光伏逆變器功率輸出特性研究

耿新輝

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

光伏逆變器功率輸出特性研究

耿新輝

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

從光伏逆變器的物理結(jié)構(gòu)和控制機(jī)理入手，研究分析了其有功功率和無功功率輸出特性，研究表明：光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，在進(jìn)行電能交直流變換的同時(shí)，也具備一定無功功率調(diào)節(jié)能力，光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行應(yīng)充分利用這部分無功調(diào)節(jié)容量。

光伏逆變器；結(jié)構(gòu)；功率輸出特性

0 引言

太陽能是地球上最豐富的能源，其受地域限制較小，幾乎可以在地球上任一個(gè)地區(qū)使用。我國的太陽能資源十分豐富，每年陸地接收的太陽輻射總量大約是1.9×1015kW·h，相當(dāng)于2.4萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，具備開發(fā)光伏發(fā)電的良好資源條件。在我國，有2/3的國土面積年日照小時(shí)數(shù)在2 200 h以上[1]。近年來，我國并網(wǎng)太陽能發(fā)電呈現(xiàn)跨越式發(fā)展，截至2012年底，我國并網(wǎng)光伏發(fā)電裝機(jī)容量已近800萬kW，在青海形成了百萬千瓦級(jí)光伏發(fā)電基地。根據(jù)國家新能源發(fā)展規(guī)劃，到2015年，我國并網(wǎng)光伏發(fā)電容量將達(dá)到3 500萬kW。隨著光伏發(fā)電站數(shù)量和規(guī)模的不斷加大，光伏發(fā)電本身所特有的季節(jié)、晝夜的功率輸出波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定的影響，主要表現(xiàn)在光伏發(fā)電站并網(wǎng)后的系統(tǒng)繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量、電網(wǎng)調(diào)頻與調(diào)壓和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面。因此，有必要深入研究光伏發(fā)電的功率輸出與控制特性，提高光伏發(fā)電的可預(yù)測性與可控性。而作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件——光伏逆變器，其控制機(jī)理和功率輸出特性直接影響到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的輸出特性。

1 光伏逆變器的典型物理結(jié)構(gòu)

根據(jù)是否包含直流變換器，逆變器可以分為單級(jí)式和多級(jí)式[2]，如圖1所示。單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器直接與光伏方陣相連，中間有直流電容作為能量緩沖單元；雙級(jí)式光伏逆變器是級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)，光伏方陣的輸出電壓經(jīng)過一級(jí)直流Boost升壓電路后再連接逆變器，直流變換器同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和最大功率追蹤功能。根據(jù)是否包含隔離變壓器，逆變器又可以分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器。

圖1 光伏逆變器典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 光伏逆變器的功率輸出特性

2.1 有功功率輸出特性

逆變器的有功出力特性主要與氣象環(huán)境、最大功率跟蹤控制策略及電站級(jí)有功指令有關(guān)[3]。逆變器將光伏方陣的直流電能逆變成交流電能，考慮到開關(guān)損耗，因此其輸出功率必然小于光伏方陣的輸出功率。而光伏方陣的輸出功率主要由輻照度、溫度及直流電壓決定。通過采用最大功率跟蹤(MPPT)可以調(diào)整直流電壓，使逆變器的輸出功率最大化，但仍然小于當(dāng)前氣象環(huán)境下的光伏方陣所能產(chǎn)生的最大功率。根據(jù)系統(tǒng)頻率和電網(wǎng)調(diào)度指令等，電站級(jí)控制器將對(duì)逆變器的有功功率進(jìn)行限幅[4]。如圖2所示。

圖2 擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT的過程

2.2 無功功率輸出特性

不考慮光伏發(fā)電站的無功補(bǔ)償裝置作用，光伏發(fā)電的無功出力能力主要由光伏逆變器決定。在根據(jù)光伏逆變器的并網(wǎng)原理得到逆變器無功出力特性的基礎(chǔ)上，光伏發(fā)電站的無功出力特性為站內(nèi)所包含逆變器的無功出力能力疊加得到。在已知有功出力的情況下，無功出力主要受所設(shè)計(jì)的逆變器開關(guān)管容量的限制。其次，即使在逆變器容量足夠大的情況下，還受傳輸線路、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)調(diào)度指令等因素的限制。

參考圖3，光伏發(fā)電系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的有功、無功可以表示為：

(1)

式中，Pgen、Qgen為逆變器輸出的有功、無功功率；Ub、Uterm為逆變器橋臂電壓和交流側(cè)輸出電壓；xL為橋臂電抗；δ為電壓相角差。

圖3 單級(jí)式光伏發(fā)電單元

則：

(2)

上述變量計(jì)算時(shí)，單位均取標(biāo)幺值。

而Pgen在0～Pmax之間變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際工作區(qū)域如圖4中陰影區(qū)域所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功、無功極限圖

所能發(fā)出的無功上下限為：

(3)

在實(shí)際的逆變器中，由于xL較小，因此圖4中圓的半徑r很大，而實(shí)踐中受光伏逆變器容量Sgen(即視在功率)的限制，因此實(shí)際的無功功率極限范圍小于圖中的陰影部分。

3 結(jié)語

研究表明：光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，在進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也可以提供一部分無功調(diào)節(jié)容量。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)充分考慮和利用這部分無功調(diào)節(jié)能力，并提高有功功率的可控性，最終實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電友好接入電網(wǎng)。

[1]尹忠東，朱永強(qiáng).可再生能源發(fā)電技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010

[2]趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2008

[3]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[4]蘇建徽，余世杰，趙為，等.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽能學(xué)報(bào)，2001(4)

2014-07-11

耿新輝(1963—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，主要從事配電自動(dòng)化、微電網(wǎng)和新能源接入研究工作。