光伏并網(wǎng)發(fā)電及無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制

摘要：實施無功補償和電壓調(diào)節(jié)，使光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)無功功率得到了自動實時補償，實現(xiàn)從離線處理到實時處理，從就地平衡到全網(wǎng)平衡，保證電力的供應穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；發(fā)電原理；無功補償

1、前言

世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴重，清潔的可再生能源的發(fā)展和應用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一。

2、太陽能光伏發(fā)電的原理

太陽能光伏發(fā)電利用了太陽能電池的光生伏打效應，是一種直接將太陽輻射（直接輻射、散射輻射、反射輻射等）能轉(zhuǎn)化成為電能的發(fā)電形式。所謂光生伏打效應就是當物體受光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN節(jié)時，就會在PN節(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓，這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應。太陽能光伏系統(tǒng)由太陽能電池組件、充放電控制器、逆變器、監(jiān)測儀表、蓄電池或其他蓄能和輔助發(fā)電設備組成。根據(jù)其應用場合的不同，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合系統(tǒng)3類。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛建立于距離電網(wǎng)較遠的偏遠山區(qū)、無電區(qū)、海島、荒漠地帶等，向獨立的區(qū)域用戶供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將用戶光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這種方式具有對電網(wǎng)調(diào)峰、減少建設投入、靈活性強等優(yōu)點，逐漸成為太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢，但是存在“孤島效應”，并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器必須對電網(wǎng)進行監(jiān)控，一旦發(fā)生停電，能迅速停止向電網(wǎng)供電。混合系統(tǒng)具有很強的適應性，可以綜合利用各種發(fā)電方式的優(yōu)點，避免各自的缺點，達到對太陽能的充分利用，有較高的系統(tǒng)實用性，但也有其自身的缺點，如控制比較復雜、比獨立系統(tǒng)需要更多的維護等。

3、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制原理

SolarArray為太陽電池陣列，其正負輸出分別接電壓型三相逆變橋的直流母線，三相逆變橋的交流輸出經(jīng)電抗器并接電網(wǎng)。太陽電池陣列作為直流電源輸入，由于太陽電池陣列本身的V-I特性和P-V特性具有強烈的非線性，且隨光照和溫度變化，因此，如果要使光伏陣列在并網(wǎng)發(fā)電時，能夠輸出最大功率，必須首先穩(wěn)定其輸出電壓，并找出其最大功率點的工作電壓。常規(guī)光伏并網(wǎng)型逆變電源的直流母線的電壓控制與有源無功補償和濾波的直流母線的電壓控制方式是一致的，即通過并網(wǎng)電流的有功電流分量大小和方向來穩(wěn)定直流母線電壓。因此，兩者的統(tǒng)一控制是可行的，通過檢測負載交流母線上的無功電流分量，并將其換算為無功補償電流指令分量，與電壓調(diào)節(jié)輸出的有功電流指令相合成，即可得到最終并網(wǎng)電流指令，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電和無功補償?shù)慕y(tǒng)一控制。三相光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器采用電壓控制為外環(huán)、電流控制為內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)穩(wěn)定光伏陣列的直流輸出電壓，其調(diào)節(jié)輸出產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的線電流參考給定幅值信號；電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)并網(wǎng)電流的跟蹤控制，并保證電流跟蹤的快速性和誤差。

太陽電池陣列工作電壓的穩(wěn)定控制是系統(tǒng)所必須的，由太陽電池陣列特性可知，其工作電壓的選擇可以決定太陽電池陣列當前功率輸出，最大功率跟蹤也就是最佳工作電壓的選擇，控制單元MPPT完成最大功率點工作電壓Vdc*的確定，并根據(jù)光伏陣列的輸出功率和電壓幅值大小識別白天和夜晚。AVR為電壓調(diào)節(jié)控制單元，其調(diào)節(jié)輸出為并網(wǎng)電流的有功分量幅值給定Ip*。

要實現(xiàn)有源濾波和無功補償?shù)目刂疲潢P(guān)鍵技術(shù)是電網(wǎng)無功和諧波的檢測，為了保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對無功電流補償?shù)目焖俜磻Ｔ跓o功電流檢測完成的基礎上，其各相檢測值作為無功電流分量的指令值，系統(tǒng)產(chǎn)生反相無功電流，與直流電壓環(huán)輸出并網(wǎng)電流的有功分量合成，作為調(diào)節(jié)器輸出電流指令。前者反映了負載所需的無功能量，后者反映了陣列向電網(wǎng)輸送的有功能量。K2單元為電網(wǎng)電壓前饋控制，可以有效地抑制電網(wǎng)電壓對電流跟蹤的影響。

4、無功補償控制方法

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對無功電流的實時補償，需要裝置的輸出電流能夠自動跟蹤計算所得到的參考電流。系統(tǒng)通過瞬時無功功率理論的控制算法可實現(xiàn)對無功電流實時檢測，得到需要補償?shù)臒o功電流。通過對三角波控制方法與滯流環(huán)控制方法的分析，系統(tǒng)采用滯流環(huán)控制方法實現(xiàn)無功電流補償。

4.1三角波控制方法

三角波控制方法的原理是將檢測得到的電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波比較，得到PWM脈沖作為逆變器控制各開關(guān)器件的信號，在逆變器輸出端口檢測獲得所需電流。由于調(diào)節(jié)器參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)決定，并且系統(tǒng)參數(shù)難以完全準確地獲得，因此參數(shù)很難準確確定，需要補償?shù)臒o功電流很難準確補償。電流實際值與參考值之間的偏差須經(jīng)過調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為電壓信號后才能與三角載波相比較。調(diào)節(jié)器可以是比例調(diào)節(jié)器，也可以是比例積分調(diào)節(jié)器。

4.2滯流環(huán)控制方法

滯流環(huán)控制方法是將補償電流的參考值與逆變器實際電流輸出值的差輸入到具有滯流環(huán)特性的比較器中，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開合，從而實現(xiàn)逆變器輸出值實時跟蹤補償電流參考值的目的。由于裝置是通過電抗器與電網(wǎng)相連，此時裝置輸出電流的變化率與電抗上的電壓差存在線性關(guān)系。因此在需要增大補償電流的時候可控制開關(guān)器件使直流側(cè)電壓正串在系統(tǒng)電壓上，從而增大向系統(tǒng)注入的電流；需要減小補償電流的時候，控制開關(guān)器件使直流側(cè)電壓反串在系統(tǒng)電壓上，從而減小向系統(tǒng)注入的電流。由于這種線性對應關(guān)系，采用滯流環(huán)控制方法時不需得到裝置輸出電壓電流之間具體的比例和相位關(guān)系，因此較簡單實現(xiàn)其補償功能。

5、結(jié)束語

總之，光伏并網(wǎng)發(fā)電及其無功補償?shù)目刂拼蟠筇岣吡斯╇娰|(zhì)量，促進了電力行業(yè)的發(fā)展進步。

參考文獻

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