大性能的要求阻抗情況。當(dāng)光伏電池連接溫度升高、陣列輸出功率降低時，在當(dāng)前的操作條件下，通過跟蹤最大的電池功率輸出工作點使得系統(tǒng)仍能保持最佳狀態(tài)，原理是優(yōu)化確定太陽和溫度條件下的最大功率進(jìn)而確定光伏陣列在不同工作點的輸出功率和相應(yīng)的光伏陣列工作電壓。

具體的確定方法有三種：定電壓跟蹤方法。將光伏陣列的數(shù)量設(shè)置為串聯(lián)或并聯(lián)于不同負(fù)載，使光伏陣列在不同負(fù)載下處于最大功率點工作。這種方法之下的跟蹤性能并不理想，并且在工作過程中對工作點有較高的要求，但是在這種方法中系統(tǒng)的使用時間更長，并且具有更高的測量穩(wěn)定性。然而，對于高性能系統(tǒng)，必須考慮幾個最大值，對于功率較低的電路系統(tǒng)這種方法的成本也較高；電流掃描法。通過電路中設(shè)計電容的放電過程可以方便地確定掃描電流，也可通過DSP編程實現(xiàn)，在與其他方法相比之后，發(fā)現(xiàn)跟蹤速度慢是目前這種方法最大的缺點[5]；最大功率點跟蹤方法。工作的基本原理是定期中斷光伏陣列的輸出電壓，在輸出增大時將輸出功率與前一個周期的輸出功率進(jìn)行比較，在下一個循環(huán)中，擾動在同一方向上增加，否則擾動的方向改變，在這種方法中故障的最終結(jié)果是系統(tǒng)在接近最大性能點的很小區(qū)域內(nèi)振蕩；步長設(shè)置的合理程度決定著系統(tǒng)的運行的速度，如果步長很小,光伏陣列可能在低性能區(qū)域工作很長一段時間,如果階躍很大,在最大功率點附近波動會增大；如果步長很小，光伏陣列將成為可能在低性能領(lǐng)域工作很長一段時間，如果階躍很大，在最大功率點附近波動會增大；而且如果外部環(huán)境變化很快，擾動的觀測規(guī)律損失了大量的能量，判斷就可能出現(xiàn)失誤。

2 微電網(wǎng)中光伏發(fā)電的接入及儲能設(shè)備容量選擇

2.1 微電網(wǎng)中光伏發(fā)電與其他電源的配合

微電網(wǎng)中通常含有各種電源協(xié)調(diào)配合，如與燃?xì)廨啓C相連的電力供應(yīng)，僅適用于水電等發(fā)電。為了用同步發(fā)電機控制微型渦輪機的傾斜度，必須使用控制器對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，在調(diào)控轉(zhuǎn)速的過程中，必須對使用的燃料總量進(jìn)行變更，控制過程中應(yīng)考慮調(diào)節(jié)時間和機構(gòu)放大倍數(shù)，如果時間常數(shù)太小，超調(diào)量的大小會增加；時間常數(shù)太大，裝置劇烈擺動，阻礙控制的有效進(jìn)行。電網(wǎng)可提供總的電路系統(tǒng)功率，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接切換到孤島時，控制速度的緩慢通常會引起強烈的振動，光伏發(fā)電的功率不穩(wěn)定，不僅增加了電壓而且增加了頻率是波動的，這種慣性只能通過增加儲能裝置才能實現(xiàn)更為平穩(wěn)的波動。如果考慮光伏性能的不穩(wěn)定性，電壓和頻率的波動是需要增加儲能裝置以平滑光伏發(fā)電的流程，增加可調(diào)電源的“慣性”。儲能和光伏電池采用交流電耦合，而儲能可作為光伏電池的源流穩(wěn)定，同時可與微型渦輪等可調(diào)電源配合工作，在過渡過程中保證短期供電。

2.2 光伏輸出的波動及儲能設(shè)備容量選擇

微電網(wǎng)的應(yīng)用在可再生能源利用率逐年上升的今天越來越受到重視。當(dāng)光伏、風(fēng)能和其他可再生能源的發(fā)電設(shè)備并網(wǎng)運行時，由于其產(chǎn)生的電流中包含著隨機的微電源，與網(wǎng)絡(luò)相連后，含有的電流波動和不可控制的一次能源對配電網(wǎng)的諧波、功率波動、電壓波動等相關(guān)性能質(zhì)量都有一定的負(fù)面影響。同時有可能對傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)的趨勢造成干擾，導(dǎo)致微電網(wǎng)絡(luò)和主網(wǎng)絡(luò)之間的電力交換出現(xiàn)困難，控制難度增大。但是如果將微電網(wǎng)絡(luò)在一個孤立的網(wǎng)絡(luò)中運行，即在孤島模式下運行，存在電流波動、調(diào)節(jié)振動和電能質(zhì)量等問題。所以說，在微電網(wǎng)中應(yīng)用儲能技術(shù)進(jìn)而控制微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的功率互換性，提高性能質(zhì)量，提高微芯片的操作安全性和靈活性是十分必要的，一般來說，微電網(wǎng)絡(luò)儲能的主要任務(wù)是抑制功率波動，并提供備用電源。

如果儲能作為備用電源，它的容量配置在設(shè)計過程中的重要性是顯而易見的。對儲能容量進(jìn)行設(shè)計時，需充分考慮不同光伏電池的具體實際輸出功率和電池能夠達(dá)到的總功率，進(jìn)而實現(xiàn)容量配置，儲能裝置的現(xiàn)有容量應(yīng)為最小。最小發(fā)電單元和匹配的能量儲存設(shè)備間的連接是要彼此耦合的相互連接，可使電池不同時期的輸出功率更為穩(wěn)定，為實現(xiàn)更佳的供電性能，可利用燃?xì)廨啓C進(jìn)行功率調(diào)整，減少振動頻率，同時將光伏和輸出系統(tǒng)的性能整合到比較穩(wěn)定的狀態(tài)，提升電池的穩(wěn)定性，同時，設(shè)置跟蹤控件和唯一的工作路徑以及能量存儲設(shè)備的類型也是十分有效的，如果微電網(wǎng)需要變更，在這段時間內(nèi)，當(dāng)固有總儲能增加時放電速度快，可以立即增加儲能的容量和減少波動的頻率。

2.3 光伏逆變器諧波分析

在微電網(wǎng)中，兩個獨特的相位和頻率在逆變器的過程中，電子接口不可避免會產(chǎn)生一定頻次的諧波，逆變器的輸出波形取決于SPWM的具體過程、負(fù)載參數(shù)和逆變器的開關(guān)頻率一起。這其中的規(guī)律很難用某個公式來具體定量的進(jìn)行描述。在實際的設(shè)計過程中，對于逆變器和濾波器的組合通常將逆變器安排在濾波器的后面，并且通過感應(yīng)系數(shù)和電容的調(diào)節(jié)使其較高的振動頻率和較低的旁路阻抗相匹配，從而消除逆變器中的諧波電流，如果確定了最合適的額定指標(biāo)，則變壓器正在運行在正常情況下可以檢查電流的失真率，如果光線較弱，光伏電池產(chǎn)生的電流減小，則失真率增大[6]。

3 仿真分析

嘗試對前面做提到的微電網(wǎng)進(jìn)行仿真，得出逆變器失真的諧波仿真示意圖，分析可看出畸變程度在光照弱時更為嚴(yán)重。另外，通過對儲能設(shè)備容量的計算表明，如不增加儲能設(shè)備，光伏電源的電量波動和孤島切換過程中的電量缺口由微型燃?xì)廨啓C承擔(dān)；如果儲能系統(tǒng)接通，光伏電源的波動由儲能裝置補償；本文提出的儲能方式能有效抑制光伏電源的潮流狀況，減小日常運行中微電網(wǎng)的頻率波動，彌補微機控制速度慢的缺點，并且在電網(wǎng)切換到額定頻率后可有效地穩(wěn)定微電網(wǎng)的供電性能。

4 結(jié)語

微電網(wǎng)動態(tài)特性及控制策略的研究對微電網(wǎng)的設(shè)計和運行具有重要意義，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)可以不僅在并網(wǎng)的電路模式下實現(xiàn)預(yù)期功能，而且在獨立模式下也可實現(xiàn)相應(yīng)的功能，這是一個更復(fù)雜的系統(tǒng)。在分析現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了微電網(wǎng)動態(tài)特性和控制策略研究中沒有被注意到的問題和研究方向。在微電網(wǎng)的相關(guān)研究很少有建模結(jié)果，所以多數(shù)研究均是基于平均模型對電池的靜態(tài)工作點進(jìn)行研究，當(dāng)靜態(tài)工作點因輸出功率波動或系統(tǒng)故障而移動時，平均模型位于靜態(tài)工作點，不能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的實際狀況，對狀態(tài)平均模型在動態(tài)特性檢測中的適用性進(jìn)行了分析和評述。

近年來，動態(tài)相位建模方法在提高系統(tǒng)模型精度的同時，也得出了該方法適用于不平衡系統(tǒng)的結(jié)論，但對于不同的微電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電路的控制過程是不同的，控制策略需要進(jìn)行合適的改進(jìn)。研究不同的控制方法可克服以往研究的不足，也可以解決新的問題，如何建立這些分散控制方法的理論體系，也值得深入研究。