并网发电论文范文（精选12篇）
并网发电论文 第1篇
建筑集成光伏系统(Building Integrated Photovoltaic,BIPV)是城市大规模应用光伏发电的发展方向[1,2,3]。国外建筑光伏已发展较长时间,正在推进实施的有美国的百万太阳能屋顶计划、德国的十万太阳能屋顶计划以及日本的新阳光计划和先进光电PV计划。近几年建筑光伏在我国发展迅速,深圳市国际园林花卉博览园总装机容量为1 MW、上海世博会场馆总装机容量为4.6 MW,京沪高铁上海虹桥铁路客运站光伏发电项目总装机容量达到6.5 MW都已并网发电。光伏发电间歇性特点是制约建筑光伏并网发电系统发展的重要因素。国外有文献指出,光伏发电在电网容量中不宜超过10%~15%,否则电网会运行困难[4,5,6,7]。光伏发电量预测是光伏并网发电系统的关键技术,受到工程界和学术界高度关注[8,9,10,11,12]。世界能源组织预测2020年,世界光伏发电量占总发电量的1%,2040年上升到20%。我国《可再生能源长期规划》提出,2020年太阳能发电规划目标为2 GW。建筑光伏系统的规模化应用研究已提上日程,高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统对光伏发电量的预测提出了新的要求和挑战。
1 建筑光伏并网发电系统
高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统对光伏发电量的预测提出了新的要求。图1是某10 MW光伏并网电站电网规划图,占地面积为188 000 m2,光伏配置密度为53.2 W/m2。该建筑光伏系统接入电网共有38个接入点,其中:10 kV接入点2个,380V接入点36个;有两个容量为500 kW的功率可调节光伏电站和一个1 MWh储能站。为了降低建筑光伏阵列输出电能的随机性的影响,能量管理系统需要预测光伏发电单元的输出电能,然后依靠预测的输出电能和储能站剩余容量制定发电计划,实现光伏系统出力的最大化以及配网调度优化等需求[13,14,15,16]。
传统的电网发电计划,尤其是日发电计划,主要依赖于对负荷的准确预测[17]。英国的研究表明,负荷预测误差每增加1%,电网运行成本增加1770万元。光伏并网发电系统所发出的电能往往能就地平衡当地的某些负荷,由于光伏并网发电系统的发电量受气候影响显著,使得整个电网的负荷总量具有了更多的时变性和随机性,从而给电网的发电计划,尤其是日发电计划的合理制定,带来了较大的难度。当区域电网存在高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统时,就需要研究基于整个区域电网的光伏发电并网系统的总发电量预测。
2 建筑光伏的发电量预测关键技术
2.1 原理预报法
并网的光伏发电系统包括光电转换和直流/交流逆变两个环节。太阳能光伏发电的基本物理原理是光生伏打效应。在光电转换这个环节,光伏阵列吸收太阳能转换为直流电的效率主要受到了太阳能辐射和板温的影响,同时老化、阵列组合、灰尘以及直流线路的损耗都是需要考虑的因素。光伏阵列的逐时直流发电量(k Wh)表达式为
式中:ηs为为太阳能电池厂商提供的标准测试条件的光电转换效率;α为温度系数(℃-1),与太阳能电池材料有关;Q为倾斜面逐小时太阳总辐射(MJ/m2);Tc为阵列板温(℃);S为光伏组件有效面积(m2);K1为光伏阵列由于老化、失配、尘埃遮挡、直流回路线路等原因的损失系数。
直流/交流逆变环节的转换效率主要由逆变器装置决定。并网逆变器的逐时交流发电量(k Wh)表达式如式(2)所示。
式中:η为并网逆变器转换效率;K2为交流回路线路损失系数。
综合考虑上述因素,建立光电转换模型以及相关的计算公式,输入太阳能辐射预报值进行光伏发电量的预测。
大规模建筑光伏的应用,需要进行一定区域的光伏发电并网系统的总发电量预测。而每一个光伏阵列的转换效率与其安装位置、角度以及使用时间有较大关系。按照光伏组件和建筑物结合方式的不同,建筑光伏系统主要有:屋顶集成光伏发电系统,光伏幕墙系统和光伏窗等,光伏组件安装形式和角度多样。区域电网中存在的高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统,光伏阵列安装地理位置和使用时间差异很大,原理预报法的光电转换环节的建模将十分困难。
2.2 光伏发电量直接预测法
对于一个既定的光伏阵列,光伏阵列发电量时间序列具有高度的自相关性。光伏阵列的历史发电量数据中已经包含了光伏阵列的系统信息,这就解决了光伏阵列安装位置、角度和使用时间等随机因素对转换效率的影响。使用过去几年和现在的历史数据训练基于神经网络的光伏发电量预测模型,建立光伏发电量与太阳能辐射和板温的函数模型,就可能比原理预报法取得更好的效果。国内在光伏发电量预测方面刚刚起步,主要在预测模型的建模方面作了一些研究,采用了神经网络、马尔科夫链和最小二乘支持向量机等方法。并且目前的研究与气象要素的结合十分有限,考虑的气象要素仅局限于日天气类型和气温等。
为了降低建筑光伏阵列输出电能的随机性的影响,能量管理系统需要预测光伏发电单元的输出电能,然后依靠预测的输出电能和储能站剩余容量制定发电计划。这就需要在某一个局部地点对安装的建筑光伏阵列的发电量进行预测。这和目前研究较多的光伏发电站发电量预测比较相似。需要太阳能辐射数据仍局限较小的区域,地理位置跨度不大。
大规模的建筑光伏的应用将大大提高光伏发电的渗透率,对电网的运行调度的影响不可忽视。含光伏并网发电系统的配电网短期负荷预测通常是将光伏发电系统视为综合负荷的一部分。常规的电力系统负荷预测的关键问题也是根据预测对象的历史数据建立相应的数学模型,主要的预测方法有时间序列法为代表的传统方法和人工神经网络法为代表的人工智能方法两大类[18,19]。
区域的光伏发电量预测研究对提高含光伏并网发电系统的配电网短期负荷预测精度十分必要。区域的光伏发电量预测可以借鉴目前负荷预测的研究成果,目前国内开展的光伏发电站发电量预测主要也是沿用负荷预测的一些方法,如时间序列法、回归预测法、人工神经网络法和支持向量机方法等。区域的光伏发电量预测仍有自身的规律,有待研究的问题较多,例如:影响负荷预测的主要气象因素是温度和气候,而影响光伏发电量预测的主要气象因素是辐照度,气候和温度也有一定影响;负荷中气象敏感负荷只占一小部分,而光伏发电量主要受气象因素影响;高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统地理分布与普通的负荷分布也存在较大差异。
2.3 数值模式的太阳能辐射预报
太阳能辐射穿过大气层到达地面,经过了云、气溶胶、水汽等对辐射的吸收、散射和反射等物理过程,需要通过地面气象观测、高空大气探测、卫星遥感、数值模拟的手段获取大气透明度、水汽含量、气溶胶、云量、云状、温度、湿度等气象要素信息,建立太阳能辐射预报模型。太阳能辐射预报方法主要有三类,传统的统计方法、卫星云图资料外推方法和数值模式的太阳能辐射预报方法。传统的统计方法一般是以时间序列为基础,仅适用于0~1 h的临近预报;由于天气系统和相关云系发展移动过程的非线性特性,卫星云图资料外推方法预报时效为0~5 h;数值模式的太阳能辐射预报时效可达数天。
国内外目前能进行太阳能辐射预报的数值模式为中尺度数值模式,比较成熟的有MM5和WRF等。MM5模式预报的误差较大,远不能满足要求。中尺度数值模式WRF能提供各种天气条件下的地表短波辐射预报,晴天的预报效果好一些,但误差仍比较大,需要对辐射预报的统计订正,才能用于光伏发电量预测[20,21]。辐射预报的统计订正就是采用相关分析和数值滤波等找出主要的相关因子,去除干扰因素,通过统计学方法提高预报精度。有研究表明辐射预报的统计订正可减少50%的相对误差,然而订正后的相对均方根误差仍有30%~40%。
目前国外数值模式的太阳能辐射预报,空间尺度目前多为单点,而区域预报相对少见,能实用的预报模式误差还比较大。而电力系统运行调度至少需要24小时的预测数据,大规模的建筑光伏的应用需要区域的太阳能辐射预报数据,电力系统负荷预测的考核指标一般在95%以上。因此目前太阳能辐射预报研究水平与含大规模光伏并网发电系统的电网调度运行要求还是存在距离。
2.4 建筑光伏的发电量预测系统初步设计
高密度、多接入点建筑光伏并网发电系统发展需求,需要探讨建立区域的光伏发电量预测系统,以满足电网运行调度需求。根据当前光伏发电量预测关键技术的发展,借鉴电力系统负荷预测的最新成果,构建区域的光伏发电量预测系统主要包括光伏发电量预测模型,数值模式的太阳能辐射预报以及其它气象因子预报,历史的气象因子观测数据和光伏发电量数据三方面。首先需要建立光伏发电量预测模型,通过历史数据训练光伏发电量预测模型,然后将太阳能辐射和其它相关气象因子的逐时数值预报值输入预测模型,即可以获得区域的光伏发电量预测结果。如图2所示。
建立光伏发电量预测模型将主要考虑神经网络法、支持向量机方法等人工智能方法。特别是支持向量机方法能较好解决小样本、非线性、高维数和局部极小点等实际问题,已成为短期负荷预测的热点。华北电力大学研究了最小二乘支持向量机在光伏功率预测中的应用,指出最小二乘支持向量机预测结果优于前馈神经网络法和线性回归算法。数值模式的太阳能辐射预报将基于中尺度数值模式WRF的逐时输出结果,引入模式输出统计(Model Output Statistics,MOS)预报方法,以提高太阳能辐射预报的准确率。鉴于数值模式的太阳能辐射预报,空间尺度目前多为单点,可以考虑在预测模型中输入多个点的太阳能的辐射预报结果,以更好反映区域内太阳能的整体辐射水平。历史数据主要来自气象观测数据和光伏发电量的计量数据,这就需要根据建筑光伏的地理分布合理设置气象观测站。
3 结论
生物质能并网发电技术发展趋势 第2篇
关键词：生物质发电;直燃发电;气化发电;混合燃烧发电;技术趋势
引言
生物质能是我国“十二五”期间重点发展的新兴能源产业之一，按我国提出的非化石能源占能源消费总量15%的目标初步估算，到20我国生物质能装机总量将达3000万千瓦，沼气年利用量440亿立方米，生物燃料和生物柴油年产量达到1200万吨。
截止底，中国生物质能并网发电装机量779万千瓦，预计底，生物质发电装机将有望达到1100万千瓦，上网电量有望达到500亿千瓦时[1]。
从产业整体状况分析，生物质发电及生物质燃料目前仍处在政策引导扶持期。
1.生物质发电技术分类
1.1 生物质直燃发电
生物质直接燃烧发电是指把生物质原料送入适合生物质燃烧的特定锅炉中直接燃烧，产生蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电，用于发电或者热电联产。
国内生物质直接燃烧发电的锅炉主要有两种：炉排炉、循环流化床锅炉。
采用生物质燃烧设备可以快速度实现各种生物质资源的大规模减量化、无害化、资源化利用，而且成本较低，因而生物质直接燃烧技术具有良好的经济性和开发潜力。
1.2 生物质气化发电
生物质气化发电是指生物质在气化炉中气化生成可燃气体，经过净化后驱动内燃机或小型燃气轮机发电。
气化炉对不同种类的生物质原料有较强的`适应性。
内燃机一般由柴油机或天然气机改造而成，以适应生物质燃气热值较低的要求;燃气轮机要求容量小，适于燃烧高杂质、低热值的生物质燃气。
1.3 生物质混合燃烧发电
生物质混合燃烧发电是指将生物质原料应用于燃煤电厂中，和煤一起作为燃料发电。
生物质与煤有两种混合燃烧方式： 一种是生物质直接与煤混合燃烧，生物质预先与煤混合后再经磨煤机粉碎或生物质与煤分别计量、粉碎。
生物质直接与煤混合燃烧要求较高，并非适用于所有燃煤发电厂，而且生物质与煤直接混合燃烧可能会降低原发电厂的效率。
第二种是将生物质在气化炉中气化产生的燃气与煤混合燃烧，即在小型燃煤电厂的基础上增加一套生物质气化设备，将生物质燃气直接通到锅炉中燃烧，这种混合燃烧方式通用性较好，对原燃煤系统影响较小。
2.生物质发电技术比较
生物质与煤混合燃烧发电技术投资少，发电效率决定于原燃煤电站的效率.其中生物质气化混烧发电对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小，通用性较强[2]。
由于气化发电技术关键设备―小型低热值燃气轮机技术尚未成熟，对10 MW以上的生物质发电系统而言，比较有优势的技术是直接燃烧发电[3]。
对10 MW以下的生物质发电系统而言，气化一余热发电系统效率远高于直接燃烧发电系统，具有更大的优势。
另外，生物质直接燃烧发电技术比较成熟，但在小规模发电系统中蒸汽参数难以提高，只有在大规模利用时才具有较好的经济性，比较适合于10 MW以上的发电系统。
生物质混烧发电技术在已有燃煤电站的基础上将生物质与煤混烧发电，混烧发电对原有电站的影响比直接混烧发电对原有电站的影响小，通用性较强，投资成本是三类技术中最少的，但可能降低原燃煤电站效率。
表2-1 三种生物质发电技术比较表
分类 直燃发电 气化发电 混合燃烧发电
规模 10MW以上 10MW以下 10MW以上
通用性 强 低 强
热电连供 可以 可以 不可以
并网独立性 可以 可以 不可以
投资成本 中 高 低
效率变化 中 高 不确定
3.生物质发电技术趋势
3.1直燃技术
自以来，我国生物质直燃发电开始进行商业化运行，国产循环流化床燃烧技术已成为生物质直燃发电市场的主导技术。
循环流化床内可采用SNCR脱销，脱硝率可达50%以上。
虽然生物质燃料含硫量较低，但实际SO2排放浓度在200mg/m3以上，炉内可以加石灰石脱硫，在脱硫效率达到70%时，即可满足国家标准的要求。
对灰熔点较低的生物质，如油菜秆、棉花杆等，燃烧此类生物质的锅炉，蒸汽温度不宜提的过高，除非有很好的防积灰、腐蚀的措施作为保障。
此外，生物质水分很高，着火推迟，导致不完全燃烧，炉排上未燃尽的生物质含碳量很高，需要增加炉排长度，提高燃烧效果。
3.2气化技术
生物质气化发电中含焦油废水无害化处理是制约气化发电的瓶颈，国内外研究结果均提出采用有机溶剂作为燃气净化介质，避免二次水污染。
循环流化床气化技术已有较好的基础，在循环流化床中进行生物质气化，气化温度控制在950～1000度，可以获得中值热燃气，同时彻底解决焦油问题，燃气净化后实现燃气内燃机-蒸汽联合循环，发电效率可达30%以上，在此基础上研发加压(30atm)循环流化床生物质气化技术，采用燃气内燃机-蒸汽联合循环，发电效率可达40%。
双床气化技术是采用循环流化床与鼓泡床双床组合技术技术，将生物质燃料送入鼓泡床内，气化热源为循环流化床分离下的高温灰，流化介质为高温水蒸气或气化气。
循环流化床燃烧气化室送来的半焦，产生高温烟气，烟气经分离后进入鼓泡床作为气化室热源，分离后的高温烟气进入余热锅炉，加热蒸汽进行发电。
气化室反应温度控制在650～850度，产生的燃气经气固分离、净化后送内燃机发电，内燃机尾气经余热锅炉吸热后产蒸汽送蒸汽轮机发电。
燃气中焦油通过闭式循环水水洗系统，经有机溶剂萃取后回收焦油，废水采用膜技术处理后达标排放。
4.结论
在各类生物质发电技术中，直燃生物质开发利用已经初步产业化，混烧发电技术的投资经济性最好，其发电经济性决定于原电厂的效率，而且会对原电厂有一定的影响。
生物质气化发电技术的发电规模比较灵活，投资较少，适于我国生物质的特点，但是技术还不成熟。
从产业整体状况分析，生物质发电及生物质燃料目前仍处在政策引导扶持期。
参考文献：
[1]水电水利规划设计总院和国家可再生能源信息管理中心.中国生物质发电建设统计报告[R].北京：国家可再生能源中心，.
[2]李利文.生物质能发电模式探讨[J].内蒙古科技与经济，(19)：71-75.
[3]吴创之，周肇秋，马隆龙，阴秀丽.生物质发电技术分析比较[J].可再生能源， (03)：34-37.
阳春金堡村农业光伏电站并网发电 第3篇
据了解，该电站是珠海对口帮扶阳江合作共建项目，由总部位于珠海、在香港上市的中国兴业太阳能技术控股有限公司旗下子公司阳江华晶绿色能源科技有限公司投资建设，项目占地面积2000余亩，规划总装机容量50兆瓦，总投资金额为4.5亿元，年均发电量可达5500万千瓦时。
记者在现场看到，该项目占地3000多平方米的升压站已启用，长达2.5公里的110千伏并网输电线已建成，各机房内工人们正全神贯注监测并网发电情况。该项目有关负责人告诉记者，电站建成后，年收入可达6600万元，每年贡献税收600多万元，且每年可节约标准煤约1.84万吨，减排二氧化碳约7.1万吨、二氧化硫约597吨、氮氧化物约201吨、烟尘约407吨。
据介绍，该电站将建成“农业光伏、地面光伏、生态光伏”三位一体的光伏电站，还将与江城区双捷镇的一个农业光伏项目联网，打造光伏农业生态园绿色环保能源体系。项目全部建成后，兴业集团下属的农业公司将进驻开发农业项目，种植南药等农作物，增加土地综合利用效益。
并网发电论文 第4篇
安徽省电力公司建设和运营的省内电力系统最大光伏并网示范电站——蚌埠供电公司110 kV锥山变电站30 kW光伏电站于2008年12月成功并网发电。该项目是安徽省电力公司2008年重点科技项目。电站总装机容量30 kW, 由安徽继远电网技术有限责任公司承建, 合肥阳光电源有限公司参与设计、制造、安装。每年可发4万千瓦时的清洁电力, 并可减少二氧化碳排放30多吨, 社会环保会效益明显, 成为安徽省电力建设的新亮点。该电站的投入使用, 必将为安徽省乃至全国的光伏并网电站商业运行起到良好的示范作用。
传统的火力发电多以煤炭为燃料, 产生大量污染, 主要为粉尘、二氧化碳、二氧化硫、热污染和化学药品污染等。利用新能源—太阳能发电则无需消耗燃料, 没有空气污染, 不排放废水, 保护了环境, 且节约了能源.其电能传输距离近, 线路损耗低, 有效的实现了节能降耗。变电站光伏并网发电系统的应用, 可以有效的在不影响原有电站用电系统的情况下引入太阳能这一清洁环保能源, 有效减少变电站自身的电能需求。实现节能降耗, 保护了环境和绿色用电.同时可以树立电力系统绿色环保的社会形象。
安徽继远电网技术有限责任公司是为电力系统服务的从事高新技术产品生产和技术服务的高新技术企业.公司先后承接了智能图像监控系统工程、继电保护、自动化、通信系统工程及计算机网络工程和安徽省城乡电网改造项目中的变电所综合自动化设备的开发、设计、生产、安装、调试工作, 均通过了客户的工程验收, 并获得较高的评价。
并网发电论文 第5篇
【摘要】尽管寻找新能源的工作已经有相当的历史了，但是世界性的环境污染和能源短缺已经迫使人们更加努力的寻找和开发新能源。在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源。光伏发电就是其中之一。虽然光伏发电的实际应用存在着种种的局限，但是随着光伏发电成本的降低和矿物发电成本的提高以及矿物能源的减少，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到时侯，光伏发电将逐步进入商业化阶段。光伏并网发电形成规模后会对电网形成什么样的影响是本文想要探讨的问题。
一、光伏发电的基本原理
1. 太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。其中的核心元件是光伏电池组和控制器。各部件在系统中的作用是：
光伏电池：光电转换。
控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，如2点式控制器，多路顺序控制器、智能控制器、大功率跟踪充电控制器等，我国目前使用的大都是简单设计的控制器，智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。
蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部件，用于存储从光伏电池转换来的电力。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅酸蓄电池。
交直流逆变器：由于它的功能是交直流转换，因此这个部件最重要的指标是可靠性和转换效率。并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。
2. 太阳能光伏电池板：
太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热(*)。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，也就是光伏电池效率大约是单晶硅13%-15%，多晶硅11%-13%。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。
3. 太阳能光伏发电系统的分类：
目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。
A)离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。
B)光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。
C)A, B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。
二、光伏发电的优点
进入70年代后，由于2次石油危机的影响，光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。从远期看，光伏发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源。不论从近期和从近期看，光伏发电可以作为常规能源的补充，在解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求方面，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：
1. 充分的清洁性。 (如果采用蓄电池方案，要考虑对废旧蓄电池的处理)
2. 绝对的安全性。 (并网电压一般在220V以下)
3. 相对的广泛性。
4. 确实的长寿命和免维护性。
5. 初步的实用性。
6. 资源的充足性及潜在的经济性等。
三、光伏发电局限性。
任何事物总是具有两面性。目前有太多的文章介绍光伏发电的优点和优势，这里有必要指出光伏发电的一些局限性。太阳能具有能量密度低,稳定性差的弱点,并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响。光伏发电的局限性包括以下几个方面：
1. 时间周期局限。由于光伏发电的条件是出太阳时，光伏发电设备才能正常工作发电。因此，白昼黑夜，一年当中春夏秋冬各个季节对光伏发电的负荷影响巨大。为了应付这个情况，电网不得不配备相应容量的发电机处于旋转备用状态。
2. 地理位置局限。光伏发电设备基本上只能依附建筑物安装建设，也就是所谓的光伏屋顶就地供电。如果离开建筑物来建设光伏发电，将会大大增加成本或者破坏环境和生态。
3. 气象条件局限。气候对光伏发电影响。采用光伏并网发电无蓄电池方案时，如果一个城市上空的气候大幅变化，将造成电力负荷的大幅波动;当一个城市上空的空气质量比如空气污染，或能见度变差比如雾天，阴天等都将使光伏发电在线或实时出力下降。
4. 容量传输局限。在解决了光伏发电的成本问题后，大功率，高电压，远距离从荒漠面积输送电力到负荷中心，由于光伏发电没有传统电机的旋转惯量，调速器及励磁系统，将给交流电网带来新的经济和稳定问题。不论采用交流或是直流高电压大功率远距离从荒漠地区输送电力，由于上述1，2，3的局限性将大大增加单位千瓦的输送成本。下面将会讨论这个问题。
5. 光能转换效率偏低。和传统能源(矿物能源，石油，水能，原子能，等)的转换效率相比，光伏能量的转换效率不能令人满意。
四、光伏发电未来展望
我国光伏产业正以每年30%的速度增长。最近三年全球太阳能电池总产量平均年增长率高达49.8%以上。按照日本新能源计划、欧盟可再生能源白皮书、美国光伏计划等推算，全球光伏发电并网装机容量将达到15GW(1500万千瓦，届时仍不到全球发电总装机容量的1%)，至2030年全球光伏发电装机容量将达到300GW(届时整个产业的产值有可能突破3000亿美元)，至2040年光伏发电将达到全球发电总量的15%-20%。按此计划推算，-2040年，光伏行业的复合增长率将高达25%以上(参看资料：15)。其中并网应用会有较大的发展，从而形成并网发电(约46%)、离网供电(约27%)和通讯机站(约21%) 3个主要应用领域(参看资料：16)。
太阳的能量对人类而言几乎是无限的，但是实际上，在地球上能够获取太阳能资源的资源是有限的。并不象有些文章中所说的那样巨大。例如，当我们在在屋顶安装太阳能热水器时，就失去了安装太阳能电池的机会。除建筑物和荒漠外，在其他地点建设太阳能电池板群将是不现实和得不偿失。这不仅仅是因为成本巨大的原因，问题是显而易见的，主要的问题是离开建筑物和荒漠来建设光伏发电站将破坏环境和生态，你会发现在太阳能电池板下面将寸草不生。总之，节能降耗是人类的一个永恒话题。从某种意义上讲，淘汰旧技术和产品的同时，也就浪费掉了当初生产这些技术和产品的能源。出国考察的人往往会发现，西方发达国家有些场合还在使用20-30年代的产品和设备，他们并非要保护“古迹”，某种意义上讲是在节约能源。新旧产品和技术的换代是要以耗费能源为代价的，过快的产品更新换代，将加快能源的消耗。当然，这里需要有一个总体的经济指标来判断能耗。我们是否应该考虑节约“used能源”的问题?(**)
另一方面，任何先进的技术，进入商业使用的必要条件是价格能为市场所接受。如果使用成本太高，再好的技术必将只能停留在试验室中或者示范工程阶段。
五、光伏发电并网对未来电网的影响
随着我国《可再生能源法》的颁布实施，常规能源价格的不断升高和石油价格逼近$100，世界范围内围绕利用太阳能科技，商业发展非常迅速，其中光伏并网发电技术发展非常快。目前制约光伏发电的主要因素是成本问题。太阳能光伏发电造价高(每千瓦3万元以上)，发电成本贵(1.5元/千瓦时以上)。随着光伏发电成本的降低和耗能发电成本的提高，总有一天光伏发电的成本将会与传统发电成本相当。到那时侯，光伏发电将会进入商业化应用阶段。为了提早迎接这一天的到来，我们将有必要提前考虑光伏并网发电对现有发电模式的技术、经济、政策和环境效益的影响。我们先假设这个时代已经到来，并且现有的发电模式并未发生较大的改变。那么光伏发电给我们带来好处的同时将会对现有的电网产生什么样的问题?
由于太阳能光伏发电属于能量密度低、稳定差，调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网安全，稳定，经济运行以及电网的供电质量造成一定影响。至于有多大的影响目前尚不清楚。我们知道目前电能是不能大规模低成本储存的，在可以预见的将来也不能大规模低成本储存。这就使得光伏发电的应用受到物理因素的制约，同时也受到地理上的限制。但是随着技术和市场的发展，当光伏发电的上网电量在电网中与火电厂，水电，核电等电厂的发电量处于可比较的数量级和成为不可忽略的一部分时，光伏并网发电将对现有发电模式和电网的技术、经济、政策和环境效益带来如下问题：(如果光伏并网发电系统采用有蓄电池方案，光伏并网发电的优点和优势将大打折扣。但是为光伏并网发电优化配置的蓄电池系统可以部分解决以下1，2和3点提出的问题。)
1. 负荷峰谷对电网的影响。由于光伏并网发电系统不具备调峰和调频能力，这将对电网的`早峰负荷和晚峰负荷造成冲击。光伏并网发电系统增加的发电能力并不能减少传统旋转机组的拥有量，电网必须为光伏发电系统准备大量的旋转备用机组来解决早峰和晚峰的调峰问题。光伏并网发电系统向电网供电是以机组利用小时数下降为代价的。这当然是发电商所不愿意看到的。
2. 昼夜变化，东西部时差以及季节的变化对电网的影响。由于阳光和负荷出现的周期性，光伏并网发电量的增加并不能减少对电网装机容量的需求。
3. 气象条件的变化。当一个城市的光伏屋顶并网发电达到一定规模时，如果地理气象出现大幅变化，电网将为光伏并网发电系统提供足够的区域性旋转备用机组和无功补偿容量，来控制和调整系统的频率和电压。在这种情况下，电网将以牺牲经济运行方式为代价来保证电网的安全稳定运行。
4. 远距离光伏电能输送。当光伏并网发电远距离输送电力在经济和技术上成为可能时，由于光伏并网发电没有旋转惯量，调速器及励磁系统，它将给交流电网带来新的稳定问题。如果光伏并网发电形成规模采用高压交直流送电，将会给与光伏发电直流输电系统相邻的交流系统带来稳定和经济问题，(专门用于光伏并网发电的输电线路，由于使用效率低，将对荒漠太阳能的利用形成制约。用于借道或者兼顾输送光伏并网发电系统电能的输电线路，由于负荷率低下，显得很不经济。)不论采用高压交流或直流送出，光伏并网发电站都必须配备自动无功调压装置。至于对电网稳定的影响，目前还未见到光伏发电在电网稳定计算中的数学模型(包括电源模型和负荷模型)。光伏并网发电将对电网安全稳定运行有多大的影响目前尚不清楚。
5. 降耗问题;光伏并网发电的一个主要优势是可替代矿物燃料的消耗。由于光伏并网发电增加了发电厂旋转发电机的旋转备用或者是热备用，因此，光伏并网发电的实际降耗比率应该扣除旋转备用或热备用损失的能量。光伏并网发电的降耗效率应该考虑到由于光伏并网发电系统提供的电力导致发电公司机组利用小时数降低带来的效率损失。由于电力系统是作为一个整体来运行的，光伏并网发电向电网输送电力将侵害其他发电商的利益，这是作为政策制定者需要考虑的问题。这是由于电网在考虑安全，稳定和经济运行时，不仅仅只由水电厂担任旋转备用。因此，系统中总的光伏并网发电量所等效的理论降耗标煤量前应该乘以一个小于1的系数，并且等比例的减去旋转备用机组的厂用电损耗。
这里给出一个公式来判断光伏发电实际的降耗作用：
W=[(Wc/Wn)*Wp -(Pc/Pn)Pd);1
1)W--光伏并网发电实际获得的降耗量(标煤);
2)Wc--电网火电总发电量;
3)Wn--电网总发电量;
4)Wp--光伏并网发电理论降耗量(标煤)
5)Pc--火电机组总的厂用电损耗(标煤);
6)Pn--电网中总的厂用电损耗(标煤);
7)Pd--旋转备用机组的厂用电损耗(标煤)。
6. 环保问题;光伏发电带来的减排效果是否应该只考虑火电排放的二氧化硫和二氧化碳还有待研究，因为当光伏并网发电时，同样电网在考虑电网安全，稳定和经济运行时，往往减少出力的不仅仅是火电厂，而考虑旋转备用时，也不仅仅是水电厂来承担旋转备用的任务(水电厂承当旋转备用任务损失较小)。因此，在考虑光伏并网发电系统的减排贡献时，也应该在理论值前乘以一个小于一的系数。这个结论并不象一些文章中所讲的那么乐观。
7. 顺便指出，风力发电也存在环保生态问题。国外有环保人士指出大型的风力发电站往往建在季风的风道上，这往往是候鸟迁徙的最佳路线。
结束语
光伏发电的优势在于解决离网地区通信，微波等设备的能源动力，分散人口地区的小容量电力消费及为有条件建立光伏屋顶的建筑就地提供电力。未来电网在做发展规划时，对负荷预测应充分考虑离网光伏发电和光伏并网发电对电网的影响和数学模型。离网光伏发电系统可以作为在线有源可变负荷模型来考虑(这里指的是城市中既可由离网的光伏发电系统，也可以由市电网供电的负荷)。光伏并网发电系统如果以110V或220V并网供电时，也可以把光伏并网发电系统考虑为可从负到正变化的有源负荷模型。通过上述分析，光伏并网发电远期定位只能作为电网节能降耗的重要补充手段。如果超出这个战略定位，将造成投资和额外的能源浪费，对减少污染排放量的乐观看法也要大打折扣。
本文仅仅代表作者个人观点。
初稿于昆明，.11.8，
* 太阳能中包含了可见光能，不可见光能，光热辐射能等等。从物理学能量守恒定律来看，只要在同系统中形成差值的物理量都包含着能量。比如，水力发电的水位差，或“落差”;热力发电中的“温差”，风力发电中气流的“压差”等等。
根据半导体物理原理，P-N结整体温度上升，使P-N结呈现负的温度系数。单片太阳电池的电压随温度的上升而下降(见参考资料3，P49，图2-16，图2-19，太阳能电池组件温度对效率的影响;参考资料5，P174)。也就是说温度的变化将引起P-N结内空穴和电子运动，数量及平衡点的变化(见参考资料2，P26)。随着温度的增加，太阳能电池效率下降(见参考资料5，P43-44)。Isc对温度T很敏感，温度还对Voc起主要作用。对于Si温度每增加一度，Voc下降室温值的0.4%，效率也因而降低同样的百分数。例如，一个硅电池在20度时的效率为20%，当温度生到120度时，效率仅为12%(见参考资料4,P36)。
可以猜想，如果P-N结两侧的温差上升，或者P-N结的结温差上升，势必打破空穴和电子对的平衡。结温差的变化是呈现正的还是负的温度系数，以及对太阳能电池IV特性的影响目前尚未见到试验报道。可能存在着一个类似光伏效应的热伏效应--辐射热生伏特效应(当然不一定就是P-N结)。准确的在P-N结上制造一个结温差,或一个较大的温度梯度，在技术上可能是一个非常困难的事情。总之增加“光差”和“结温差”或许是提高光伏发电效率一个有用途径。
** 作者实在无法用中文来表示 “used 能源”的意思，只好用英文来代替了。
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并网发电论文 第6篇
现阶段，我国对低电压穿越控制策略的研究，注重集中在风电领域，光电领域还比较少。正是因为如此本文以光伏并网发现系统为研究对象，对低电压穿越控制策略进行了探讨分析。笔者认为可以采取电压定向矢量控制的方法，来提高低电压穿越控制能力，以此达到有功与无功解耦。本文首先对光伏并网发电系统及其低电压穿越要求进行了分析，其次对光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略进行了探讨，仅供参考借鉴。
一、光伏并网发电系统及其低电压穿越要求
光伏发电系统主要应用的物质是光伏电池，该设施最重要的价值就是将太阳能转换成电能，最终完成发电任务。光伏并网主要是指两大系统连接，分别为光伏系统、电力网系统。两大系统连接之后，不必再借助蓄电池，初期成本比较低，而且更容易维护，后期检修成本也比较低，可以说是现阶段最为经济实用的发电系统。光伏并网发电系统形式依据场合差异而不同，现阶段应用最为广泛的应该是逆潮与无逆潮并网系统、地域并网系统等。早期应用的是光伏发电系统，存在着比较多的缺陷，比如逆充电现象、电网电压波动过于明显等现象，因此在应用的过程中比较麻烦。正是基于此，光伏并网发电系统优势更加突出。但是光伏并网发电系统在应用的过程中，则需要满足非常重要的条件，即低电压穿越要得到控制。这主要是因为发电系统运行过程中，会出现并网点电压跌落情况，此时要求光伏设备依然能够实现并网，如果条件允许，还能够为电网提供无功功率，确保电网在短时间内就可以恢复。
现阶段我国针对光伏并网发电系统的低压电压穿越能力要求已经出台了相应的技术规范，该技术规范中对光伏电站的低电压穿越能力标准要求进行了明确的规定，具体标准如图1所示。
依据图1中显示可知，如果光伏并网电点电压正好处于在轮廓线或者高于轮廓线，同时处于区域之间，此时光伏电站并网运行必须要保证畅通，但是如果并网点电压处于在轮廓线之下，则可以出现线路送电暂停的情况。世界上很多国家都依据自己国情制定了光伏并网低电压穿越要求，其中比较典型的就是德国制定的E.ON标准。该标准对低电压穿越控制要求更加的详细，其中最为重要的是该标准对低压穿越过程中，无功电流比重与电压跌落深度之间的呈现的关系进行了规定。电压跌落过程中，光伏并网发电站一定要为系统提供无功电流，如果子电压跌落深度超过了50%，但是没有超过90%，则无功电流应该满足线性输出条件，而如果电压跌落深度未能超過50%，此时无功电流必须达到100%。
二、光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略
光伏并网系统电压跌落过程中，逆变器既要始终处于并网运行状态，同时还需要对有功与无功功率进行有效的协调，以便此时能够提供无功功率，保证光伏并网发电系统能够有足够的电压恢复正常运行，达到低电压穿越要求。
如果光伏并网发电系统电压处于正常状态，逆变器要遵循有功优先的原则，对最大功率进行始终都进行跟踪控制，换言之，就是最大程度的达到有功电流要求，而有功电流值则需要根据电压外环来取得，同时利用最大功率跟踪算法获得相应的信息数据。该信息数据可以作为参考值，其与直流侧电压会出现一定的误差，但是利用PI进行调节之后，误差信号会及时的得以纠正。如果电网电压处于跌落期间，因为逆变器具有限流功能，不能继续遵循有功优先控制原则，否则逆变器状态会发生变化，呈现出功率现幅状态，不能对光伏并网发电系统提供有效的无功支持，所以此时你逆变器遵循的是无功优先控制原则。
在无功优秀控制期间，有关需要借助相应的公式计算出无功电流给定值，之后再按照国家规定的内容：逆变器输出电流可以高于额定电流，但是不能高于1.1倍。
当电网电压发生跌落时，要根据电网电压跌落的深度来调节逆变器的无功电流给定值，改善电压跌落情况，进而提高光伏并网发电系统的低电压穿越能力。低电压穿越期间所需的无功电流百分比的表达式如下：
i*q为所需的无功电流；UN、IN分别为电网的额定电压、电流；U为跌落之后测得的电网电压有效值。在电网电压发生跌落时，可以根据上述公式式得出跌落深度和无功电流之间的关系。光伏并网发电系统的控制流程图如图2所示。当电网电压发生跌落时，根据2中所示的步骤光伏逆变器提供无功给电网，让电压恢复，实现低电压穿越。
三、结语
综上所述，可知借助光伏逆变器来实现低电压穿越控制，此种控制策略属于定向矢量控制。通过调查分析，应用逆变器之后，光伏并网发电系统在电压跌落过程中，能够实现并网运行，同时能够为系统提供无功功率，可以使电网在最短实践脱离故障，继续运行。本文所研究的光伏并网发电系统属于大型系统，其他规模类型的光伏并网发电系统，还需要有关学者进一步研究。
（作者单位：廊坊师范学院）
浅谈建筑光伏并网发电 第7篇
能源的潜在危机和生态环境的恶化使发展可再生能源已成为全球性的课题, 可再生能源中太阳能的利用前景和资源潜力都非常可观。太阳能是一种清洁、无污染、免费的能源, 而且分布较广, 不受国界的限制。光伏发电可将太阳能直接转化为电能, 具有不消耗燃料、无旋转机械、维护简单、安全可靠性高与应用面广等一系列优点。随着我国城镇化进程的加速以及人民生活用电的增加, 通过构建分布式建筑光伏一体化, 不仅可以有效地补充建筑能耗需求, 降低建筑物的排放, 而且可以使每个建筑物都成为小型的发电单元, 对替代常规能源、促进建筑节能减排、保护环境具有重要意义[1,2,3]。
结合当前建筑节能减排趋势, 加快分布式建筑光伏一体化的应用推广, 通过并网逆变器、控制装置与公共电网联接起来组成分布式并网发电系统[4], 是未来建筑光伏发电的主要形式。
2 拓扑方式
目前, 太阳能建筑光伏发电系统的装机容量可以从几千瓦到几百千瓦, 甚至上兆瓦, 国内光伏发电与建筑结合的形式也呈现多样化。由太阳能光伏组件提供的电能可就近接入电网消纳, 无需单独架设的输电线路, 可有效降低输配点成本和传输损耗;建筑光伏并网并且不需要配备储能装置, 既节省储能装置的投入与维护, 大大降低系统成本, 而且不受蓄电池的限制, 可能充分利用建筑光伏所产的电能的。
建筑光伏并网设计时需根据光伏阵列安装的实际情况 (如组件规格、安装朝向等) 进行优化设计, 其并网发电主要有以下两种拓扑方式[5]。
(1) 集中式并网发电
这种并网方式适合于在建筑物上安装朝向相同且规格相同的光伏阵列, 在系统构建时, 可采用功率较大的单台逆变器实现并网发电, 具体方案如图1所示。
(2) 分布式并网发电
这种并网方式适合于安装在建筑物不同朝向或不同规格的光伏阵列, 在系统构建时, 可将同一朝向且规格相同的光伏阵列通过功率等级相对较小的逆变器进行并网发电, 采用多台逆变器分布式并网发电方案实现联网功能, 如图2所示。
分布式并网发电拓扑结构简单, 便于安装, 可进行热插拔, 维护简单, 是未来建筑光伏一体化并网发电的主流。
3 关键技术
建筑光伏一体化并网发电作为目前清洁能源发电与建筑节能研究领域的热点课题, 其研究的重点集中在光伏并网发电的高效性、安全性以及可维护性, 以下从几个方面对并网发电的关键技术进行阐述。
(1) 高效光伏阵列最大功率点跟踪控制方法, 研究一种长时与短时相结合的高效光伏阵列最大功率点跟踪控制方法。光照条件好的情况下, 采要短时最大功率点跟踪, 光照条件不理想的情况下, 采用长时最大功率点跟踪, 进而提高跟踪的时效性。
(2) 高效并网与电能质量调节, 减少光伏发电系统自身损耗, 提高运行效率, 确保输出电压电流的幅值、相位、频率的一致性是光伏发电的关键性技术, 而逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗。
(3) 防孤岛效应检测方法与维护, 当局部电网由于某种原因与市电电网断开后, 光伏并网系统仍接于系统中, 继续向局部小区域电网供电的现象。孤岛效应使电压及其频率失去控制, 将对供电范围内的设备带来损坏;并且当局部供电区域重新接入电网, 可能会产生较大冲击电流, 损坏逆变器设备, 同时导致合闸不成功;另外, 孤岛效应可能会对给检修人员带来触电危险, 引发伤亡事故。
(4) 对并网发电系统进行动态测量和在线监测, 将各集中逆变装置运行的工况、发电量、故障信息等信息及时反映给监控中心, 提高系统的可维护性。
通过对上述建筑光伏一体化并网发电的关键技术的研究, 完善相应的技术体系, 建立相关的技术标准, 可进一步加快建筑光伏一体化的应用推广。
4 设计原则
在建筑光伏一体化并网发电系统建筑设计时, 除了需要考虑各节点的拓扑结构、发电的容量大小、关键技术以外, 还应对环境条件、系统性能进行综合评价;考虑建站地点的地理条件, 尤其是海洋环境或潮湿环境下的系统耐候性;设计使用的环境气象数据, 包括逐月太阳总辐射、直接辐射或散射、年平均气温、最高、最低气温、最长连续阴雨天数、最大风速、冰雹、雷电等情况。因此, 在进行建筑光伏发电系统设计时应充分考虑以下原则:
(1) 鲁棒性强:继电保护设计可靠, 系统配置合理, 各部件选型具有一定的兼容性, 拥有完整的故障诊断与保护功能, 可保证系统在过欠压、过欠频、孤岛运行、过流、过载和极性反接等故障工况下设备本身、用电负载及操作人员的安全, 并具备故障状态显示及记录功能。
(2) 操作简单:自动化程度高, 监控界面友好;平时能做到无人值守, 具有热插拔功能, 互换性好, 设备做到免维护或少维护。
(3) 性能比高:设计时尽量保持了原有的建筑设计风格, 有效地进行了气流组织, 提高其下部的暖通设备通风、散热效果, 也使太阳能电池阵列以一个较好的角度, 基本不受遮挡地接收太阳能, 提高了整个发电系统的得电率。
(4) 外观美感:成熟的太阳能光伏发电与传统建筑构造的完美结合, 不仅不能破坏原有的建筑结构, 而且光伏发电系统还可作为建筑的美学元素。
5 发展前景
至2010年底, 全球光伏发电系统年安装需求量为12.7~1 7.3 G W;而2 0 1 1年, 这一需求数量将达到15.6GW~25.4GW, 而在所有已装系统中, 并网系统占到90%以上的市场份额。随着太阳电池价格生产成本的下调, 同等面积的光伏阵列与高档外墙装饰构件价格相当, 采用建筑光伏并网发电方式可以降低建筑建设成本;光伏电池材料替代屋顶、玻璃窗和幕墙等表面建筑的部分材料, 是建筑总体构成的重要美学元素, 可强化建筑物外墙的质量, 这将加速太阳能应用技术发展;此外, 分布式太阳辐射与分布式建筑物可有效地匹配, 在住宅或公共建筑上建设光伏并网发电系统, 可节省土地和输电线路投资, 前景将非常广阔。
摘要：建筑光伏并网发电, 就是将太阳能光伏阵列与建筑物进行有机结合, 通过并网逆变器、控制装置与公共电网联接起来组成并网发电系统, 实现建筑物的节能减排, 是未来建筑光伏一体化的主要形式。本文介绍了建筑光伏并网发电的特点、拓扑方式和关键技术, 并阐述了建筑光伏并网发电的设计原则以及发展前景。
关键词：建筑光伏一体化,并网发电,分布式
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并网发电系统在太阳能发电中的应用 第8篇
太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件, 利用半导体材料的电子学特性, 当太阳光照射在半导体PN结上, 由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场, 因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴, 在内建静电场的作用下, 各自向相反方向运动, 离开势垒区, 结果使P区电势升高, N区电势降低, 从而在外电路中产生电压和电流, 将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类, 一类是并网发电系统, 即和公用电网通过标准接口相连接, 像一个小型的发电厂;另一类是独立式发电系统, 即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电, 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载, 并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池。
并网发电的优点:
1) 所发的电能馈入电网, 即时消耗, 无需蓄电池。相比独立太阳能光伏发电系统的建设, 可减少投资30%, 从而是发电成本大为降低。2) 无需电池, 并提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。3) 具有调峰作用。并网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点, 是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势。4) 系统效率比独立系统更高。
2 并网发电系统的设计
并发电系统的原理框图
2.1 并网发电系统应注意事项
1) 保持与电网的电压、相位和频率等电气特性相一致。
2) 一旦出现异常或故障时, 自动将光伏系统与电网分离, 采用自控装置对公共电网的电压、相位和频率等参数进行采样, 并以采样值实时调整逆变器的输出, 保证系统与公共电网的同步进行。
2.2 太阳能并网发电系统主要由太阳电池阵和并网逆变器两部分组成
2.2.1 太阳电池阵
将太阳光能转换成电能, 在阳光充足时通过并网逆变器将直流电转换为交流电输入电网。
2.2.2 并网逆变器
并网逆变器是将直流电转换为交流电的设备, 输入端接太阳电池阵, 输出端接交流电网。并网逆变器除具有普通逆变器的功能外, 还应具有以下功能:1) 纯正弦波同步并网送电:通过DC/AC电压型逆变器实现电流瞬时控制, 将电流控制成50Hz正弦波, 自动与电网同步后送入电网。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。2) 太阳能电池最大功率追踪技术:以晶体硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同, 而输出与I-V特性相应存在一个最大功率输出点, 因此, 对太阳电池最大输出功率点的追踪MPPT (Maximum PowerPointTrace) 成为提高整个系统效率的关键点之一。3) 反孤岛运行技术:并网发电运行时, 电网因意外情况出现停电时, 并网运行设备应该能够及时检测出电网停电情况, 并与电网解列, 停止向电网送电, 以保护人身和设备安全。4) 独立供电及自动同步并网运行技术:系统在电网停电时, 可实现自动与电网解列, 独立向重要负载提供优质交流电能。在配备蓄电池后, 本系统还可在夜间不间断地提供电能。在电网恢复供电时, 通过与电网电压同步, 可在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式。
2.3 控制电路设计
1) TM S320F240控制板。TM S320F240控制板如图2所示, 以TI公司的TM S320F240型DSP为核心, 外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM, 完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。
2) 电压和电流信号检测电路。模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号, 同时要保证强电和弱电的隔离。笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器, 其非线性度为0.004%, 共模电压为l000V时的共模抑制能力为15kV/lμs, 增益温漂为0.000 25V/℃, 带宽为100kHz。具体隔离检测电路如图3所示。
3) GBT驱动电路。DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路, 然后控制IGBT开关管的开通状态。笔者选用惠普公司HC-PL3120型专用IGBT驱动电路, 如图4所示。驱动电路的输入和输出是相互隔离的, 驱动电路还有电平转换功能, 将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压, 驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。
4) 辅助电源。为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源, 需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC~170VDC;输出的3路电压分别为+15VDC (2.5W) 、-15VDC (2.5W) 和+5VDC (5W) ;输出电压波动小于1%。笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计。辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构, 如图5所示。
5) 最大功率跟踪控制MPPT。MPPT的实质是一种自寻优过程, 常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。笔者采用的是间歇扫描跟踪法。其核心思想是定时扫描一段 (一般为0.5倍~0.9倍的开路电压1阵列电压, 同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值, 然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率, 得出最大功率点。笔者对间歇扫描法进行了改进, 即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内 (Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc) 扫描1次。其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次, 改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。
6) 反孤岛效应控制方法。孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。一般来说, 孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户的设备造成不利的影响, 包括并网逆变器持续供电可能危机电网线路维护人员的生命安全:干扰电网的正常合闸过程:电网不能控制孤岛中的电压和频率。可能造成用户用电设备的损坏。因此解决光伏并网系统的孤岛问题显得尤为重要。
3 结论
坚持可持续发展能源与循环经济的理论, 调整能源结构, 减少全球日益严重的环境污染。虽然目前太阳能发电还没有大面积推广, 但在国家政策及相关部门的大力支持下利用太阳能发电不是难事。利用太阳能光伏并网发电, 占建筑总能耗的12.5%以上, 节约标煤大约140吨, 节约用水量约1400吨, 减少约95吨的碳粉尘排放, 减少350吨二氧化碳排放, 减少约10.5吨的二氧化硫排放, 节约化石能源及减少有毒气体排放, 做出很大的贡献。
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小功率光伏并网发电系统设计 第9篇
1 光伏并网系统的结构组成
光伏并网逆变器的结构如图1所示。系统可工作于独立运行和并网运行两种方式。MPPT电路和交流逆变电路采用DC/DC/AC架构, 其中DC/DC采用Boost电路拓扑, DC/AC采用四开关管桥式逆变结构。系统主要包括八块100W串联的太阳能电池板、基于ARM7架构的单片机核心控制器、DC/DC电路、DC/AC逆变电路。太阳能电池板输出的100V-150V直流电压送到DC/DC电路, 在DC/DC电路里完成系统的最大功率点跟踪, DC/DC电路输出的约400V母线电压送到逆变电路由逆变电路逆变成230V, 50HZ的交流电压, 最后送到电网负载。控制器设计有RS 232接口, 可以把系统相关的数据 (如:太阳能电池输出电压、电流、MPPT输出电压、电流;负载数据等) 传到上位机, 并可以通过上位机控制控制器工作或修改相关的参数。
2 核心硬件电路设计
2.1 DC/DC电路
电路如图2, 在DC/DC电路中有两个电流闭环控制器件, 型号为MAX4080。其中一个用于太阳能电池板输出电流监测, 控制器输出的电流值与电阻R2、R20的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC0和ADC1完成太阳能电池板实时输出电压和电流的监测, 为MPPT跟踪提供实时数据。另一个电流闭环控制器件主要完成升压后直流母线的电流监测, 与R21、R3的分压电路输出的电压分别送到LM3S618的ADC5和ADC4以完成逆变器直流侧的电流电压稳定, L1、Q1、Q12、Q13、Q2、D21、D1、R28、R42、C46组成Boost拓扑的DC/DC电路。MPPT (Maximum power point tracking) 的PWM脉冲从LM3S618的36脚输出, 单片机根据两路闭环电流电压的大小进行算法运算最终调节脉冲占空比完成最大功率点的跟踪。
2.2 核心控制电路
电路如图3, 本电路主控C P U采用LM3S618的ARM Cortex-M3内核控制器, 支持最大主频为50 MHz, 32 KByte FLASH, 8 KByte SRAM, 集成正交编码器、ADC、带死区PWM、温度传感器、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器, I2C、CCP等外设。
系统人机交换界面有两部分, LCD显示界面显示太阳能电池板的输出电流电压和逆变器输出的电流电压及逆变器的效率, 上位机通过串口与单片机进行通信, 实现远程监控系统电池板的输出功率, 逆变器输出功率, 保护状态, 调节系统工作状态等。LM3S618通过调节PWM信号的占空比从而调节Boost电路的开关状态, 使电池板输出功率达到最大值, 实现最大功率点跟踪 (MPPT) 。系统采用逐次逼近法, 不断地改变PWM信号的占空比, 实时监测太阳能电池板的输出功率把前次输出与下次输出的功率进行比较, 当电池板的输出功率增大时减少PWM信号的占空比, 否则向反方向调节, 采样频率为500HZ。系统通过JTAG口下载控制算法软件, 便于系统进行二次开发。系统具备有声光告警功能, 如出现过压或过流、超限时相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警。
2.3 DC/AC电路
系统的DC/AC电路主要包括馒头波产生电路, 50HZ方波产生电路, SPWM发生器, 延迟电路, 电流电压检测电路, 全桥功率电路等组成, 电路的设计结构直接影响系统的输出波形和效率。电路原理框图如图4所示。
如图5, 在馒头波产生电路中输入信号可以通过开关SW1选择, 当系统处于独立发电时开关接到50HZ的文氏电桥电路, 当要并网发电时开关接到电网输入端, 电网输入端外接一个3W的小变压器把220V交流电压变成5V的交流电压作为外接参考电平。信号通过C55耦合到运放U9A完成阻抗变换, 再送到由U12A、U12B、U10A组成的零电平整流电路把50HZ的交流信号整流成馒头波, 最后把信号送到加法器U10B把馒头波信号电平抬高2.5V, 同时全桥功率电路输出的并网电流相位通过检测电路取样后送到单片机进运算后得到一直流电平与馒头波相加, 最后送到SPWM产生芯片SG3525的第二脚用以产生SPWM调制信号,
如图6, 从SG352513脚输出的SPWM信号通过与非门选通然后送到延迟电路对信号进行延迟, 信号最后送到全桥逆变电路逆变成235V, 50HZ交流信号再接到电网负载。
2.4 系统软件设计
系统上电先检测太阳能电池板输出的电压电流看是否符合DC/DC电路输入设定值的范围, 如果不符合, 通过单片机关闭DC/DC电路的输出, 启动报警和显示电路, 如果在设定范围之内系统启动交流输出。同时把监测到的电池板的输出电压电流值进行功率运算启动最大功率点的控制。系统有完善的软硬件保护功能, 使系统运行于安全状态。程序流程图如图7。
3 结语
本文提出了一种基于LM3S618控制的单相光伏并网逆变系统的设计方法, 分析了系统的结构和控制原理, 设计了最大功率跟踪MPPT算法和锁相环的软件, 构建了实验室样机, 以ARM为核心的光伏并网逆变系统具有响应快、超调小、无静差等优点, 提高系统的抗干扰能力, 是光伏并网发电领域的一个较佳的方案。
摘要：设计开发一套500W小功率光伏并网发电系统。控制器电路采用DC-DC-AC架构, 该并网逆变器能实现最大功率跟踪和反孤岛效应控制功能, 控制芯片采用LM3S618, 外电压跟踪采用双闭环方式实现与网压同步的正弦电压输出, 构建了实验室样机, 通过实验测试逆变器输出的电流基本与电网电压同频同相, 并网的功率因数近似为1。
关键词：光伏并网发电,DC-DC-AC架构,最大功率点跟踪
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光伏并网发电模拟装置的设计 第10篇
世界各国对能源的需求急剧膨胀,而据世界能源委员会(WEC)预测,按照资源己探明储量和目前的发展速度,石油将在42年后枯竭,天然气将在56年后殆尽,资源量最大的煤炭也只够再开采220年。在今后的20-30年里,全球的能源结构[1]将发生根本性的变化,开发和利用可再生能源是世界各国十分重视的问题。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源,与其它新能源相比利用最大,是最理想的可再生能源,而光伏并网发电是国际上关注的焦点,光伏并网发电系统就是光伏发电系统与常规电网相联,共同承担供电任务。
2 设计方案
2.1 单片机方案
单片机STC12C5A32AD是宏晶科技新推出的一款处理器,具有高速,低功耗,超强抗干扰等特点,速度是传统80C51的8～12倍。芯片内部集成了MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速A/D转换;内置掉电检测电路,省去了外部扩充掉电检测芯片;对于时钟和串行通信速度不太敏感的系统,可以使用内部的R/C振荡电路。内部集成32K的E2PROM大大方便用户存储掉电不丢失的数据,并节省了相应的成本和10端口。由于内部已经集成了独立的波特率发生器,此系列单片机串行通信的速率可以不由内部定时器T1的溢出率来决定,这样可以让T1实现定时或者计数的功能。故选用此单片机作为该系统的控制核心器。
2.2 DC-AC逆变方案
正弦脉宽调制(SPWM)逆变器,即每半个周期内有多个脉宽组成,并且脉冲宽度符合正弦波脉冲宽度调制规律变化,则输出为正弦波,其拓扑结构主要有半桥式和全桥式。光伏发电系统并网运行时,为避免对公共电网的电力污染,也要求逆变电源输出正弦波电流,故该系统中选择全桥式正弦脉宽调制逆变器。
3. 系统总体框图
光伏并网逆变器总体框图如图1所示。
本系统采用的是一种两级式的结构,前级DC-DC变换器作为MPPT控制器实现最大功率跟踪功能,后级为全桥逆变电路,产生与电网电压同频同相的电流,使整个装置的并网功率因数为1。二者通过直流母线DClink相连,控制上相互独立。在全桥逆变器[2]与电网间加入工频变压器隔离,这样整个系统就不会向电网输出直流分量,工频变压器还起到升压的作用,这样使直流侧的输入电压具有更宽的范围。
4. 主要电路设计与参数计算
4.1 DC-AC全桥逆变器
DC-AC逆变是本设计的核心,STC12C5A32AD单片机输出的SPWM波形,由于其IO驱动能力不足,不能直接驱动由四个IGBT管G30N60组成的H桥,所以电路加入IR2110驱动芯片,该芯片驱动电路简单,成本低,最重要的就是其输出驱动波形好,有利于提高电源效率。
4.2 Buck降压斩波电路
Buck降压电路输入端电压US=60V,通过调节占空比使电压Ud=30V,Buck降压电路的输入输出关系由公式(1)确定:
式(1)其中导通占空比参考范围为0～1。
4.3单片机系统软件
单片机系统主核心模块采用了STC125A32AD单片机。这款单片机作为控制电路的核心部件,实现了数据采集、控制算法、欠压保护、显示等功能。主程序流程图如图4所示。
软件目标为控制输出电压稳定在30V,根据式(1),当输出电压低于30V,调节占空比来控制,当占空比大于95%时仍无法使输出电压达到30V,表明输入电压已无法满足要求,这时将输入输出直接连通;而低于5%时则相反,此时输入电压太高,系统已无法控制,所以直接断开电路。
4.4 滤波器设计
逆变器输出滤波器采用LC低通滤波器。由于H桥以高频的SPWM波形工作,输出滤波器的作用是滤出高次谐波[3]分量,使输出波形接近于正弦波。滤波器的设计应使输出电压谐波少,阻频特性好,滤波功率小,计算出的电感值一般不易购买,因此我们采用图5的滤波电路原理图,并且SPWM波形中所含的谐波主要是载波角频率ω及其奇次谐波。本系统采用载波频率为30kHz,远大于调制信号角频率,滤波较易实现。系统中逆变器输出频率为45-55Hz,LC滤波器截止频率,元件参数取L=10mH,C=2.2?F,计算截止频率为1.74kHz,满足设计要求。
5. 系统的同频同相[4]测试结果
仿真结果如图3所示。
从图3可以看出,当逆变器独立运行时,逆变器输出电压可以实现与电网电压的同频同相,以此来减少逆变器接入电网时的冲击;在软件中加入了中间直流侧电压闭环可以保证逆变电路的直流侧电压稳定。经过分析可以看出,逆变器采用有效外环、瞬时值内环的控制策略可以实现单位功率因数并网,满足光伏并网发电的要求,实现并网发电的目的。两电压波形比较理想,但电压在波峰和波谷处,出现波形畸变,原因如下:(1)当并网电流很小时,并网电流峰值的采样值变得很小,这样系统的采样精降低,特别在峰值附近,系统难以精确区分电流值大小,这会引起电网电压的弦度变差,引起畸变。(2)硬件采样电路的设计和参数选取上的原因,导致采样精度不够,也会出现波形的失真现象。
6 结论
单相光伏并网发电系统的功能是将太阳能电池阵列输出的直流电变换为交流电,经滤波后送入电网。本设计在进行了充分的方案对比及论证后,确定光伏并网逆变器主要由DC-DC变换器和DC-AC逆变器两部分组成,之间通过DClink连接,控制电路的核心采用STC125A32AD单片机。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能,DC-AC逆变器维持DClink中问电压稳定并将电能转换成50Hz的正弦交流电,且与电网的相电压同频和同相。由模拟仿真波形图显示,两电压波形基本一致,比较理想,光伏并网发电模拟装置频率及相位跟踪功能、欠压保护及过流保护功能等,已达到设计的基本要求。
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洁净能源发电并网系统调度综述 第11篇
【关键词】洁净能源发电；调度模型；解算算法
【中图分类号】P754.1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0408-02
0 引言
随着社会产业的发展的不断提高，能源需求的不断增长使得传统能源如煤炭、石油、天然气等资源日趋枯竭。目前，风电为代表的洁净能源发电已受到人们格外青睐，同时，在这样一种大背景下，太阳能发电也正在经历着前所未有的应用和发展速度。
解决大规模洁净能源发电并网系统调度问题对我国电力事业的发展意义深远而重大。在世界范围内发展大规模洁净能源发电并网运行是改善电源布局和优化电力结构的理想选择，也是实现可持续电力供应的理想模式。因此，解决洁净能源发电的调度问题对于实现大规模洁净能源发电并网和经济、合理运行具有决定性的作用。
1 国内外研究现状
目前，在国外洁净能源技术已经成熟，最近几年，风电的发展在国内也已经达到了一定的水平，因此，国内外对风电并网系统调度问题的研究也已经取得了一定的成果并正在不断完善。
国内外对系统优化调度模型及其解算算法的研究起步较早，研究成果也相当丰富。文献[1]提出了一种计及风电环境效益，风电备用容量成本和火电机组环境补偿成本的基于最小购电成本最小为目标函数的调度模型，使用新型智能技术遗传算法对调度模型进行解算，调度结果经济合理、经济。文献[2]构建了一种包含分布式电源的电网调度模型，并开发了相应的求解算法。通过一个具体的算例研究了分布式电源对电力系统的线损以及各节点的边际电价的影响，表明分布式电源能够有效降低线损和阻塞，为用户提供足够的电力，保障供电可靠性。当风电、光伏发电等洁净能源发电作为分布式电源接入电网时，该文所采用的调度模型具有重大参考价值。文献[3]以风电场的短期风速预测为基础，针对风力发电不同接入容量对电力系统稳定性影响的不同，建立含有风电场的电力系统经济调度模型，并使用了先进的优化算法，调度结果较精确、可信。文献[4]对水电调度模型进行了深入的研究论述，以发电量最大为目标建立了优化的调度模型，提出了双决策变量线性调度函数，并讨论了双决策线性函数建立的方法和决策规则的确定。文献[5]基于机会约束规划提出了一种新的水火电力系统短期优化调度的不确定性模型。允许所形成的调度方案在某些比较极端的情况下不满足约束条件，但这种情况发生的概率必须小于某一置信水平。兼顾日前交易和在此计划下可能存在的实时交易的费用，实现系统的火电机组和用以实时平衡的功率调整的费用最小化，并针对该模型给出了基于粒子群算法和蒙特卡罗仿真的求解方法。文献[6]提出用改进的直接搜索算法（DSM），即惩罚函数直接搜索算法PF-DSM求解系统调度问题。结果表明，改进后的直接搜索算法对调度模型的求解更有效。文献[7]介绍了一种基于模拟退火的粒子群算法，并用其求解以水电站年发电量最大建立的优化调度的数学模型，本文将模拟退火的思想应用到具有杂交和变异的粒子群算法当中，通过模拟退火的降温过程来提高算法后期的进化速度和精度。最后，以普定水电站的优化调度为例进行了计算，结果表明，该算法的性能较基本粒子群算法有了较大改善，且明显优于常规调度方法和动态规划。文献[8]采用模糊粒子群算法（FCPSO）求解多目标环境经济调度问题。文献[9]采用遗传算法和模糊逻辑控制混合算法来求解环境经济调度问题。文献[10]分析了韶关地区小水电群联合优化调度的特点，结合实际建立了小水电群优化调度的数学模型。通过对传统优化调度方法和遗传算法的基本步骤进行研究和改进，提出了基于改进遗传算法的模型求解方法，并对韶关电网系统中的两个小水电站进行了联合模拟求解，结果表明了该方法科学可行，对提高电网运行和提高水电能源的利用具有重要意义。文献[11]中的环境经济调度问题是一个多目标优化模型——目标函数包括系统排放物最少和系统费用最少的同时维持发电机组无功出力在一个可以接受的水平。文献[12]基于遗传算法研究包含风力发电的电网的经济调度方式，通过计算分析了应用风电所能带来的化石性燃料的节省效益，并研究了传统煤电水力发电机组可否有效弥补风电随机性对电网运行所带来的冲击。该文在建立调度模型并考虑了新能源发电对电网造成的安全稳定问题，所建模型合理，应用价值高。文献[13]则专门分别研究了遗传、进化算法等模拟生物进化的优化问题，对解算调度问题的算法进行了详细的论述，解决了调度模型的求解问题。文献[14]提出并设计了一种基于混合神经网络和遗传算法的水电厂经济调度系统，为反映机组复杂的非线性工作特性，建立了基于人工神经网络方法的耗水量模型， 在此基础上采用改进的遗传算法对机组进行了优化组合。结果表明： 数字仿真及其现场应用都取得了满意的结果。文献[15]对机组出力变化与分时电价波动之间的关系进行了研究，构建了一种新的水火电短期优化调度模型，该模型以实现电力市场条件下最大发电收益为目标，同时综合考虑了峰谷分时电价和环境保护成本对发电侧经济效益的影响，还考虑了梯级水电站群的蓄水量、下泄流量、机组出力等约束条件，由此得出机组的优化调度方案。针对传统优化算法难以处理高维梯级水电站优化调度多约束条件的缺陷，利用微分进化算法对此优化模型进行求解，仿真计算结果证明了该模型的合理性和算法的有效性。文献[16]在考虑环境保护和节约能源以及水电厂运行特点的基础上，提出了一种以火电厂总运行费用、污染气体排放量、水电厂弃水量为优化目标的水火电站群多目标优化调度模型。应用基于Agent的启发式计算方法求解。计算表明，该模型有利于节能减排和环境保护，提高了水力资源的利用程度，提升了电力系统的综合运行效益，为水火电力系统短期优化调度提供了新的研究思路。文献[17]针对风电场出力的随机性，在风速预测的基础上，应用随机规划理论建立了考虑机组组合的含风电场电力系统动态经济调度模型。鉴于以上众多原因，关于光伏发电并网运行调度方面的文献很少，对光伏发电调度建模和仿真的研究则更为罕见。因此，可以预见，对光伏发电并网系统调度模型的研究将成为一种趋势并在未来得到快速的发展，最终得到成熟的调度技术。
2 洁净能源发电并网系统调度相关关键技术
以风、光能源发电为代表的洁净能源发电具有随机性及不可控的特点，这给调度带来了困难。因此，必须解决与其相关的关键技术问题。
2.1 功率预测与控制
洁净能源发电要参与系统的功率平衡，需做的工作，一是其输出功率的预测，二是输出功率的控制。以风电为例，对风电场输出功率进行控制，有利于减小系统的备用容量，增强系统的可靠性和安全性。风电场综合控制系统输入信号有调度的指令、风速、并网点的有功功率、无功功率、电压等，控制目标为保持风电场的有功、无功、电压等在合理范围内。丹麦Eltra电力公司规定了风电场参与功率控制的7种方法[20-22]。一般风电场输出功率大于90%额定容量的概率小于10%，因此通过对风电场进行功率控制达到减少系统备用容量的作用，而不会损失太多的风电功率。风电功率预测的意义主要在以下几个方面：用于经济调度，根据风电场预测的出力曲线优化常规机组的出力，达到降低运行成本的目的。增强系统的安全性和可靠性。掌握了风电出力变化规律就减少了不确定性，增强了系统的可控性。但适应实时调度要求的准确的风电场出力模型是制约含风电的环境经济调度发展的瓶颈问题之一。文献[21]-[24]从不同的角度介绍了国内外对这一问题的研究情况。风电功率预测的基本方法可分为基于数值天气预报的物理预测模型（统计模型（神经网络方法、模糊数学方法等））和时间序列模型（持续预测方法、卡尔曼滤波方法等）两大类。文献[26]指出由于风电具有随机性， 目前尚无法较准确预侧其出力， 因此含有风电的电力系统经济调度不再是一个常规意义下的确定性问题。利用传统的方法也难获得既经济又有较高可靠性的解。
2.2 系统备用容量的选择
由于洁净能源并网发电具有随机性和间歇性的特点，为了保证系统的安全、稳定、可靠的运行，必须以常规能源发电为系统预留一定的备用发电容量。以风电为例，保证风电功率的波动特性如果与电网负荷的波动特性一致，那么风电就有自然调峰的作用，反之，会使电网的调峰问题更加突出。在有些情况下，从长时期来看，风电与电网负荷变化规律一致，但这并不能排除在有些时段内，风电出力正好与负荷变化规律相反，使电网面临严重的情况。这就需要合理安排系统的备用容量，保证电网的安全稳定运行。但是，目前对于合理选择备用容量没有成熟的理论和方法。调度部门选择的备用容量往往与实际需要的备用容量不太符合，这样必然造成了电力浪费和经济损失。因此，建立一种合理的备用容量选取方法必将成为一个意义重大的且具有很高经济效益的突破点。
3 结束语
针对洁净能源发电各自的特点，并根据电力实际运行需要，建立相应的调度模型，解决调度相关关键技术问题，并采用有效的数学解算方法，保证调度结果符合系统安全稳定运行原则，是解决调度问题的关键。
随着太阳能等洁净能源的大力开发，洁净能源发电并网调度技术必将不断完善，最终实现洁净能源在一定程度上取代传统能源。
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光伏并网发电系统MPPT算法研究 第12篇
能源短缺和生态危机等问题已成为世界各国发展面临的重大问题。因此, 许多国家不仅制定了相关法规推动新能源的发展, 更从各方面加大对新能源的支持力度。其中光伏发电技术以其独特的优势得到了人们的关注。在光伏发电系统的开发和应用过程中, 由于光伏电池输出功率易受环境因素 (光照、温度等) 影响, 在一定的环境因素条件下, 光伏电池输出功率和输出电压之间具有非线性的关系, 并且最大功率点唯一。最大功率点跟踪, 就是通过一定的控制装置与策略使光伏电池输出最大功率[1]。
本文在分析光伏电池特性的基础上, 对常用最大功率点跟踪算法进行了研究, 并提出了逐次逼近法算法。
1光伏电池特性分析
1.1光伏电池等效电路及其数学模型
太阳能电池是一种可将太阳能直接变换为电能的半导体光电器件, 在有光照的情况下, 太阳能电池依据光生伏打效应工作, 将太阳能按比例地变换成电能, 它是光伏发电的基本单位[2]。
目前最典型的太阳能电池是单晶硅或多晶硅电池, 据电子学理论, 光电池由于电极表面层有横向电流流过, 故在等效电路中应串联一个电阻。其等效电路如图1所示。等效电路由PN结合部分和串联电阻Rs组成, Rs为考虑横向电流的等效电阻, Iph表示太阳能电池产生的光电流, Rsh为考虑PN结漏电的分流电阻。负荷电阻RL上流过的电流为IL, 则用公式表示的太阳能电池发电状态的电流方程式为
式 (1) 中, Iph为光电流;ID为PN结的正向电流;Ish为PN结的漏电流。下面写出用电压表示的太阳能电池等效电路的基本方程式
式 (2) 中, UJ为PN结端电压;UL为负荷RS两端电压;IL为负荷电流。
式 (3) 中, A、B为与PN结材料特性有关的系数;k为波兹曼常数;T为绝对温度;Rsh为考虑PN结漏电的分流电阻;q为电荷电量。
1.2光伏电池的输出特性
以某光伏组件为例, 该产品的规格为:短路电流5.4 A, 开路电压44.4 V, 最大功率点电流5.05 A, 最大功率点电压35.6 V, 标准最大功率点180 Wp 。图2绘出了其在25℃, 日照强度 (600—1 000) W/m2时的P-V曲线。图3绘出了光伏组件的最大功率点、最大功率点电流、最大功率点电压三个参数随温度变化的情况。
从图2可以看到, 在高电压区域, 光伏电池的输出电压变化范围不大, 可视为电压源区;在低电压区, 电压变化范围大, 可视为电流源区。随着光强的减弱, 光伏电池的输出电流减小, 输出功率减小。从图3可以看到, 光强不变时, 随着温度的升高, 开路电压降低, 短路电流略有增加, 最大功率减小。
由以上分析可以看出太阳能电池受日照强度、环境温度等外界因素的影响很明显, 故太阳能电池本身是一种极不稳定的电源, 因此其输出具有明显的非线性。
2常用最大功率点跟踪算法分析
从图2所示的太阳能电池阵列的输出功率特性P-V曲线可以看出, 以最大功率点电压为界, 分为曲线的左、右两侧。当阵列工作电压大于最大功率点电压Upmax, 即工作在最大功率点右边时, 阵列输出功率将随着太阳能电池输出电压的下降而增大;当阵列工作电压小于最大功率点电压Upmax, 即工作在最大功率点左边时, 阵列输出功率将随着太阳能电池输出电压的下降而减小。最大功率点的跟踪 (MPPT) 控制是一个自寻优过程, 即通过控制太阳能电池阵列端电压, 使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。下面对常用的功率扰动观察法、增量电导法[3,4]作一介绍。
2.1功率扰动观察法
扰动观察法的原理是先给一个扰动输出电压信号 (UPV+△U) , 再测量其功率变化, 与扰动之前功率值相比, 若功率值增加, 则表示扰动方向正确, 可继续向相同的 (△U) 方向扰动;若扰动后的功率值小于扰动前, 则向相反的 (△U) 方向扰动。此法的最大优点在于结构简单, 测量参数少, 通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大;缺点在于初始值UPV以及跟踪步长△U的选取对跟踪精度和速度有较大的影响, 且有可能在阵列最大功率点附近振荡, 导致部分功率损失, 有时还会发生程序在运行中的失序, 出现“误判”现象。扰动观察法的程序控制流程图如图4所示。
2.2增量电导法
上述扰动观察法式通过调整工作点电压, 使之逐渐接近最大功率点电压来实现太阳能电池最大功率跟踪的, 这种方法并不知道最大功率点大致在什么方向。增量电导法避免了扰动观察法的盲目性, 可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。
其原理如下:
假设太阳能电池输出功率为
P=UI (6)
式 (6) 中对U求导
假设最大功率点电压为Umax, 由图2所示的太阳能电池P-U特性曲线可知, 当
将上述三种情况代入式 (7) 中可得:
当U<Umax时,
当U>Umax时,
当U=Umax时,
由于dU是分母, 首先判断dU是否为0, 如果dU=0, dI=0, 则认为找到了最大功率点, 不需要调整;如果dU=0, dI≠0, 则依据dI的正负来调整参考电压;若dU≠0, 则根据上述方程
此控制算法的最大优点是当日照强度变化时, 太阳能电池的输出端电压能以平稳的方式追随其变化, 其电压晃动较扰动观察法小。
3基于逐次逼近法的最大功率点跟踪
3.1逐次逼近法原理
其基本思想是:选取目标函数的正方向作为每步迭代的搜索方向, 搜索出最大功率所在范围, 然后等比例地缩小范围最后逐步逼近函数的最大值。逐步逼近法在搜索过程中不断调整搜索的步长, 每次调整都将精度提高数倍, 从而提高了精度。
从以上分析可知, 光伏电池的P-V特性曲线可以视为一非线性函数, 而最大功率点跟踪的目的是要在P-V特性曲线上求得曲线的最大值, 所以使用逐次逼近法可以实现MPPT。
逐次逼近法的定义如下[5]:
若一欧氏空间的n维函数f (f∈Rn) , 为连续且可微分一次, 故ᐁf (x) 存在且为一n维列向量, 我们定义一n维的行向量g (x) =ᐁf (x) t, 为方便表示定义gk为
gk=ᐁf (x) t (8)
定义逐次逼近法之迭代演算法如式 (9) 。
Xk+1=Xk+akgk (9)
式 (9) 中ak为一非负值常数, 搜寻函数的最大值是沿着正梯度gk的方向搜寻。由光伏电池的电气特性可知, 如果忽略串联电阻的效应, 可得如下电压和功率之间的关系
式 (10) 中, 函数Ppv (V) 为一非线性函数, 且连续一次可微, 又因为式 (10) 中函数Ppv是以电压V作为唯一的变量, 此时gk为
由式 (11) 可知, 迭代算法可写成式 (12)
Vk+1=Vk+akgk (12)
由功率电压特性曲线图, 可以发现由于端电压有界, 故利用逐次逼近法在太阳能电池的最大功率点的跟踪上所搜寻到的最大功率点也是全域的。
3.2逐次逼近法程序控制流程
利用逐次逼近法进行MPPT, 保留了扰动观察法的优点, 同时由一个步长可变的扰动量来改变在太阳能P-V曲线上电压的收敛速度, 当工作点电压远离最大功率点电压时, 较大的曲线斜率, 电压改变的幅度较大, 当工作点电压位于最大功率点附近时, 曲线的斜率减小, 电压改变的幅度也减小, 如此便可改善于最大功率输出点附近的振荡, 同时响应速率也得到了提高。
逐次逼近法的控制流程如图6所示。通过检测光伏电池当前时刻的电压UPV (k) 、电流IPV (k) , 并计算功率PPV (k) , 再跟前一时刻的电压UPV (k-1) , PPV (k-1) 相减求得dP和dU。得到gk=dP/dU, dP和dU的正负决定了光伏电池的参考电压的变化方向。当dP/dU>0时, 系统运行在最大功率点左侧, 光伏电池的工作电压应该增大;当dP/ dU<0时, 系统运行在最大功率点右侧, 光伏电池的工作电压应该减小;当dP/dU=0时, 系统运行在最大功率点。
4系统构建与控制
光伏并网发电系统整体框图如图7所示, 整个系统主要是由以下几部分组成:光伏电池阵列、DC/AC逆变器、滤波器、PWM并网逆变器、MPPT控制器、外网等。光伏电池阵列采用与其功能相同的光伏电池模拟装置, DC/AC逆变器采用SPWM控制方式, 滤波器为LC滤波, 频率和相位跟踪通过频率检测模块和相位检测模块的输出经由DDS (直接频率合成技术) 技术来实现。通过PWM并网控制器输出与电网电压同频同相的并网电流, 同时经过最大功率点跟踪控制改变逆变器的输出功率来调节光伏电池的工作电压, 进而让光伏电池工作在最大功率处[6]。
5仿真研究及结果分析
5.1仿真模型
利用SIMLINK仿真工具, 建立光伏系统的仿真模型如图8所示。整个系统主要有以下仿真模块:模拟光伏电池模块、SPWM控制模块, MPPT模块, 频率检测模块, 相位检测模块, PID模块。其中, 频率检测模块、相位检测模块和MTTP模块是通过S函数来实现, MTTP模块中分别应用扰动观察法、电导增量法和逐次逼近法进行仿真, 各自程序流程图分别见图4, 图5, 图6。扰动观察法应用MTTP模块中的S-Function如图9所示, 电导增量法应用在MTTP模块中的S-Function如图10所示, 逐次逼近法应用在MTTP模块中的S-Function如图11所示。
5.2仿真结果与分析
根据图8的光伏系统仿真模型, 分别在MPPT模块应用扰动观察法、电导增量法和逐次逼近法对最大功率点跟踪进行仿真, 图12为基于扰动观察法的光伏电池输出电压、输出功率、输出电流仿真波形图, 图13为基于电导增量法的光伏电池输出电压、输出功率、输出电流仿真波形图, 图14为基于逐次逼近法的光伏电池输出电压、输出功率、输出电流仿真波形图。三种方法最后均能实现最大功率的跟踪。由图12可以看出, 扰动观察法在0.3 s左右即可达到最大功率点, 波形在小范围内有一定的振荡。由图13可以看出, 电导增量法在0.35 s左右即可达到最大功率点, 波形在小范围有一定的振荡, 这是由于电导增量法较扰动观察法复杂, 对系统各部分的响应速度要求比较高。由图14可以看出, 逐次逼近法在0.16 s左右就可以达到最大功率点, 响应速度较扰动观察法和电导增量法有很大提高, 在搜索到最大功率点时能够保持稳定, 采用逐次逼近法提高了系统的动态性能和精度, 改善了光伏电池阵列最大功率点跟踪控制的效果。
6结语
本文对光伏电池特性进行了详细的分析, 针对光伏系统的最大功率点跟踪问题进行了研究, 提出了逐次逼近型算法。逐步逼近法最大的优点是在搜索过程中不断调整搜索的步长, 每次调整都将精度提高数倍, 从而提高了精度。仿真结果表明该算法较常见的扰动观察法、电导增量法具有很好的动态响应性能, 跟踪速度快, 能稳定工作在最大功率点处, 是一种比较理想的控制方法。
参考文献
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