光伏并网发电系统的结构和基本原理

1、光伏并网发电系统的结构和基本原理1.1 光伏并网发电系统的组成及分类1.1.1 光伏并网发电系统的组成 光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电 网电压同频同相的交流电， 并且实现既向负载供电， 又向电网发电 的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器 和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件， 由其将接收到的太 阳光能直接转换为电能。 目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定 数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、 并联 组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心， 它将光伏阵列发 出的电能逆变成 220V/50Hz 的正弦波电流并

2、入电网。电压型逆变器 主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电 能。控制器一般由单片机或 DSF芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。 继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。1.1.2 光伏并网发电系统的分类 光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏 并网发电系统。 单级式光伏并网发电系统中， 并网逆变器要同时完成MPPT和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化 的前提下控制并网电流与电网电压同频同相； 两级式光伏并网发电 系统中，并网逆变器只需进行逆变控制， 光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT由前级

3、DC/DC变换器完成，并网逆变器通过控制 DC/DC变 换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证 输出电流与电网电压频率、相位完全一致。1.2光伏阵列模块工作点（MPPT跟踪控制光伏阵列输出特性太阳能电池是利用半导体光伏效应制成，它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。Ia:（ 1中：光生电流，正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度I D：暗电流；R sh :旁路电阻；R S：串联电阻；R L：电池的外负载电阻；U oc :电池的开路电压。）图2-1太阳能电池电路模型输出负载R上电压电流关系I RLI phqIos exp Url IrlRAkTU

4、 RL 1 RL 尺Rsh式中q k :电子电荷量及波尔兹曼常数;A:太阳能板的理想因数，A=1.5 ;T:太阳能板的温度；I so :太阳能板的逆向饱和电流，与T有关。由光伏电池数学模型分析可知 ，太阳能电池的输出是一个随 光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下，即光照1 kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能 板的输出开路电压Uw和输出短路电流iSc的值由生产厂家给出。由图2-2光伏电池输出特性曲线可知，光伏电池在输出电压较 低时，其输出电流几乎不变，可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电压变 化而

5、变化，在变化过程中存在一个最大值。图2-2太阳能电池典型输出曲线1.1.2 MPPT控制方法观察光伏电池输出功率特性 P-U曲线可知，太阳能电池有一个 最优工作点 , 叫做最大功率点 （MPPT）, 它取决于电池板温度和光 照大小 , 不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率 点。即使在同一温度和光照条件下 , 由于太阳能电池的工作电压不 同, 也会使太阳能电池输出功率不同。 要使光伏电池尽可能地工作 在最大功率点，需要使用最大功率点跟踪（MPPT）控制。最常用的最 大功率点跟踪方法有：恒定电压跟踪法（CVT）、扰动观察法、电导增量法 4 等。1、恒定电压跟踪法通过观察光伏系统 P-V

6、关系曲线图，发现在一定的温度下，当日照强度较高时， 诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的 两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电 压，这就大大简化了 MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处 获得数据Vmax，并使阵列的输出电压钳位于 Vmax值即可，实际上是把 MPPT空制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT空制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏 系统可望获得多至 20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路 电压的影响， 特别是在环境温度变化比较大的场合， 会产生较大的 偏差，从而浪费较大的电能。CVT控制的优点是：控制简

7、单，易实现，可靠性高；系统不会 出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。缺点是： 控制精度差， 特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区； 必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。图2-3采用CVT空制的控制流程图2、扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的， 方向可以是增加也可以 是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”；然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向 继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的 方向。当扰动达到稳态后， 光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附 近的一个小范围内来回振荡，从而导致部分功率损失；其次，难以 选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵 列可能长时间运行于低功率输出区， 步长过大， 太阳能电池阵列在 最大功率点附近的振荡又会加大， 跟踪精度下降， 从而导致更多的 功率损失。由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点： 优点： 跟踪方法 简单， 被测参数少， 传感器