熊 巍

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212）

1 引 言

隨著世界范圍內(nèi)化石燃料儲(chǔ)量逐漸枯竭，人們對(duì)環(huán)境污染日趨的重視以及常規(guī)電網(wǎng)存在的局限性，使得人們對(duì)自然界取之不盡，用之不竭的無(wú)公害新能源——太陽(yáng)能發(fā)電開(kāi)展廣泛的研究，應(yīng)用以太陽(yáng)能為代表的可再生能源是保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，減少大氣污染的有效措施，也是能源開(kāi)發(fā)利用的一個(gè)新趨勢(shì)。太陽(yáng)能潔凈無(wú)污染，并可持續(xù)利用，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。隨著光伏組件價(jià)格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在的補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡。

光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的必由之路，就是將光伏系統(tǒng)接入常規(guī)電網(wǎng)，并網(wǎng)發(fā)電。光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能利用的發(fā)展趨勢(shì)，大型并網(wǎng)光伏電站以及屋頂并網(wǎng)光伏電站，在電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、穩(wěn)定控制等多方面正逐步發(fā)揮重要作用。

2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和優(yōu)點(diǎn)

2.1 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、并網(wǎng)逆變器及配電系統(tǒng)組成。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以分為帶蓄電池和不帶蓄電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

并網(wǎng)逆變器附帶有最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，使并網(wǎng)系統(tǒng)總體效率比離網(wǎng)系統(tǒng)高10%～20%，在發(fā)電量相同的情況下，并網(wǎng)系統(tǒng)的成本比離網(wǎng)系統(tǒng)低20%以上。因此，在未來(lái)的光伏發(fā)電應(yīng)用產(chǎn)業(yè)中，并網(wǎng)光伏發(fā)電的應(yīng)用方式將占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，在解決特殊應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、信號(hào)電源，和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)民用生活用電需求方面，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。

光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在清潔、安全、廣泛、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、資源充足及經(jīng)濟(jì)等幾個(gè)方面。

3 并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響

因太陽(yáng)能光伏發(fā)電屬于穩(wěn)定性差、能量密度低、調(diào)節(jié)能力較差的能源，其發(fā)電量受天氣、地域、濕度等的影響較大，并網(wǎng)發(fā)電后對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及電網(wǎng)的供電效果會(huì)造成一定影響。隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和其市場(chǎng)的發(fā)展，當(dāng)光伏發(fā)電的上網(wǎng)電量在電網(wǎng)中達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)和成為不可忽略的一部分時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)現(xiàn)有的火電、水電、核電等發(fā)電模式和電網(wǎng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益等帶來(lái)如下問(wèn)題：

（1）由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量與外界環(huán)境情況密切相關(guān)，它無(wú)法為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電能供應(yīng)，所以電網(wǎng)必須預(yù)備大量的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組來(lái)解決因電力系統(tǒng)中負(fù)荷變化而引起的調(diào)峰問(wèn)題。

（2）因晝夜、時(shí)差以及季節(jié)的變化對(duì)電網(wǎng)的影響，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)雖然為電網(wǎng)提供了電能，但它并不能減少對(duì)電網(wǎng)裝機(jī)容量的需求。

（3）當(dāng)在某一地區(qū)或某一城市并網(wǎng)光伏發(fā)電達(dá)到較大規(guī)模時(shí)，如果該區(qū)域氣象條件出現(xiàn)突然性的變化，電網(wǎng)就得提供足夠的區(qū)域性備用機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償容量，調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)的頻率以及電壓。

（4）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)，那么當(dāng)其電能需要遠(yuǎn)距離輸送時(shí)，無(wú)論采用高壓交流還是直流輸送形式，系統(tǒng)都必須配置自動(dòng)無(wú)功調(diào)壓裝置。

4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施

為了提高并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最大限度地利用好太陽(yáng)能資源，這里重點(diǎn)研究最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)。

4.1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）

最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)是通過(guò)調(diào)整光伏陣列端電壓，使光伏陣列在不同的光照和溫度下實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，MPPT方法主要有恒電壓跟蹤方法，擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法。

4.1.1 恒電壓跟蹤方法

雖然光伏陣列的最大功率點(diǎn)功率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，但最大功率點(diǎn)電壓變化不大。因此，只要通過(guò)光伏組件制造商提供的光伏組件的特性數(shù)據(jù)就可以得到近似最大功率點(diǎn)電壓U，只要將光伏組件的輸出電壓固定在U上，就可以使光伏組件以近似最大功率輸出。如此就將最大功率點(diǎn)跟蹤控制簡(jiǎn)化成了穩(wěn)壓控制，光伏組件的工作點(diǎn)較為穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

當(dāng)溫度升高時(shí)，光伏組件的最大功率點(diǎn)電壓會(huì)下降，并且下降幅度比較大。如果依然采用固定電壓法控制，光伏組件的輸出功率損失就會(huì)較大，光伏發(fā)電效率就會(huì)相應(yīng)的下降。所以，上述方法忽略了環(huán)境溫度對(duì)光伏組件工作特性的影響。但是我們可以在冬夏、早晚等環(huán)境溫度變化較大的時(shí)候調(diào)節(jié)Um即可。

（1）手工調(diào)整Um。根據(jù)季節(jié)、早晚等實(shí)際情況，人工手動(dòng)調(diào)整Um，但需要人工維護(hù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以此方法較少采用。

（2）根據(jù)光伏組件生產(chǎn)商提供的特性數(shù)據(jù)，將組件在不同溫度下的Um存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，同時(shí)為系統(tǒng)裝備溫度傳感器，將傳感器檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)也輸入到系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)環(huán)境溫度來(lái)調(diào)節(jié)Um。

（3）利用光伏組件最大功率點(diǎn)電壓與開(kāi)路電壓之間近似的比例關(guān)系，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)Um。

固定電壓法使得光伏組件輸出電壓固定在一個(gè)特定值，因此不易出現(xiàn)震蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，而且此方法原理簡(jiǎn)單，在控制上面也比較容易實(shí)現(xiàn)。但此方法受外界環(huán)境影響較大，當(dāng)環(huán)境變化時(shí)控制精度較低，因此該方法主要適合在外部環(huán)境變化不大的場(chǎng)合使用。

4.1.2 擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法是一種通過(guò)主動(dòng)改變光伏組件工作點(diǎn)、根據(jù)改變前后輸出功率的變化來(lái)確定最大功率跟蹤方向的一種方法。其工作原理是：給光伏組件的工作點(diǎn)施加一定的擾動(dòng)，然后來(lái)判斷光伏組件輸出功率的變化，當(dāng)輸出功率增大時(shí)，保持?jǐn)_動(dòng)方向不變繼續(xù)擾動(dòng)；當(dāng)輸出功率減小，則反方向擾動(dòng)。

擾動(dòng)觀測(cè)法跟蹤算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但光伏組件會(huì)在最大功率點(diǎn)附近震蕩，因此會(huì)造成部分功率損失。而且當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生急劇變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生誤判，雖然最終能夠自我修正，但會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。

4.1.3 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是另外一種比較常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，通過(guò)光伏組件的P－U曲線（如圖1所示）可知：當(dāng)光伏組件的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，dP／dU＞0；當(dāng)光伏組件的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)時(shí)，dP／dU＝0；當(dāng)光伏組件的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，dP／dU＜0。那么只要確定了dP／dU的大小，就能判斷出光伏組件工作點(diǎn)的位置，也就能夠確定應(yīng)該如何調(diào)節(jié)并控制光伏組件的工作點(diǎn)。

圖1 光伏組件的P－U曲線圖

4.2 并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)

光伏并網(wǎng)控制的關(guān)鍵在于將光伏組件所產(chǎn)生的直流電通過(guò)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電。光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。

并網(wǎng)電壓源逆變器是在直流輸入側(cè)并聯(lián)大電容構(gòu)成，并網(wǎng)電流源逆變器是在直流輸入側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感構(gòu)成，因串聯(lián)大電感會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差，所以大部分并網(wǎng)逆變器都采用電壓源輸入控制方式。

并網(wǎng)逆變中逆變的控制關(guān)鍵在于對(duì)交流側(cè)電流、功率因素的控制。根據(jù)控制方法的不同，可以將電流控制分為直接電流控制和通過(guò)電壓控制完成的間接電流控制兩種。

（1）直接電流控制。首先通過(guò)計(jì)算得出交流電流值，然后引入交流電流反饋，通過(guò)對(duì)交流電流的直接控制，使其與指令電流值保持一致。為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的給定正弦電流波形，并網(wǎng)型逆變器通常用電網(wǎng)電壓信號(hào)乘以電流有功給定，產(chǎn)生正弦參考電流波形，然后控制輸出電流使其跟蹤指令電流的變化。直接電流控制具有控制電路簡(jiǎn)單、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）間接電流控制。與直接電流控制不同，間接電流控制是根據(jù)穩(wěn)態(tài)電流向量的給定、PWM基波電壓向量的幅值和相位，分別進(jìn)行閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制，從而通過(guò)電壓控制實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的調(diào)節(jié)。這種控制方式簡(jiǎn)單，且無(wú)需并網(wǎng)電流的反饋信號(hào)，但是其控制電路比較復(fù)雜，運(yùn)算過(guò)程中要用到許多電路參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)也有一定的依賴性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也有所下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文對(duì)常用的幾種最大功率點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行了比較分析；介紹了太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的工作原理，分析了集中逆變方法的不同。研究最大功率跟蹤控制、并網(wǎng)控制問(wèn)題有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］劉振亞.智能電網(wǎng)知識(shí)讀本［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

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