太陽能光伏發電控制技術分析論文
太陽能光伏發電控制技術分析論文
【摘要】針對太陽能光伏發電，在簡單介紹光伏發電原理和控制要求的基礎上，對控制技術的應用進行深入分析，旨在為光伏發電技術發展提供可靠技術支援。
【關鍵詞】太陽能光伏發電；控制技術
前言
全球氣候變暖，傳統燃料日漸枯竭，世界範圍內有近20億人無法得到能源保障，在這種情況下，人們將目光放在可再生能源方面，期望利用可再生能源徹底改變人類多年以來的能源結構，實現可持續發展。在諸多可再生能源當中，太陽能憑藉其獨有特點，逐漸成為全球關注焦點。太陽能可謂取之不盡用之不竭，且成本低廉、不會造成汙染，是一種可自由利用的可再生能源。目前，全球各國、地區都在大力提高太陽能發電系統建設規模，開發並生產出各類不同的設施與產品，我國在這一方面也取得了明顯成效。
1、光伏發電基本原理
對於光伏發電系統，它主要由以下幾部分構成：①光伏電池方陣：光伏電池可將光能轉換為直流電，在系統中屬基本單元。金屬支架上透過導線相連的若干光伏電池及組成方陣，利用方陣提供必需的電流及電壓。②控制器：負責對系統的輸入功率與輸出功率進行分配和調節，也能調整蓄電池電壓。③逆變器：實現直流電向交流電的轉換。因光伏電池與蓄電池均屬直流電源，所以在交流負載情況下，需採用逆變器進行變換，以提供交流電流。④蓄電池組：因日照具有不恆定性，所以在系統中需要用到蓄電池來調節或儲存電能。蓄電池能將直流電能轉換成化學能進行儲存，在需要時透過轉換釋放[1]。光伏發電系統主要有以下三類：①獨立系統：將光能直接轉換成電能，和公共電網沒有連線；②併網系統：在轉換形成電能後和交流電網相連；③混合系統：是指兼有至少兩種能源的系統。
2、光伏發電控制要求
光伏發電的控制實際上是對充電器與逆變器進行控制。因併網和獨立系統有相同的基本功能，故能將其視作一個主要物件來研究相應的控制技術。從獨立系統的角度講，它的技術性能有：光伏電池額定功率、選電池額定容量、逆變器輸出電壓、頻率範圍與電流總諧波畸變率、系統總效率。系統中，光伏電池處在浮充放電的狀態。有日照時，光伏電池方陣開始為蓄電池充電，併為負載提供電能，無日照時蓄電池為負載提供電能。基於此，對蓄電池而言，其自放電應較小，且應具有較高的深放電能力與充電效率。此外，充放電控制需要考慮各項保護功能，如反向放電保護與短路保護等[2]。併網系統控制難點為怎樣使光伏電池以最大的功率持續輸出，並實現對低諧波失真輸出電流的同步控制。可見，這是一項需要對諸多影響因素進行綜合考慮的技術。併網系統中，應確保發電和電壓有相同的幅值、頻率及相位，同時發電與電網之間的.功率可以實現雙向調節，由此就涉及到一系列技術問題，如大功率變換和功率因數校正。
3、光伏發電控制技術
3.1最大功率點跟蹤
日照強度及環境溫度對光伏電池正常工作有直接影響，使輸出功率產生波動，所以可將光伏電池視作一種存在較大波動範圍的電源。電池的輸出電壓和電流為非線性關係，當日照強度和環境溫度發生變化時，電池輸出功率也將變化，對此，應以電池電能為依據，對輸出功率進行自動調整，確保輸出功率能和負載良好匹配，提高功率轉換效率。若能確定最大功率點，則對提高方陣實際利用率是有很大幫助的[3]。對光伏方陣而言，其最大功率點的跟蹤採用以下基本原理：對光伏方陣實際輸出功率進行檢測，透過對比確定達到最大功率時的工作電壓。現階段的常用控制演算法包括：CVT，即有恆壓跟蹤法；擾動觀察法；自適應演算法；增量電導法等。
3.2儲能與充放電控制
系統的控制器需要對最大輸出功率進行跟蹤，確保系統始終以最大功率進行輸出，避免蓄電池深度放電與過充電，同時使蓄電池進入最佳使用狀態。系統充電控制模組使用效能主要受電壓外環檢測精確度影響。普通電壓檢測對充電時的蓄電池進行持續檢測。如果蓄電池端電壓超過限定值，則蓄電池充滿，隨機停止充電。蓄電池在充電時其端電壓可以達到限定值，而在停止充電之後，端電壓將開始下降，事實上並沒有完全充足。可見，該方法不能滿足充電特性，無法發揮整體效能，還會縮短電池使用壽命。透過對離線檢測技術的應用，能使一個光伏電池對若干蓄電池實施輪換充電，各蓄電池端電壓可以有充足的時間進行恢復，確保實測電壓可以準確反映出蓄電池的實際容量[4]。基於原電路完成放電自鎖過程，同時增加相應的下限自鎖電路。對於放電自鎖，指的是負載不再受到蓄電池的放電，對深度放電予以有效抑制，延長蓄電池使用壽命。在自鎖電路當中，配置整合放大電路，憑藉正反饋基本特性，若電路中收到從比較電路中發出的訊號，則輸出端的實際電位將保持不變，即被鎖定，能使放電開關為關閉，與負載切斷。在蓄電池被充滿以後，電路的輸入端將被觸發，隨即退出正反饋，使輸出端電位改變，開啟放電開關，使負載開始得電[5]。
3.3併網控制
當系統要併入公共電網時，系統輸出的電壓及頻率除了要和電網保持一致，相位也應與電網完全一致，實現同步。為達到同步，就要用到逆變器。利用併網系統後，光伏電池產生的功率能順利轉換成市電，同時和公共電網實現併入。在這種情況下，藉助逆變器，可減小因為饋入電流而產生的諧波。對於饋入電網，其諧波失真應儘可能的低，同時要做好輸出電流和功率轉換的控制，可見這是一個十分複雜的問題。併網系統的逆變器主要採用雙環控制，對外環電壓環，其將在理想情況下的正弦波為依據和參考，比對參考與輸出電壓，取其為調節裝置的輸入值，同時考慮電壓前饋。在這種情況下，透過對同步鎖相控制的合理應用，來確定最佳的控制策略。因逆變器和公共電網之間直接併網，所以要有完善有效的保護措施。如果公共電網斷電，且逆變器繼續發電，則會產低碳技術生孤島效應，當負載發生變化時，會使逆變器受損。因逆變器連續進行供電，會使與之併網的公共電網始終處在上電的狀態，危及維修人員，所以逆變器還應實現自動偵測，同時一旦產生孤島效應，可立即和公共電網脫離，起到保護裝置與人員的作用[6]。孤島偵測是指對系統實際輸出電壓由於公共電網失效而產生的變化進行偵測，通常可分成兩類，即為主動式與被動式。對於被動式檢測，它將電網狀態資訊作為依據；而主動式檢測是指採用電力轉換器形成干擾訊號，對公共電網是否因此受到干擾進行觀測，並以此為判斷的主要依據。如果光伏系統實際供電量和公共電網中各負載實際需求量可以達到平衡，且配電開關跳閘，則併網系統周圍公共電網上的頻率和電壓改變無法被檢測，因此依然會產生孤島。儘管這種現象的發生機率不高，但也應進行預防。針對這種情況，可採用併網電流變動等方法予以檢測。另外，併網系統可能為滿足應用要求需要和其它系統進行結合。任何一種控制技術的應用目的都在於保證轉換效率，提高系統綜合性能與使用效率。
4、結束語
太陽能光伏發電是目前最具前景的新能源技術，系統控制作為為系統提供必要服務的關鍵技術，它將隨著光伏技術發展而更新、完善。找到正確、有效的控制策略能使光伏系統正常工作，發揮應有的作用與效果。
參考文獻
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