電氣自動化在集中式并網光伏電站中的應用及發展

劉勝俊

（中利騰輝共和新能源有限公司，青海 海南 813000）

1 光伏發電原理和并網形式及特點

太陽能發電是傳統發電的有益補充，鑒于其對環保與經濟發展的重要性，各發達國家無不全力推動太陽能發電的工作，目前中小規模的太陽能發電已形成了產業。在微網中運行，通過中低壓配電網接入互聯特/超高壓大電網，是光伏發電系統并網的重要特點。光伏發電系統并網的基本必要條件是，逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網電壓的頻率和相位相同。光伏發電系統并網有2種形式：集中式并網和分散式并網。集中式并網：特點是所發電能被直接輸送到大電網，由大電網統一調配向用戶供電，與大電網之間的電力交換是單向的方式。適于大型光伏電站并網，通常離負荷點比較遠，荒漠光伏電站采用這種方式并網。分散式并網：又稱為分布式光伏發電并網，特點是所發出的電能直接分配到用電負載上，多余或不足的電力通過聯結大電網來調節，與大電網之間的電力交換可能是雙向的方式。適于小規模光伏發電系統，通常城區光伏發電系統采用這種方式，特別適于建筑結合的光伏系統。集中式光伏電站占地面積較大，而且對光照資源和電網要求比較嚴格。

目前并網光伏電站所擁有的自動化系統有：（1）逆變器的自動檢測功能和自動啟停功能，特點是逆變器作為光伏電站的核心設備，功能強大，地位顯赫，大規模并網光伏電站的逆變器臺數較多，因此每臺逆變器要根據電網電壓、頻率、相位角，自動檢測跟蹤并網，網上也是自動停止運行。（2）綜合自動化后臺，其主要特點是把所有光伏匯流箱、逆變器、箱變的電氣參數通過通信通道匯集在后臺，方便運維人員查看故障，盡快處理。（3）功率自動控制系統（AGC）的應用，最大特點是根據電網的調度要求自動調節光伏電站有功功率輸出。（4）電壓自動控制系統（AVC）的應用，最大特點是通過光伏電站配備的SVG或SVC無功補償裝置，調整電壓，確保并網線路的電壓質量。（5）光功率預測系統，特點是調度根據短期和超短期天氣預報值，下發第2日和下一時段的發電計劃，使隨天氣變化不斷變化的光伏負荷出力，達到可控的目的。

2 光伏并網發電系統的設計

在光伏并網發電系統中有一個最重要的組成部分便是光伏發電單元，光伏發電的工作原理就是借助逆變器將光能轉變成電能，從而服務全社會。圖1的流程圖表示的是光伏并網發電系統的結構，合理地擺放光伏電池，完成對太陽能的有效收集，只要能保證太陽能充足的環境，均可作為光伏電池的陳列位置，一般包括戈壁、沙漠以及建筑物的頂端處。DC/DC通常被稱作功率跟蹤器，DC/DC的主要作用是可以確保光伏并網發電系統中的功率處于穩定的狀態，借助蓄電池的功能完成光伏發電項目的調度，然后實現電能的存儲，同時，這個過程會大大增加DC/AC的工作壓力。而DC/AC常被稱作逆變器，主要是連接電網系統和光伏發電系統的樞紐，它們之間相互連接的穩定程度主要取決于系統的應用，當光伏發電項目接入的數量越來越多時，一方面促進電網實現智能化，另一方面可以提升社會全體推廣使用太陽能的力度，如此一來，在很大程度上減輕了使用傳統電能所面臨的挑戰。

圖1 光伏并網發電系統結構圖

3 光伏并網發電系統運行方案及控制技術

3.1 兩級式光伏發電系統的總體控制策略

圖2顯示的電路圖是光伏并網發電系統的總體控制策略。光伏并網發電系統能檢測到光伏電池，該電池常會將電壓和電流輸出，采樣調理電路可將輸出的電壓和電流處理后再輸至數字信號處理技術（俗稱DSP），然后再進行數字濾波處理，最后作為最大功率點去跟蹤輸入變量。對直流母線的電壓進行測定，在數字濾波處理完成的基礎上，求其與直流母線參考指令信號的差值，由電壓調節器輸出誤差信號，確保直流母線的電壓處于穩定狀態，電流幅值乘以正弦表求得電流指令信號，然后求其與已被輸出至DSP的并網電流采樣濾波值的差值。

圖2 系統總體控制策略

3.2 最大功率點跟蹤（MPPT）技術

在電子學的理論中，式（1）可完全等效與光伏電池的數學模型。

式（1）中：I 為光伏電池輸出的電流；IL為光生電流；IO為二極管飽和電流；U 為光伏電池輸出的電壓；q 為電子的電荷量；A 為二極管特性因子；K 為波爾茲曼常數；Rs為與光伏電池等效的串聯電阻；Rsh為與光伏電池等效的并聯電阻。圖3為等效電路圖。

在光伏發電系統的實際應用中，以下兩種方法最為常用：（1）擾動觀察法，該法能準確的處理最大功率點的位置，從而對跟蹤功率整體的狀態進行有效控制。（2）電導增量法，該法可以確定光伏列陣中曲線的變化，通過曲線的變化呈現出峰值，從而判斷該階段是否處于最大值。

圖3 光伏電池數學模型

3.3 孤島檢測技術

孤島保護方法主要有兩種方式：（1）被動式；（2）主動式。其中被動式檢測判斷孤島效應的方法有兩種：（1）通過檢測電壓（與電網公共耦合點處）來判斷；（2）判斷與電網公共耦合點處頻率的異常狀況。而主動式檢測判斷孤島效應的方法則是需要人為地引入擾動信號，然后在檢測公共耦合點處電壓或判斷公共耦合點處頻率的異常狀況。在光伏電網系統的實際應用中，通常都是結合使用主動式和被動式。孤島保護方法中被動式最常用方法的就是過壓或欠壓，其中過頻或欠頻檢測方法，通常是指公共耦合點處電壓或其頻率有一個規定的上下限值，將檢測出的電壓和頻率與規定值進行對照，確定孤島效應的發生情況。不過有一種情況是無法準確地判斷孤島效應，也就是說會有檢測盲區出現的情況，比如光伏逆變器并網處接的負載和其輸出的功率非常相近時，就無法做出準確的判斷。而孤島保護方法中的主動式孤島保護法則采用主動頻率偏移法，簡稱AFD，其工作機理是：光伏并網系統間隔一定的時間，人為的擾動一次注入電網電流的頻率（用△?表示），注意擾動的幅度需要非常微小；光伏電網系統在正常運行時，經檢測后公共耦合點電壓或其頻率值均在規定的上下限之間。但光伏電網系統運行出現異常時，公共耦合點電壓或其頻率值會發生很大的變化，因此當再次進行人為微小擾動時，此時光伏電網系統的基準值就會以變化后的屯為準，再重新疊加一個矽的擾動，如此在不斷積累后，耦合點電壓頻率就會逐漸偏離電網規定的正常頻率，直到超過并網檢測規定的標準，最終產生孤島保護。

3.4 光伏并網發電系統中的安全保護技術

對于光伏并網發電系統的檢測方法來說，防孤島保護可以起到對其主動保護的作用，在電網系統的實際應用中進行模擬實驗，準確地觀察并分析電網中的負載數據，預測光伏電網系統是否會出現異常即斷電情況，而此時系統中的逆變器也受到了控制，最終有效地保護了發電系統。

4 結語

綜上所述，太陽能光伏發電技術作為一種綠色可再生的新能源而備受關注，迅速發展的光伏并網發電既可以改善生態環境，又可以提高人們的生活方式。光伏發電系統與常用的火力發電系統相比，具有無枯竭危害，安全可靠、無噪聲、無污染，不受資源分布地域的限制，可利用荒坡或建筑屋面的優勢，無需消耗燃料，建設周期短等特點；最重要的是簡單化的運營管理。