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太阳能发电技术原理和应用

  除了一些偏远地区为了弥补电网无法覆盖的不足而建立的小型光伏发电站是作为孤岛运行以外,绝大部分的光伏发电设备(包括家庭屋顶光伏发电)是需要通过并网设备而接入大电网的。

  光伏并网系统一般由光伏阵列、储能系统、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置组成,目前已经出现并网逆变器中集成了储能系统的新型逆变器。由于光伏发电受光照、温度等外界因素影响较大,储能系统将保证光伏发电系统的稳定持续输出。 逆变器是将光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中;控制器控制光伏电池的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率,使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡,一般集成与逆变器内;继电保护系统可以保证光伏系统和电力网的安全性。

  大家可以从介绍中看出,并网系统中,逆变器起到了举足轻重的作用,不仅仅是光伏电池方阵和交流电网系统间进行能量变换的关键设备,而且还担负着控制光伏电池最大功率点追踪(MPPT)的重要任务,其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的正常运行以及发电收益等影响巨大。

  光伏并网逆变器有不同于其他逆变器的特点。

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  光伏发电系统对并网逆变器的要求

  1要求具有较高的效率

  由于目前光伏电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳电池,提高系统效率,必须设法提高逆变器的效率。否则的话,势必要增加矩阵中光伏电池组件的数量,增大矩阵所占的面积,从而大大增加了光伏发电站的设备投资和土建费用。所以,一般要求10kVA以下的逆变器效率要>90%,10kVA以上的逆变器效率要>95%。

  2要求具有较高的可靠性

  目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守和维护,这就要求逆交器具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变器具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热,过载保护等。

  3要求直流输入电压有较宽的适应范围

  由于光伏电池的端电压随负载和日照强度而变化,这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。

  4要求逆变电源输出正弦波电流

  中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免对公共电网的电力污染,要求逆变电源输出正弦波电流。且能实现高的功率因数的正弦波形。

  5要求逆变器的电磁干扰小

  由于大多数并网型光伏发电用于家庭,要求逆变器的电磁干扰小,不影响人的生活环境,也不妨碍其他家用电器的正常工作。

  逆变器的分类

  双级逆变器

  逆变器按主电路结构分为电压型和电流型,或单相和三相,或单级和多级。

  按照输出的绝缘形式主要分为工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式,和无变压器无绝缘方式。

  传统的光伏逆变器多采用两级式电路架构,前级是一个升压型 DC-DC 转换器,后级是一个全桥式 DC-AC 转换器,控制技术相对成熟,简单。

  单级逆变器

  由于传统两级逆变器必须经过两次电力转换,系统的效率难以提高。新式的光伏变频器则采用单级式电路架构,光伏电池的直流电压必须高于输出电压之峰值,其控制原理如一个电压转电流的双向 PWM DC-AC 转换器。由于必须兼顾最大功率转换控制与输出电流同步波形控制,因此形成一个复杂的非线性控制问题,控制环节较为复杂。

  并网型光伏变频器若根据输出电源形式可分为单相式与三相式,一般3 kVA以下的系统多为单相式,3-5 kVA之间两者均有,5 kVA以上则多为采用三相式。

  采用工频变压器使输入的光伏电池矩阵和输出端的电网绝缘,主电路结构如下图所示,分为电压型和电流型两种。工频变压器绝缘方式电路简单,变换只有一级,效率较高,制造成本低。一般工频逆变不采用SPWM控制,输出是矩形波,要经过强有力的滤波措施,才能使输出正弦波形畸变<5%。由于电路中的半导体器件少,可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低,产生的电磁干扰小。虽然主变压器和滤波电感体积大,但是,可采用低频材料制造,成本并不高。这种方式的逆变器主要用于独立型光伏发电站。

  采用高频变压器使输入的光伏电池矩阵和输出端的电网绝缘,主电路结构如下图所示,图中变换分为三级(DC-HFAC-DC-LFAC)第一级为SPWM高频逆变器,通过高频变压器后整流滤波成直流,再经工频逆交器,变为工频正弦波电压输出。

  高频变压器比工频变压器体积小,重量轻,成本低。但是,经多级变换,效率问题比较突出,效率较低,只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件,仍然可以使效率超过90%。由于有SPWM控制和周波数变换,输出波形畸变小,不需要强有力的滤波,不过高频电磁干扰问题严重,要采用滤波和屏蔽等抑制措施。这种方式的逆变器主要用于并网型光伏发电站。

  为了进一步降低成本,提高效率,已开发出无变压器无绝缘方式逆变器主电路,电路结构如图l—4所示。图中电路前面为升压电路,后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的光伏电池匹配,把光伏电池的输出电压升高到370V左右,尽管由于天气变化因素使光伏电池输出电压发生变化,有了升压部分后,可以保证逆变部分输入电压比较稳定。同时提高了电压,减少了电流,可以降低逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些,比高频变压器绝缘方式简单,仍然是两级变换(DC.DC。AC)、效率高。没有变压器,体积小、重量轻、成本较低,是到目前为止比较好的一种主电路方式。

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  光伏发电系统运行控制简介

  经典系统采用无变压器隔离的两级结构,前级Boost电路和后级单相全桥逆变器。该逆变器工作可以使能量双向流动,既可以工作在脉冲整流状态又可以工作在逆变状态。整个逆变器由双闭环控制。其中,外环为电压环,内环为电流环。

  逆变器中的电压外环(PI环)用来实现中间直流电压Vdc稳定控制,当Vdc高于设定电压时,增大输出电流,当Vdc低于设定时,减小输出电流,以此达到输入输出功率平衡。电压外环通过比较给定中间电压及反馈电压的误差,给出电流指令。

  电流内环用来控制输出电流,在得到电压环给出的电流指令后,经同步与正弦表相乘,加入网压,得到真正的电流指令,与反馈电流经P环后得到调制度m,产生PWM波控制IGBT开通关断,电流环主要用以提高功率因素以及小的电流谐波。对于Boost电路,我们可以通过检测输入电流与输入电压来获得输入功率大小,通过与上次采样的功率比较来获得一个最大的功率点,而改变工作点的方法,也就是改变Boost电路的占空比,就可以达到追踪最大功率点的目的。

  看了以上的介绍,可能大家会觉得光伏发电距离自己的生活还很远,但小编想在这里告诉大家,其实国家早已开始大力倡导发展分布式新能源发电,也出台了鼓励居民家庭安装屋顶式光伏发电系统的相关政策,关于相关的政策法规和发电收益小编稍后收集好将专门做个专题为大家介绍。先来看看屋顶发电系统结构吧。

  民用的光伏发电系统结构相对简单,而且只需逆变至220V民用交流电压即可,无需再升至高压并网。从上图我们可以看出安装在屋顶的太阳能电池板吸收太阳能后,产生直流电,通过导线汇入汇流箱,再通过逆变器将直流电转为日常所用的220伏交流电。

  目前,国内各大太阳能发电企业都推出了各自的家庭光伏发电系统安装、调试、维护的一整套解决方案。现有投资回收周期一般为5-7年。随着光伏发电系统的推广,其成本将会逐步下调,而政府的鼓励性补贴电价也会逐步上升。相信届时家庭光伏发电系统将走进千家万户,家庭将成为最小的用电以及发电单位。


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