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電力電子技術(shù)在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用
電力電子技術(shù)在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用【1】
[摘 要]為了解決日益嚴(yán)重的空氣污染問題，我們亟待開發(fā)出清潔的新能源。
在此前提下太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在全世界獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
這篇文章主要介紹了并網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成以及現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn)。
在光伏系統(tǒng)中，根據(jù)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(jìn)行了對比，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)也得到討論。
在文章的結(jié)尾部分作者還分析了一套光伏并網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。
該試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)和高效率的逆變器設(shè)計(jì)。
[關(guān)鍵詞]太陽能 光伏發(fā)電 逆變 并網(wǎng)
1 概述
2013年年初，京津冀地區(qū)遭遇嚴(yán)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(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)， 2013年的霧霾天數(shù)是中國近52年來的最多，創(chuàng)下歷史紀(jì)錄。
環(huán)保專家指出，導(dǎo)致空氣質(zhì)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(qū)，尤其是大城市，工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動車尾氣、建筑施工、冬季取暖燒煤等排放的有害物質(zhì)難以擴(kuò)散，導(dǎo)致空氣質(zhì)量顯著下降。
面對越來越嚴(yán)峻空氣污染形勢，尋找新能源成為當(dāng)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(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生污染。
所以太陽能被譽(yù)為是理想的能源。
隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)不再只是作為偏遠(yuǎn)無電地區(qū)的能源供應(yīng)，而是向逐漸取代常規(guī)能源的方向發(fā)展。
本文主要討論太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中電力電子技術(shù)的應(yīng)用;介紹并網(wǎng)系統(tǒng)的組成特點(diǎn);根據(jù)不同的電路拓?fù)�，討論太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。
2 太陽能光伏系統(tǒng)的組成
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。
與獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)相比，并網(wǎng)系統(tǒng)一般都沒有儲能環(huán)節(jié)，直接由并網(wǎng)逆變器接太陽能電池和電網(wǎng)。
并網(wǎng)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(nèi)變化時(shí)，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(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。
3 太陽能光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)
實(shí)現(xiàn)太陽能光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過程。
通過對光伏陣列當(dāng)前時(shí)刻輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前時(shí)刻光伏陣列輸出功率，再與已存儲的前一時(shí)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(fù)始，便可使光伏陣列動態(tài)地工作在最大功率點(diǎn)上。
在一定溫度時(shí)，不同光照強(qiáng)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(gè)最大功率輸出點(diǎn)，并且這個(gè)點(diǎn)在當(dāng)前的光照條件下是唯一的。
在太陽能光伏系統(tǒng)中采用較多的一階MPPT正是利用了最大功率點(diǎn)的dp/dv為零的特性。
先對太陽能電池的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數(shù)據(jù)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(dāng)功率達(dá)到最大值時(shí)滿足式(1)，同時(shí)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(dāng)ΔU=ΔI時(shí)，即可近似認(rèn)為達(dá)到最大功率點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了最經(jīng)典的一階差分算法。
4 并網(wǎng)供電的太陽能光伏系統(tǒng)中的逆變器
光伏陣列所發(fā)的電能為直流電能，然而許多負(fù)載需要交流電能，如變壓器和電機(jī)等。
直流供電系統(tǒng)有很大的局限性，不便于變換電壓，負(fù)載應(yīng)用范圍也有限。
除特殊用電負(fù)荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。
現(xiàn)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(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)較為容易。
缺點(diǎn)是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負(fù)載中會產(chǎn)生附加的損耗，并對通信等設(shè)備產(chǎn)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(shè)計(jì)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(yōu)點(diǎn)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(guān)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(yōu)點(diǎn)是輸出波形基本為正弦波，在負(fù)載中只有很少的諧波損耗，對通信設(shè)備干擾小，整機(jī)效率高。
缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格高。
5 雙模式逆變器
為了方便應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)一種既可獨(dú)立運(yùn)行，又可并網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)。
該系統(tǒng)中的逆變器可以自由切換并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行，并且保證在切換過程中對負(fù)載和逆變器無沖擊，實(shí)現(xiàn)平滑切換。
可以采用了快速檢測并網(wǎng)開關(guān)和抑制電流突變的過渡算法，以實(shí)現(xiàn)三相系統(tǒng)并網(wǎng)/獨(dú)立的平滑切換。
這種系統(tǒng)稱為三相雙模式逆變器發(fā)電系統(tǒng)。
此系統(tǒng)中太陽能電池板組成光伏陣列，輸出不穩(wěn)定的直流電。
DC/DC 充電控制器連接電池板和蓄電池組，實(shí)現(xiàn)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(shí)持續(xù)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(fù)載運(yùn)行。
并網(wǎng)開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與負(fù)載、 逆變器的連接和斷開。
當(dāng)電網(wǎng)無電時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)斷開，逆變器給負(fù)載供電。
當(dāng)電網(wǎng)有電時(shí)，并網(wǎng)開關(guān)閉合，負(fù)載由電網(wǎng)和逆變器共同供電，逆變器還可以將太陽能電池板發(fā)出的多余電能輸入到電網(wǎng)中，也可以利用電網(wǎng)給蓄電池充電。
6 結(jié)論
本文對太陽能光伏系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤和逆變技術(shù)進(jìn)行了討論。
通過對并網(wǎng)光伏系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)組成分析，比較其構(gòu)成特點(diǎn)和電路拓?fù)�，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(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)切換的雙模逆變器。
從上述分析可以看到：太陽能光伏發(fā)電作為新能源的應(yīng)用技術(shù)正在得到迅速發(fā)展，而電力電子技術(shù)作為其中的關(guān)鍵技術(shù)，對太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展起著決定性作用。
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電子電力變壓器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用【2】
[摘 要]隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷騰飛，對于電力的需求日益增加，傳統(tǒng)能源如煤、石油、天然氣等不僅儲量有限，還會由于燃燒對環(huán)境造成極為嚴(yán)重的污染，因此開發(fā)、利用新能源勢在必行。
在這一大環(huán)境下，世界各國都在發(fā)展新能源技術(shù)，其中光伏發(fā)電技術(shù)由于技術(shù)性能非常優(yōu)秀早已經(jīng)步入了人們的視野。
傳統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)中，人們越發(fā)依賴電子電力變壓器，而且在其使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)其對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的作用越發(fā)明顯，它的應(yīng)用與現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求相契合。
筆者在本文中對電子電力變壓器結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述后，著重強(qiáng)調(diào)了電子電力變壓器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用以及使用的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，以期為我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考性意見。
[關(guān)鍵詞]電子電力變壓器;光伏發(fā)電系統(tǒng);特點(diǎn);結(jié)構(gòu);應(yīng)用
前言
從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，石油危機(jī)逐漸走入了人們的視野，西方發(fā)達(dá)國家早已經(jīng)將能源問題的解決方法投入到新能源的開發(fā)上來，并且毫不吝嗇地動用大量人力、物力在此項(xiàng)目中，當(dāng)然作為其中重要項(xiàng)目之一的光伏發(fā)電技術(shù)也名列其中，并在該項(xiàng)目的研究過程中取得了長足的進(jìn)步。
著眼于現(xiàn)代，并放眼全球不難發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電的應(yīng)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(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀
雖然我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)于近年來才開始發(fā)展，但是已經(jīng)獲得了良好的結(jié)果。
我國最早研發(fā)的光伏發(fā)電系統(tǒng)是為了解決衛(wèi)星供電問題才開始進(jìn)行的，但是從上個(gè)世紀(jì)九十年代開始，國家越發(fā)認(rèn)識到光伏產(chǎn)業(yè)的重要性，與此同時(shí)，光伏發(fā)電項(xiàng)目正式位居于國家科技攻關(guān)計(jì)劃中。
這一項(xiàng)目的開展并非紙上談兵，北京和深圳作為光伏發(fā)電首先試行的地區(qū)，首當(dāng)其沖地應(yīng)用了光伏屋頂發(fā)電系統(tǒng)。
2013年，全年我國新增裝機(jī)容量達(dá)到了11.3GW，世界排名第一，并且預(yù)計(jì)未來5年均新增裝機(jī)量不會低于10GW，這些實(shí)際的數(shù)據(jù)已經(jīng)證明光伏發(fā)電市場的主戰(zhàn)場已經(jīng)從歐洲轉(zhuǎn)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(guī)給予光伏發(fā)電系統(tǒng)以強(qiáng)有力的政策支持，對于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，這無疑是國家給光伏發(fā)電系統(tǒng)頒發(fā)的的有效王牌，光伏發(fā)電的道路也必定因國家的政策扶持而越發(fā)平坦。
2014年我國光伏發(fā)電建設(shè)規(guī)模在綜合考慮各地區(qū)資源條件、發(fā)展基礎(chǔ)、電網(wǎng)消納能力以及配套政策措施等因素基礎(chǔ)上確定，全年新增備案總規(guī)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(jī)構(gòu)
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(jié)合在一起，與此同時(shí)，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(zhuǎn)換器構(gòu)成，其中前者主要的作用就是實(shí)現(xiàn)一次側(cè)和二次側(cè)的隔離與電壓等級的轉(zhuǎn)換;而后者主要的作用就是實(shí)現(xiàn)波形的控制，例如：諧波、頻率、相位以及幅值的控制。
與常規(guī)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(tǒng)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(xiàn)階段，電子電力變壓器的實(shí)現(xiàn)方案并不單一，就電平數(shù)而言就有多電平、三電平以及兩電平等多重選擇;就相數(shù)而言，其選擇也不再受一種選擇的桎梏，因?yàn)樗腥?xiàng)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(huán)節(jié)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(huán)節(jié)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(fā)電系統(tǒng)中電子電力變壓器的應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
近些年來，光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍逐年擴(kuò)大，它在電力系統(tǒng)中的作用也是舉足輕重、缺其不可的。
與傳統(tǒng)電源形式相比，光伏發(fā)電具有電源形式多樣化、輸出電壓與頻率隨機(jī)性和波動性較大、分布廣等特點(diǎn)。
采用不同的變壓器，光伏發(fā)電系統(tǒng)所呈現(xiàn)的結(jié)果是截然不同的。
在并入電網(wǎng)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(zhì)量就必須配置額外的調(diào)壓、調(diào)頻設(shè)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(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，它不僅可以靈活地將各種分布式電源接入到電力系統(tǒng)中，對逆變、整流環(huán)節(jié)也會起到很好的控制作用，與此同時(shí)，調(diào)壓、調(diào)頻等效果也會漸趨達(dá)到理想狀態(tài)。
這樣一來，諸多調(diào)壓、調(diào)頻設(shè)備的安裝步驟就可以省去，以此實(shí)現(xiàn)降低成本的目的。
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，光伏系統(tǒng)的功率、電流以及電壓都會受到影響而發(fā)生變化，但是光伏系統(tǒng)的輸出電流會逐漸增大，因此，即使發(fā)生故障，電子電力變壓器的應(yīng)用也可以將系統(tǒng)電壓很好地穩(wěn)定住。
在故障排除、恢復(fù)到正常以后，其系統(tǒng)的狀態(tài)將完全恢復(fù)到故障前。
因此說，通過電子電力變壓器的應(yīng)用，可以靈活調(diào)節(jié)有功和無功輸出，使得光伏系統(tǒng)不需要在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)退出運(yùn)行，并且能夠保持短暫的并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。
待系統(tǒng)恢復(fù)正常后，光伏發(fā)電系統(tǒng)又可以向電網(wǎng)輸出功率，但是在事故狀態(tài)下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率并不穩(wěn)定，具有一定的波動性。
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用電子電力變壓器，具有下列三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，分別是：
1 電子電力變壓器能夠使光伏系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加緊湊。
由于電子電力變壓器的應(yīng)用，可以通過其變換電能形式的功能，取消掉光伏入網(wǎng)所需要的變換器，這就實(shí)現(xiàn)了將整個(gè)光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)緊湊化的目的。
由于電子電力變壓器應(yīng)用的時(shí)高頻變壓器，相對于傳統(tǒng)的工頻變壓器來說，其體積更加小巧，可以使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小，并且使整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。
2 電子電力變壓器不僅含有交流變換環(huán)節(jié)，還含有直流交變環(huán)節(jié)，而且通過電子電力變壓器的應(yīng)用，還可以使光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)方式更加靈活。
鑒于光伏系統(tǒng)不僅可以在交流母線處入網(wǎng)，也可以在直流母線處并網(wǎng)，因此說其并網(wǎng)的形式更加靈活多樣。
在應(yīng)用電子電力變壓器的基礎(chǔ)上，如果可以將儲能元件安裝于直流環(huán)節(jié)，就可以更加方便的實(shí)現(xiàn)除儲能元件的介入。
3 由于電子電力變壓器兼?zhèn)浣恢绷鳝h(huán)節(jié)，因此可以直接接入到光伏發(fā)電系統(tǒng)，這就能夠?qū)崿F(xiàn)了并網(wǎng)電源形式的多樣化，能夠更好地實(shí)現(xiàn)供電形勢的互補(bǔ)。
此外，應(yīng)用了電子電力變壓器的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其功率、電流以及電壓都能夠滿足并網(wǎng)要求。
但是由于僅含有少量的諧波，電壓和電流都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。
四、結(jié)論
綜上所述，電子電力變壓器作為一種重要設(shè)備在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)逐步走入正軌，已經(jīng)能夠從部分上解決能源緊缺的現(xiàn)狀，因此其具有非常廣闊的發(fā)展前景。
為了更好地實(shí)現(xiàn)電子電力變壓器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，筆者先對電子電力變壓器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，希望能夠起到促進(jìn)其發(fā)展的最終目的，逐步解決我國能源緊缺的現(xiàn)狀。
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