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光伏发电并网及其相关技术发展现状与展望

作者:尊龙人生就是博手机版    发布时间:2020-07-24 01:34    

  摘要:介绍了光伏发电的优势及发展方向,着重阐述了国内外光伏发电技术的发展现状及前景。鉴于光伏发电出力的随机性和不连续性,最大功率点跟踪技术(MPPT)一直都是研究重点,随着光伏技术的发展,MPPT也为了满足新的要求而不断发展,一些改进方法应运而生,以提高系统稳定性并适应各种运行条件。光伏电站并入电网运行会对电网造成多方面影响,例如孤岛效应、谐波污染、无功补偿、电压闪变等问题,随着光伏电站容量的增大,上述问题更是迫切需要解决,本文总结了一些目前用于解决这些问题的方法。逆变器是光伏发电并网的关键技术,在这方面本文叙述了并网逆变器的功能,拓扑结构的发展、有待解决的问题以及大型光伏电站并网逆变器的发展趋势。

  世界范围内三大化石能源的储量正在日趋枯竭,能源危机已经成为人类面临的最大挑战。因此,为了保证人类生态环境,同时又减少大气污染,维持能源的长期稳定供应,各国都在大力发展可再生能源,与水电、风电、核电等相比,太阳能发电拥有无噪音、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点。另外,丰富的太阳辐射能,是取之不尽用之不竭的廉价能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万kW,如果把地球表面的0.1%的太阳能转化为电能,且转化率为5%,那么每年发电量可达5.6×1012kWh,相当于目前全球能耗的40倍。

  经过多年的研究,光伏发电已经成为较为成熟的一项新能源技术,其中光伏电站的大型化和并网化已经成为今后的发展方向及研究重点。并网光伏系统指的是光伏发电系统与常规电网相联,一起承担供电的任务。随着光伏技术的不断发展,光伏电能已经渐渐由补充能源向替代能源过渡。

  自1985年起,我国就进行光伏器件的研究,并且在20世纪70年代的时候制造出空间光伏电源,到了80年代,我国还渐渐引进了美国单硅太阳能电池以及非晶体硅太阳能电池。经过多年的努力,光伏在我国已经迎来了快速发展的阶段,在发展政策方面,“金太阳工程”的实施使得光伏产业得到了极大的支持。据统计,截至到1997年,我国安装各类光伏系统的总量(其中包括进口系统)已达到11MW,并且还先后建立了20kW以上光伏电站7座,其中1998年在西藏安多县海拔4500m处,我国建成的100kW光伏电站,还成为世界上最高的光伏电站。2010年1月16日,采用阳光电源大型并网逆变器的3个大型光伏电站并网发电仪式在宁夏吴忠市太阳山集中举行,这是当时国内光伏电站最大规模的一次性并网,这次成功并网为我国荒漠光伏电站的推广应用起到了良好的示范和借鉴作用,在中国新能源行业和低碳经济领域具有重要意义。另外值得一提的是,在2010年的上海世博会上,由合肥阳光电源有限公司承建的世博会主体工程主题馆、中国馆的大型光伏发电系统并网发电取得成功,为举世瞩目的上海世博会提供了清洁绿色的电力。

  在我国,76%的国土光照充沛,全年辐射总量为917~2333kWh/m2,理论总储量为147×108GWh/a,光能资源分布较为均匀,资源优势得天独厚,所以光伏发电应用前景十分广阔。我国能源供应中占主导地位的煤,其消耗量相当之大,同时也带来了众多严峻的环境问题,从环境和能源双重考虑,我国政府已经着手计划并采取有效的措施以发展可再生能源技术。根据2007年我国制定的《可再生能源中长期发展规划》可知,到2020年太阳能发电总容量将达180万kW,并且按照有关专家的预测,这一数字有望达到1000万kW。

  从市场方面考虑,我国仍有许多地区处于缺电甚至无电的状态,人民急需生活用电,再加上我国的经济迅速发展,为光伏市场提供了更好的发展空间,可以预测并网型光伏电站很快就会进入市场,一定会为提升人民生活质量做出巨大的贡献。

  在全球,光伏产业一直处于发展迅速的状态,1996年到2006年这10年里,太阳电池及组件生产的年平均增长率高达33%,早已经成为现如今发展最迅速的高新技术产业之一。2004年世界光伏电池及组件产量已达到1200MW,这其中日本生产量为610MW,超过50.8%;欧洲320MW,占据26.7%;美国135MW,占据11.25%;其他国家总产量为135MW,占据11.25%。随着技术的发展,并网发电在光伏市场中的份额逐渐开始增加并慢慢占据主导地位,并网光伏系统在太阳能发电中的比例不断变大,光伏发电已经开始逐渐从偏远地区的特殊用电向城市的生活用电过渡。21世纪以来,全球太阳能光伏并网发电年度并网容量增长44.1倍,从2000年的187MW递增至2008年得12.95GW,年增长率达60.99%,同比2007年增长了72.67%。全球太阳能光伏并网发电并网累计总量增长10.5倍,从2000年的1.435GW增长至2008年的16.4GW,年增长率35.6%,同比2007年增长60.78%,据统计,到了2010年,全球累计并网接近30GW。在欧洲,2010年左右,欧盟安装的太阳能光伏容量已经达到3GW,预计到2020年,太阳电池组件的年产量将达到54GW。

  在世界各国中,日本由于资源紧缺,很早便重视发展光伏发电,并且从1999年起太阳电池组件的生产就超过了美国而居世界第一位,在其提出的“面向2030光伏路线图的概述”中还明确指出,到2030年,全国累计安装太阳电池组件容量要达到1000GW。

  在美国,1999年前,其太阳能光伏研究与发展一直处于世界第一,但随后因为种种原因,渐渐落后于日本及欧洲。2004年9月,美国提出了“我们太阳电力的未来:2030及更久远的美国光伏工业线路图”,明确要恢复美国在光伏领域上领先地位的目标,政府增加科研投入,于是在那之后,美国安装太阳电池组件的增长率每年大概都在30%以上,同时美国预计,到2020年时累计安装太阳能电池组件容量将达到36GW,平均每年安装7.2GW,到2030年累计安装太阳电池组件容量将达到200GW,太阳能发电总量将高达3699亿kWh。

  全世界光伏技术的飞速发展,具体表现在以下几个方面:①累计安装太阳电池组件容量增加;②太阳电池组件的价钱不断降低;③太阳电池组件的寿命不断增长;④硅材料的消耗降低;⑤屋顶并网光伏系统增多;⑥发电成本降低,电价降低;⑦大型光伏电站越来越多。

  光伏发电最大的特点就是其输出的随机性、不连续性和不确定性,而且光伏输出还与其影响因子呈现非线性的关系。太阳辐照度和周围的环境温度都是人们所无法控制的,而这两点却恰恰是影响光伏发电输出的关键,随着辐照度和温度的改变,光伏阵列的输出端电压随之改变,从而光伏阵列的输出功率也将改变。所以,光伏发电的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking MPPT)成为了研究重点,MPPT的目的是使光伏阵列在辐照度和温度改变时仍能获得最大功率输出,并且还要求MPPT具有快速性、准确性和稳定性。

  MPPT算法可以分为自寻优法和非自寻优法两大类,自寻优法包括爬山法、扰动观测法、电导增量法、恒定电压法、短路电流法、寄生电容法等;而非自寻优法主要是曲线拟合法。相比之下,自寻优法应用更为广泛,每种方法各有优缺点。以下是几种常见MPPT的工作原理。

  相对于温度变化对光伏阵列输出功率引起变化,辐照度的变化对光伏阵列输出功率的影响更加明显,而经过研究得出结论,不同辐照度下最大功率点对应的输出电压变化量不是很大(如图1所示)。因此可以粗略认为最大输出功率对应某个恒定的电压,就是说可以把MPPT控制简化当作稳压控制。此方法的优点是控制起来简单,比较容易实现,但是由于其忽略了温度对光伏出力的影响,所以精度并不是很高。

  在光伏阵列正常运行时,通过不断加以微小的电压波动来扰动光伏阵列的输出电压,在端电压变化的同时检测输出功率变化的方向,就能确定寻优方向,从而决定下一步电压参考值的大小(如图2所示)。此方法较恒定电压法精度更高,而且被测参数少,易于实现。但是此方法不适合环境快速变化的时候使用,而且由于不断的人为加入的扰动,光伏输出功率不能稳定在最大功率点上,而是在其附近震荡。

  由光伏阵列的P-V特性曲线可知,存在唯一的最大功率点,并且在最大功率点处,功率对电压的导数为零。因此,有

  因此,当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,光伏阵列工作点即为最大功率点,这就是所谓的导纳增量法。此方法有极高的准确性,而且当环境快速变化时仍能具有很好的跟踪性。但是相比之下导纳增量法实现起来也较为复杂,对微处理器的要求也是比较高的。

  早期的光伏系统大多采用恒定电压控制法,因为该方法简单易行,且基本能跟踪最大功率点,但随着电力电子及控制技术的发展,恒压法的简单性与其造成的能量损失相比已经变得很不合理。因此新的控制方法应运而生,例如文献[10]经仿真对比后得出结论,大容量并网型光伏发电系统的MPPT通常会选择扰动观测法。而文献[13]中采用了具有优良跟踪性能的导纳增量法来实现单级光伏并网的MPPT。

  随着在这方面的研究不断加深,一些基于上述自寻优算法的改进算法也随之产生,例如文献[14]中提出了一种基于电导增量法的改进算法,从而能改善最大功率点附近的振荡现象,提高光伏电池的发电效率。文献[15]又提出了一种基于扰动观测法的改进算法,可以区分是由扰动自身引起的输出功率变化还是由于辐照度变化引起的输出功率变化,改进后的算法在辐照度突然变化的情况下仍可以进行准确的追踪。

  在众多需要研究的问题中,大规模光伏并网发电系统将对电网会产生的影响是迫切需要回答的问题。

  当系统供电因事故、故障或者停电维修而停止时,各用户端的光伏并网发电系统有可能与周围的负荷构成一个电力公司没办法掌握的自供给供电孤岛,这给检测人员带来危险,即所谓的孤岛效应[16]。孤岛效应会对整个电网造成许多危害,文献[17]详细阐述了在孤岛运行中并网光伏逆变器的运行状态。为了防止孤岛危害的出现,防孤岛保护必不可少,主动式和被动式保护各有优缺点,因此光伏系统里应设置至少各一种防孤岛效应保护,当电网失压时,要求防孤岛效应保护应在2s内动作,断开与电网的连接。

  在光伏并网过程中运用了大量的电力电子设备,特别是DC/AC逆变器,会产生大量谐波,并网运行时,向公共并网点注入的谐波电流应满足GB/T14549-1993的规定,来自文献[18]的表1详细阐述了各次谐波的电流畸变限值。文献[19]和[20]都提出采用一种基于p-q运算方式的谐波电流实时检测,从而获得补偿谐波电流的参考值,并利用基于电流无差拍控制的PWM方法进行谐波电流补偿。文献[21]也提出了一种用于两级光伏系统中的四桥逆变器,利用PWM控制及由电压外环和电流内环组成的双环控制系统来完成谐波电流的检测与补偿。

  光伏并网逆变器存在一定的无功消耗,所以应配备一定的无功补偿装置以具备无功调节能力,来保证电站功率因数和高压侧母线电压保持在合理的范围内。特别是对于功率因数比较高(不小于0.98)的光伏并网发电系统,更需要进行有效的无功补偿,从而实现无功的分层分区以及就地平衡,以减少光伏发电接入时对电压的影响,另外还可以降低线损,保证逆变器的正常运行,例如,光伏发电系统以10kV电压等级接入系统,则10kV侧的功率因数在0.85~0.98范围内,通常应按装机容量的60%配置无功补偿装置。为了检测无功电流并进行补偿,文献[19]和[23]阐述了一种基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法,并可以和谐波电流的检测相结合,将两者的检测值相加后作为补偿电流参考值,同时完成对无功补偿和谐波抑制两项功能。

  电压闪变是电能质量的重要指标之一,辐照度恒定时比变化时对电网电压闪变的影响较小;辐照度越大,光伏阵列输出功率越大,对电网电压闪变的影响越大;辐照度变化程度越大,输出功率的波动越大,从而对电网电压闪变的影响越大。

  在光伏发电并网中,并网逆变器的设计是核心内容和关键技术。研究逆变器的结构以及控制方法,是为了提高系统的发电效率,同时降低发电成本。光伏并网逆变器与其他的逆变器有很多不同的地方,它的作用不仅是将光伏电池阵列输出的直流电转换为交流电,还应该可以对频率、电压、电流、有功及无功、电能质量(电压波动、高次谐波)等进行控制。

  ①可自动开关。根据从一天的光伏辐照度,尽量发挥光伏电池方阵输出功率的潜力,并期在此范围内可以自动开启和停止。

  ②能实现最大功率点跟踪(MPPT)的控制。当光伏阵列的表面温度以及光伏辐照度发生任意的改变时,阵列仍可以在控制下保持在最大功率输出的工作状态下,从而提高太阳电池的转换效率。

  ③满足电网电能质量的要求。为了避免光伏发电并网系统对公共电网的污染,逆变器应输出失真度小的正弦波,影响波形失真度的重要因素之一是逆变器的开关频率,可以采用高速DSP等新型处理器来提高开关频率。另外,根据系统容量大小要适当选择功率元件,小容量低压系统适合采用功率场效应管(MOSFET),高压大容量系统适合采用绝缘栅双极晶体管(IGBT),而特大容量系统更适合采用可关断晶闸管(GTO)。

  ④要具备防止孤岛运行的功能。根据IEEE2000-929和UL1741标准,光伏并网逆变器需要具备防孤岛运行的功能,其关键在于对电网断电情况的快速检测,特别是当负荷电力与逆变器输出电力接近或相同,难以察觉停电事故时,更应该做出准确检测,以免造成工作人员的生命安全问题。

  ⑤技术方面的要求。在技术上要求逆变器具有更大的单体容量、更高的电压等级,利用有功与无功实现解耦控制,具有更强的抗干扰能力,具备符合智能电网标准的网源互动技术。

  早期出现的光伏并网逆变器都是单级拓扑机构,如图3(a)、(b)所示,随后光伏逆变器由单级向多级发展。根据逆变器回路不同,图3中的逆变器拓扑可以根据有无变压器分为无变压器结构、电网频率变压器绝缘结构以及高频变压器绝缘结构。

  电网频率变压器绝缘拓扑结构,利用脉宽调制(PWM)控制使得逆变器产生与电网频率相同的交流,并采用变压器进行绝缘和升压。此结构具有良好的抗雷击以及消除尖波的性能,但是由于采用了电网频率变压器,因此整个系统比较沉重。而对于高频变压器绝缘结构,其优点是体积相对来说较小、质量轻,但是回路较为复杂。无变压器光伏系统,虽然体积小、质量轻、成本也较低、可靠性比较高,但与电网之间没有绝缘。另外,后两种拓扑结构均具有检测直流电流输出的能力。无变压器方式的逆变器经过近年来的改进发展,因其效率高等优点得到了广泛的应用。例如文献[26]中就提出了一种改进的无变压器逆变器,可以承受同全桥逆变器一样的低输入电压,并保证不产生共模泄露电流,再加上应用SPWM技术,使得效率提高,输出电流的谐波含量也大大减少了。

  随着并网逆变器由单级向多级发展,电能转换级数也随之增加,但是单级结构具有结构简单、损耗少、易控制等优点,因此为了结合两者的优点,逆变器发展出集中型、串级型、模块集成型等结构。但这种结合就需要一种多台逆变器的统一控制,从而提高整个系统的效率。特别地,针对大容量光伏并网系统,怎样更好抑制低功率时的电流谐波?怎样解决多台逆变器同时并网时电流谐波的叠加问题?如何在电网电压谐波大时,仍旧保证较的低电流谐波?这些都是迫切需要解决的技术性问题。另外,随着光伏电站容量的增加,大型光伏电站并网时系统结构和控制策略也变得更加复杂,有些之前可以忽略的地方变成了必须要解决的问题,所以对并网逆变器的要求也随之增加,设计多模式逆变器控制变得十分有必要。

  ①最大功率点跟踪技术方面:由于光伏发电最主要的出力特性为随机性,并且受环境条件影响很大,所以最大功率点跟踪技术成为研究重点,一些基于传统方法上的改进方法不断研究成功,大大改善了精确度和动态响应的快速性,以后还会有更多的先进方法产生,以提高光伏发电的效率。

  ②光伏发电并网技术方面:光伏并网发电受技术、投资等限制起步较晚,但光伏发电的并网化和大型化无疑是将来的主要发展趋势。大规模光伏电站发电作为一种先进的新能源发电方式,当其接入电网时会产生谐波、电压波动等多方面的负面影响,随着光伏发电容量的不断增大,许多之前可以忽略的问题变成必须要考虑的因素。目前已经有多种解决这些问题的控制手段和保护措施,甚至在逆变器的设计方面也已经加入了相应的控制器。

  ③并网逆变器及其控制方面:逆变器是光伏发电并网系统中的核心和关键,合理地设计并改进逆变器的结构和控制方法可以有效地提升系统效率。

  随着技术的发展,逆变器由单级拓扑结构发展为多级拓扑结构,目前还出现了许多结合单级和多级的优点而产生的拓扑结构。虽然上述改进可以提高光伏系统的效率,但由此也带来一些关于多个逆变器统一控制的问题,还有如何处理多个逆变器产生的谐波的叠加问题等,这些都有待在今后的研究中解决。


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