電力電子技術在光伏系統的應用

　　電力電子技術在光伏系統的應用【1】

　　[摘 要]為了解決日益嚴重的空氣污染問題，我們亟待開發出清潔的新能源。

　　在此前提下太陽能光伏發電技術在全世界獲得越來越廣泛的應用。

　　這篇文章主要介紹了并網系統的構成以及現有技術特點。

　　在光伏系統中，根據不同的需求選用不同的電力電子器件，文中對幾種常用逆變器進行了對比，最大功率點跟蹤技術也得到討論。

　　在文章的結尾部分作者還分析了一套光伏并網試驗系統。

　　該試驗系統實現了太陽能電池最大功率點跟蹤技術和高效率的逆變器設計。

　　[關鍵詞]太陽能 光伏發電 逆變 并網

　　1 概述

　　2013年年初，京津冀地區遭遇嚴重霧霾天氣; 10月份以后，大范圍霧霾污染又蔓延至哈爾濱、蘇州、上海、甚至三亞等地，全國范圍從北到南無一幸免。

　　據相關部門統計， 2013年的霧霾天數是中國近52年來的最多，創下歷史紀錄。

　　環保專家指出，導致空氣質量下降的污染物有二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、可吸入顆粒物、臭氧等。

　　在一些地區，尤其是大城市，工業生產、機動車尾氣、建筑施工、冬季取暖燒煤等排放的有害物質難以擴散，導致空氣質量顯著下降。

　　面對越來越嚴峻空氣污染形勢，尋找新能源成為當前面臨的迫切課題。

　　照射在地球上的太陽能非常巨大，而且太陽能發電絕對干凈，不產生污染。

　　所以太陽能被譽為是理想的能源。

　　隨著太陽能光伏發電技術的發展，光伏發電已經不再只是作為偏遠無電地區的能源供應，而是向逐漸取代常規能源的方向發展。

　　本文主要討論太陽能光伏發電系統中電力電子技術的應用;介紹并網系統的組成特點;根據不同的電路拓撲，討論太陽能最大功率點跟蹤技術的實現方法。

　　2 太陽能光伏系統的組成

　　太陽能光伏發電系統是利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統，有獨立運行和并網運行兩種方式。

　　與獨立供電的光伏系統相比，并網系統一般都沒有儲能環節，直接由并網逆變器接太陽能電池和電網。

　　并網逆變器的基本功能是相同的。

　　那就是，在太陽能電池輸出較大范圍內變化時，能始終以盡可能高的效率將太陽能電池輸出的低壓直流電轉化成與電網匹配的交流電流送入電網。

　　3 太陽能光伏系統的最大功率點跟蹤技術

　　實現太陽能光伏陣列的最大功率點跟蹤，實質上是一個自尋優過程。

　　通過對光伏陣列當前時刻輸出電壓與電流的檢測，得到當前時刻光伏陣列輸出功率，再與已存儲的前一時刻光伏陣列功率值比較，舍小存大，再檢測，再相比較，如此不停地周而復始，便可使光伏陣列動態地工作在最大功率點上。

　　在一定溫度時，不同光照強度下太陽能電池的輸出特性曲線不同。

　　每條曲線都存在著一個最大功率輸出點，并且這個點在當前的光照條件下是唯一的。

　　在太陽能光伏系統中采用較多的一階MPPT正是利用了最大功率點的dp/dv為零的特性。

　　先對太陽能電池的輸出電壓和電流進行連續的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數據相乘折合成功率值，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。

　　當功率達到最大值時滿足式(1)，同時還可以推得式(2)。

　　dP/dU=dUI/dU=UdI/dU+IdU/dI=0 (1)

　　UdI+IdU=0 (2)

　　ΔI=UdI (3)

　　ΔU=-IdU (4)

　　則當ΔU=ΔI時，即可近似認為達到最大功率點，這樣就構成了最經典的一階差分算法。

　　4 并網供電的太陽能光伏系統中的逆變器

　　光伏陣列所發的電能為直流電能，然而許多負載需要交流電能，如變壓器和電機等。

　　直流供電系統有很大的局限性，不便于變換電壓，負載應用范圍也有限。

　　除特殊用電負荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。

　　現在常用的逆變器有以下幾種。

　　1)方波逆變器

　　此逆變器輸出的電壓波形為方波，逆變器線路簡單，價格便宜，實現較為容易。

　　缺點是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負載中會產生附加的損耗，并對通信等設備產生較大的干擾，需要外加額外的濾波器。

　　此類逆變器多見于早期，設計功率不超過幾百瓦的小容量逆交器。

　　2)階梯波逆變器

　　階梯波逆變器輸出的電壓波形為階梯波形，階梯波逆變器的優點是輸出波形接近正弦波，比方波有明顯的改善，高次諧波含量減少。

　　但此逆變器往往需要多組直流電源供電，需要的功率開關管也較多，給光伏陣列分組和蓄電池分組帶來不便。

　　3)正弦波PWM逆變器

　　正弦波逆變器的優點是輸出波形基本為正弦波，在負載中只有很少的諧波損耗，對通信設備干擾小，整機效率高。

　　缺點是設備復雜、價格高。

　　5 雙模式逆變器

　　為了方便應用，可以設計一種既可獨立運行，又可并網運行的光伏發電系統。

　　該系統中的逆變器可以自由切換并網運行和獨立運行，并且保證在切換過程中對負載和逆變器無沖擊，實現平滑切換。

　　可以采用了快速檢測并網開關和抑制電流突變的過渡算法，以實現三相系統并網/獨立的平滑切換。

　　這種系統稱為三相雙模式逆變器發電系統。

　　此系統中太陽能電池板組成光伏陣列，輸出不穩定的直流電。

　　DC/DC 充電控制器連接電池板和蓄電池組，實現最大功率向蓄電池充電。

　　蓄電池可以在太陽輻照度變化和無太陽光時持續向逆變器供給直流電。

　　三相逆變器的輸入級連接到蓄電池的直流母線上， 輸出接在帶有中心抽頭的變壓器上。

　　這樣可以帶三相或單相負載運行。

　　并網開關可以實現電網與負載、 逆變器的連接和斷開。

　　當電網無電時，并網開關斷開，逆變器給負載供電。

　　當電網有電時，并網開關閉合，負載由電網和逆變器共同供電，逆變器還可以將太陽能電池板發出的多余電能輸入到電網中，也可以利用電網給蓄電池充電。

　　6 結論

　　本文對太陽能光伏系統中的最大功率點跟蹤和逆變技術進行了討論。

　　通過對并網光伏系統進行系統組成分析，比較其構成特點和電路拓撲，討論得出了各自適用的控制方法。

　　文章最后介紹了一種可實現獨立運行與并網運行實時切換的雙模逆變器。

　　從上述分析可以看到：太陽能光伏發電作為新能源的應用技術正在得到迅速發展，而電力電子技術作為其中的關鍵技術，對太陽能光伏發電應用的發展起著決定性作用。

　　參考文獻

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　　[3] 王長貴.新能源和可再生能源的現狀和展望.太陽能光伏產業發展論壇論文集，2003，9：4～17.

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　　[5] 趙爭鳴，孟朔等.太陽能發電綜合應用系統.電力電子，2003，1(2)：7～10.

　　電子電力變壓器在光伏發電系統中應用【2】

　　[摘 要]隨著我國經濟的不斷騰飛，對于電力的需求日益增加，傳統能源如煤、石油、天然氣等不僅儲量有限，還會由于燃燒對環境造成極為嚴重的污染，因此開發、利用新能源勢在必行。

　　在這一大環境下，世界各國都在發展新能源技術，其中光伏發電技術由于技術性能非常優秀早已經步入了人們的視野。

　　傳統的工頻變壓器由于重量大、體積大、操控不靈活，所以在光伏發電系統中，人們越發依賴電子電力變壓器，而且在其使用過程中，人們發現其對現代電力系統的作用越發明顯，它的應用與現代電力系統的要求相契合。

　　筆者在本文中對電子電力變壓器結構進行描述后，著重強調了電子電力變壓器在光伏發電系統中的應用以及使用的優點進行了詳細的論述，以期為我國光伏發電系統的進一步發展提供參考性意見。

　　[關鍵詞]電子電力變壓器;光伏發電系統;特點;結構;應用

　　前言

　　從上個世紀八十年代開始，石油危機逐漸走入了人們的視野，西方發達國家早已經將能源問題的解決方法投入到新能源的開發上來，并且毫不吝嗇地動用大量人力、物力在此項目中，當然作為其中重要項目之一的光伏發電技術也名列其中，并在該項目的研究過程中取得了長足的進步。

　　著眼于現代，并放眼全球不難發現光伏發電的應用范圍極廣，并漸趨在電力市場中以替代能源的角色出場。

　　一、我國光伏發電系統的現狀

　　雖然我國的光伏發電系統于近年來才開始發展，但是已經獲得了良好的結果。

　　我國最早研發的光伏發電系統是為了解決衛星供電問題才開始進行的，但是從上個世紀九十年代開始，國家越發認識到光伏產業的重要性，與此同時，光伏發電項目正式位居于國家科技攻關計劃中。

　　這一項目的開展并非紙上談兵，北京和深圳作為光伏發電首先試行的地區，首當其沖地應用了光伏屋頂發電系統。

　　2013年，全年我國新增裝機容量達到了11.3GW，世界排名第一，并且預計未來5年均新增裝機量不會低于10GW，這些實際的數據已經證明光伏發電市場的主戰場已經從歐洲轉移到了亞洲。

　　我國也在2005年就通過了《中華人民共和國可再生能源法》，并且在2009年通過了《中華人民共和國可再生能源法修正案》，這些法律法規給予光伏發電系統以強有力的政策支持，對于整個光伏發電系統來說，這無疑是國家給光伏發電系統頒發的的有效王牌，光伏發電的道路也必定因國家的政策扶持而越發平坦。

　　2014年我國光伏發電建設規模在綜合考慮各地區資源條件、發展基礎、電網消納能力以及配套政策措施等因素基礎上確定，全年新增備案總規模1400萬千瓦，其中分布式800萬千瓦，光伏電站600萬千瓦。

　　二、電子電力變壓器的基本機構

　　電子電力變壓器能夠有效地將高頻變壓器與電力電子變換器結合在一起，與此同時，它能夠有效地完成電能的傳輸和變換。

　　因此電子電力變壓器的主要有高頻變壓器和電力電子轉換器構成，其中前者主要的作用就是實現一次側和二次側的隔離與電壓等級的轉換;而后者主要的作用就是實現波形的控制，例如：諧波、頻率、相位以及幅值的控制。

　　與常規的電力變壓器相比，電子電力變壓器通過對電力電子變換器的控制，使其不僅具有變換電壓等級、隔離電氣的作用，還能夠控制系統的諧波、頻率、相位以及幅值，能夠更加自由的變換電能形式。

　　現階段，電子電力變壓器的實現方案并不單一，就電平數而言就有多電平、三電平以及兩電平等多重選擇;就相數而言，其選擇也不再受一種選擇的桎梏，因為它有三項和單相之分。

　　此外，按照是否含有直流，又可以將其分為兩類，一種是含有直流環節的電子電力變換器，常稱其為AC/DC/AC 型電子電力變壓器，如下圖1;另一種是不存在直流環節的電子電力變換器，常稱其為直接 AC/AC 型電子電力變壓器如下圖2。

　　三、光伏發電系統中電子電力變壓器的應用現狀及技術優點

　　近些年來，光伏發電的應用范圍逐年擴大，它在電力系統中的作用也是舉足輕重、缺其不可的。

　　與傳統電源形式相比，光伏發電具有電源形式多樣化、輸出電壓與頻率隨機性和波動性較大、分布廣等特點。

　　采用不同的變壓器，光伏發電系統所呈現的結果是截然不同的。

　　在并入電網中如若采用工頻變壓器，其所需要的成本就會相對較高、占用的體積也會相對較大，若要保證電能質量就必須配置額外的調壓、調頻設備才可以，這其中不乏逆變效率低等劣勢。

　　而將電子電力變壓器應用于光伏發電系統，它不僅可以靈活地將各種分布式電源接入到電力系統中，對逆變、整流環節也會起到很好的控制作用，與此同時，調壓、調頻等效果也會漸趨達到理想狀態。

　　這樣一來，諸多調壓、調頻設備的安裝步驟就可以省去，以此實現降低成本的目的。

　　當電力系統發生短路故障時，光伏系統的功率、電流以及電壓都會受到影響而發生變化，但是光伏系統的輸出電流會逐漸增大，因此，即使發生故障，電子電力變壓器的應用也可以將系統電壓很好地穩定住。

　　在故障排除、恢復到正常以后，其系統的狀態將完全恢復到故障前。

　　因此說，通過電子電力變壓器的應用，可以靈活調節有功和無功輸出，使得光伏系統不需要在電網出現故障時退出運行，并且能夠保持短暫的并網運行狀態。

　　待系統恢復正常后，光伏發電系統又可以向電網輸出功率，但是在事故狀態下，光伏發電系統的輸出功率并不穩定，具有一定的波動性。

　　在光伏發電系統中應用電子電力變壓器，具有下列三項優點，分別是：

　　1 電子電力變壓器能夠使光伏系統并網結構更加緊湊。

　　由于電子電力變壓器的應用，可以通過其變換電能形式的功能，取消掉光伏入網所需要的變換器，這就實現了將整個光伏并網結構緊湊化的目的。

　　由于電子電力變壓器應用的時高頻變壓器，相對于傳統的工頻變壓器來說，其體積更加小巧，可以使光伏并網系統的體積進一步縮小，并且使整個系統的結構更加緊湊。

　　2 電子電力變壓器不僅含有交流變換環節，還含有直流交變環節，而且通過電子電力變壓器的應用，還可以使光伏系統的并網方式更加靈活。

　　鑒于光伏系統不僅可以在交流母線處入網，也可以在直流母線處并網，因此說其并網的形式更加靈活多樣。

　　在應用電子電力變壓器的基礎上，如果可以將儲能元件安裝于直流環節，就可以更加方便的實現除儲能元件的介入。

　　3 由于電子電力變壓器兼備交直流環節，因此可以直接接入到光伏發電系統，這就能夠實現了并網電源形式的多樣化，能夠更好地實現供電形勢的互補。

　　此外，應用了電子電力變壓器的光伏發電系統，其功率、電流以及電壓都能夠滿足并網要求。

　　但是由于僅含有少量的諧波，電壓和電流都是標準的正弦波。

　　四、結論

　　綜上所述，電子電力變壓器作為一種重要設備在光伏發電系統中的應用已經逐步走入正軌，已經能夠從部分上解決能源緊缺的現狀，因此其具有非常廣闊的發展前景。

　　為了更好地實現電子電力變壓器在光伏發電系統中的應用，筆者先對電子電力變壓器在光伏發電系統中的應用及優點進行了詳細的論述，希望能夠起到促進其發展的最終目的，逐步解決我國能源緊缺的現狀。

　　參考文獻

　　[1] 李勝和，張璐琪. 淺析電子電力變壓器在光伏發電系統中的應用[J]. 電力系統自動化，2005，29(16)：66-71.

　　[2] 魏世金，劉旭東. 芻議電子電力變壓器在電力系統中的應用趨勢[J]. 水電能源科學，2007，25(5)：135-138.

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