- 相关推荐
电力电子技术在光伏系统的应用
电力电子技术在光伏系统的应用【1】
[摘 要]为了解决日益严重的空气污染问题，我们亟待开发出清洁的新能源。
在此前提下太阳能光伏发电技术在全世界获得越来越广泛的应用。
这篇文章主要介绍了并网系统的构成以及现有技术特点。
在光伏系统中，根据不同的需求选用不同的电力电子器件，文中对几种常用逆变器进行了对比，最大功率点跟踪技术也得到讨论。
在文章的结尾部分作者还分析了一套光伏并网试验系统。
该试验系统实现了太阳能电池最大功率点跟踪技术和高效率的逆变器设计。
[关键词]太阳能 光伏发电 逆变 并网
1 概述
2013年年初，京津冀地区遭遇严重雾霾天气; 10月份以后，大范围雾霾污染又蔓延至哈尔滨、苏州、上海、甚至三亚等地，全国范围从北到南无一幸免。
据相关部门统计， 2013年的雾霾天数是中国近52年来的最多，创下历史纪录。
环保专家指出，导致空气质量下降的污染物有二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、可吸入颗粒物、臭氧等。
在一些地区，尤其是大城市，工业生产、机动车尾气、建筑施工、冬季取暖烧煤等排放的有害物质难以扩散，导致空气质量显著下降。
面对越来越严峻空气污染形势，寻找新能源成为当前面临的迫切课题。
照射在地球上的太阳能非常巨大，而且太阳能发电绝对干净，不产生污染。
所以太阳能被誉为是理想的能源。
随着太阳能光伏发电技术的发展，光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。
本文主要讨论太阳能光伏发电系统中电力电子技术的应用;介绍并网系统的组成特点;根据不同的电路拓扑，讨论太阳能最大功率点跟踪技术的实现方法。
2 太阳能光伏系统的组成
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。
与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能环节，直接由并网逆变器接太阳能电池和电网。
并网逆变器的基本功能是相同的。
那就是，在太阳能电池输出较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。
3 太阳能光伏系统的最大功率点跟踪技术
实现太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪，实质上是一个自寻优过程。
通过对光伏阵列当前时刻输出电压与电流的检测，得到当前时刻光伏阵列输出功率，再与已存储的前一时刻光伏阵列功率值比较，舍小存大，再检测，再相比较，如此不停地周而复始，便可使光伏阵列动态地工作在最大功率点上。
在一定温度时，不同光照强度下太阳能电池的输出特性曲线不同。
每条曲线都存在着一个最大功率输出点，并且这个点在当前的光照条件下是唯一的。
在太阳能光伏系统中采用较多的一阶MPPT正是利用了最大功率点的dp/dv为零的特性。
先对太阳能电池的输出电压和电流进行连续的采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。
当功率达到最大值时满足式(1)，同时还可以推得式(2)。
dP/dU=dUI/dU=UdI/dU+IdU/dI=0 (1)
UdI+IdU=0 (2)
ΔI=UdI (3)
ΔU=-IdU (4)
则当ΔU=ΔI时，即可近似认为达到最大功率点，这样就构成了最经典的一阶差分算法。
4 并网供电的太阳能光伏系统中的逆变器
光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电能，如变压器和电机等。
直流供电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限。
除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。
现在常用的逆变器有以下几种。
1)方波逆变器
此逆变器输出的电压波形为方波，逆变器线路简单，价格便宜，实现较为容易。
缺点是方波电压中含有大量的高次谐波成分，在负载中会产生附加的损耗，并对通信等设备产生较大的干扰，需要外加额外的滤波器。
此类逆变器多见于早期，设计功率不超过几百瓦的小容量逆交器。
2)阶梯波逆变器
阶梯波逆变器输出的电压波形为阶梯波形，阶梯波逆变器的优点是输出波形接近正弦波，比方波有明显的改善，高次谐波含量减少。
但此逆变器往往需要多组直流电源供电，需要的功率开关管也较多，给光伏阵列分组和蓄电池分组带来不便。
3)正弦波PWM逆变器
正弦波逆变器的优点是输出波形基本为正弦波，在负载中只有很少的谐波损耗，对通信设备干扰小，整机效率高。
缺点是设备复杂、价格高。
5 双模式逆变器
为了方便应用，可以设计一种既可独立运行，又可并网运行的光伏发电系统。
该系统中的逆变器可以自由切换并网运行和独立运行，并且保证在切换过程中对负载和逆变器无冲击，实现平滑切换。
可以采用了快速检测并网开关和抑制电流突变的过渡算法，以实现三相系统并网/独立的平滑切换。
这种系统称为三相双模式逆变器发电系统。
此系统中太阳能电池板组成光伏阵列，输出不稳定的直流电。
DC/DC 充电控制器连接电池板和蓄电池组，实现最大功率向蓄电池充电。
蓄电池可以在太阳辐照度变化和无太阳光时持续向逆变器供给直流电。
三相逆变器的输入级连接到蓄电池的直流母线上， 输出接在带有中心抽头的变压器上。
这样可以带三相或单相负载运行。
并网开关可以实现电网与负载、 逆变器的连接和断开。
当电网无电时，并网开关断开，逆变器给负载供电。
当电网有电时，并网开关闭合，负载由电网和逆变器共同供电，逆变器还可以将太阳能电池板发出的多余电能输入到电网中，也可以利用电网给蓄电池充电。
6 结论
本文对太阳能光伏系统中的最大功率点跟踪和逆变技术进行了讨论。
通过对并网光伏系统进行系统组成分析，比较其构成特点和电路拓扑，讨论得出了各自适用的控制方法。
文章最后介绍了一种可实现独立运行与并网运行实时切换的双模逆变器。
从上述分析可以看到：太阳能光伏发电作为新能源的应用技术正在得到迅速发展，而电力电子技术作为其中的关键技术，对太阳能光伏发电应用的发展起着决定性作用。
参考文献
[1] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛等.太阳能光伏发电及其应用.北京：科学出版社，2005.
[2] 郭廷玮.太阳能的利用和前景.北京：科学普及出版社，1984.
[3] 王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望.太阳能光伏产业发展论坛论文集，2003，9：4～17.
[4] 赵玉文.中国光伏技术概况和发展趋势.中美清洁能源技术论坛，2001，25～31.
[5] 赵争鸣，孟朔等.太阳能发电综合应用系统.电力电子，2003，1(2)：7～10.
电子电力变压器在光伏发电系统中应用【2】
[摘 要]随着我国经济的不断腾飞，对于电力的需求日益增加，传统能源如煤、石油、天然气等不仅储量有限，还会由于燃烧对环境造成极为严重的污染，因此开发、利用新能源势在必行。
在这一大环境下，世界各国都在发展新能源技术，其中光伏发电技术由于技术性能非常优秀早已经步入了人们的视野。
传统的工频变压器由于重量大、体积大、操控不灵活，所以在光伏发电系统中，人们越发依赖电子电力变压器，而且在其使用过程中，人们发现其对现代电力系统的作用越发明显，它的应用与现代电力系统的要求相契合。
笔者在本文中对电子电力变压器结构进行描述后，着重强调了电子电力变压器在光伏发电系统中的应用以及使用的优点进行了详细的论述，以期为我国光伏发电系统的进一步发展提供参考性意见。
[关键词]电子电力变压器;光伏发电系统;特点;结构;应用
前言
从上个世纪八十年代开始，石油危机逐渐走入了人们的视野，西方发达国家早已经将能源问题的解决方法投入到新能源的开发上来，并且毫不吝啬地动用大量人力、物力在此项目中，当然作为其中重要项目之一的光伏发电技术也名列其中，并在该项目的研究过程中取得了长足的进步。
着眼于现代，并放眼全球不难发现光伏发电的应用范围极广，并渐趋在电力市场中以替代能源的角色出场。
一、我国光伏发电系统的现状
虽然我国的光伏发电系统于近年来才开始发展，但是已经获得了良好的结果。
我国最早研发的光伏发电系统是为了解决卫星供电问题才开始进行的，但是从上个世纪九十年代开始，国家越发认识到光伏产业的重要性，与此同时，光伏发电项目正式位居于国家科技攻关计划中。
这一项目的开展并非纸上谈兵，北京和深圳作为光伏发电首先试行的地区，首当其冲地应用了光伏屋顶发电系统。
2013年，全年我国新增装机容量达到了11.3GW，世界排名第一，并且预计未来5年均新增装机量不会低于10GW，这些实际的数据已经证明光伏发电市场的主战场已经从欧洲转移到了亚洲。
我国也在2005年就通过了《中华人民共和国可再生能源法》，并且在2009年通过了《中华人民共和国可再生能源法修正案》，这些法律法规给予光伏发电系统以强有力的政策支持，对于整个光伏发电系统来说，这无疑是国家给光伏发电系统颁发的的有效王牌，光伏发电的道路也必定因国家的政策扶持而越发平坦。
2014年我国光伏发电建设规模在综合考虑各地区资源条件、发展基础、电网消纳能力以及配套政策措施等因素基础上确定，全年新增备案总规模1400万千瓦，其中分布式800万千瓦，光伏电站600万千瓦。
二、电子电力变压器的基本机构
电子电力变压器能够有效地将高频变压器与电力电子变换器结合在一起，与此同时，它能够有效地完成电能的传输和变换。
因此电子电力变压器的主要有高频变压器和电力电子转换器构成，其中前者主要的作用就是实现一次侧和二次侧的隔离与电压等级的转换;而后者主要的作用就是实现波形的控制，例如：谐波、频率、相位以及幅值的控制。
与常规的电力变压器相比，电子电力变压器通过对电力电子变换器的控制，使其不仅具有变换电压等级、隔离电气的作用，还能够控制系统的谐波、频率、相位以及幅值，能够更加自由的变换电能形式。
现阶段，电子电力变压器的实现方案并不单一，就电平数而言就有多电平、三电平以及两电平等多重选择;就相数而言，其选择也不再受一种选择的桎梏，因为它有三项和单相之分。
此外，按照是否含有直流，又可以将其分为两类，一种是含有直流环节的电子电力变换器，常称其为AC/DC/AC 型电子电力变压器，如下图1;另一种是不存在直流环节的电子电力变换器，常称其为直接 AC/AC 型电子电力变压器如下图2。
三、光伏发电系统中电子电力变压器的应用现状及技术优点
近些年来，光伏发电的应用范围逐年扩大，它在电力系统中的作用也是举足轻重、缺其不可的。
与传统电源形式相比，光伏发电具有电源形式多样化、输出电压与频率随机性和波动性较大、分布广等特点。
采用不同的变压器，光伏发电系统所呈现的结果是截然不同的。
在并入电网中如若采用工频变压器，其所需要的成本就会相对较高、占用的体积也会相对较大，若要保证电能质量就必须配置额外的调压、调频设备才可以，这其中不乏逆变效率低等劣势。
而将电子电力变压器应用于光伏发电系统，它不仅可以灵活地将各种分布式电源接入到电力系统中，对逆变、整流环节也会起到很好的控制作用，与此同时，调压、调频等效果也会渐趋达到理想状态。
这样一来，诸多调压、调频设备的安装步骤就可以省去，以此实现降低成本的目的。
当电力系统发生短路故障时，光伏系统的功率、电流以及电压都会受到影响而发生变化，但是光伏系统的输出电流会逐渐增大，因此，即使发生故障，电子电力变压器的应用也可以将系统电压很好地稳定住。
在故障排除、恢复到正常以后，其系统的状态将完全恢复到故障前。
因此说，通过电子电力变压器的应用，可以灵活调节有功和无功输出，使得光伏系统不需要在电网出现故障时退出运行，并且能够保持短暂的并网运行状态。
待系统恢复正常后，光伏发电系统又可以向电网输出功率，但是在事故状态下，光伏发电系统的输出功率并不稳定，具有一定的波动性。
在光伏发电系统中应用电子电力变压器，具有下列三项优点，分别是：
1 电子电力变压器能够使光伏系统并网结构更加紧凑。
由于电子电力变压器的应用，可以通过其变换电能形式的功能，取消掉光伏入网所需要的变换器，这就实现了将整个光伏并网结构紧凑化的目的。
由于电子电力变压器应用的时高频变压器，相对于传统的工频变压器来说，其体积更加小巧，可以使光伏并网系统的体积进一步缩小，并且使整个系统的结构更加紧凑。
2 电子电力变压器不仅含有交流变换环节，还含有直流交变环节，而且通过电子电力变压器的应用，还可以使光伏系统的并网方式更加灵活。
鉴于光伏系统不仅可以在交流母线处入网，也可以在直流母线处并网，因此说其并网的形式更加灵活多样。
在应用电子电力变压器的基础上，如果可以将储能元件安装于直流环节，就可以更加方便的实现除储能元件的介入。
3 由于电子电力变压器兼备交直流环节，因此可以直接接入到光伏发电系统，这就能够实现了并网电源形式的多样化，能够更好地实现供电形势的互补。
此外，应用了电子电力变压器的光伏发电系统，其功率、电流以及电压都能够满足并网要求。
但是由于仅含有少量的谐波，电压和电流都是标准的正弦波。
四、结论
综上所述，电子电力变压器作为一种重要设备在光伏发电系统中的应用已经逐步走入正轨，已经能够从部分上解决能源紧缺的现状，因此其具有非常广阔的发展前景。
为了更好地实现电子电力变压器在光伏发电系统中的应用，笔者先对电子电力变压器在光伏发电系统中的应用及优点进行了详细的论述，希望能够起到促进其发展的最终目的，逐步解决我国能源紧缺的现状。
参考文献
[1] 李胜和，张璐琪. 浅析电子电力变压器在光伏发电系统中的应用[J]. 电力系统自动化，2005，29(16)：66-71.
[2] 魏世金，刘旭东. 刍议电子电力变压器在电力系统中的应用趋势[J]. 水电能源科学，2007，25(5)：135-138.
【电力电子技术在光伏系统的应用】相关文章：
电力信息安全中备份系统的应用论文10-11
光伏实习报告10-31
光伏工作计划12-16
光伏工作计划06-05
电力系统对电气自动化的应用论文10-08
光伏施工合同06-30
光伏发电的合同03-20
光伏电站工作总结03-16
电力营销中电能计量自动化系统应用分析10-05
电力系统自动化技术应用及前景分析10-26