光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)建模及其運(yùn)行特性

2017-08-04 14:19:34 分布式發(fā)電與微電網(wǎng)　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院、遼寧科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院、天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員高長(zhǎng)偉、劉曉明、陳海、李鴻一，在2017年第5期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，建立了光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析模型，提出了基于變步長(zhǎng)無(wú)電壓檢測(cè)的最大功率跟蹤控制方法及基于逆止二極管控制直流母線入口的光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略。

與擾動(dòng)觀察法比較,驗(yàn)證了所提出的最大功率跟蹤控制方法的有效性。光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性及負(fù)載電流、電壓波動(dòng)特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,當(dāng)太陽(yáng)輻射量降低時(shí),負(fù)載電源由光伏向市電自動(dòng)切換。在電源切換過(guò)程中,負(fù)載電壓與電流波形畸變率小,系統(tǒng)保持平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能發(fā)電即發(fā)即用與就地消納利用的目的。

當(dāng)前，人類社會(huì)面臨著傳統(tǒng)化石燃料消耗殆盡、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重等諸多問題，為緩解能源需求壓力并減輕環(huán)境污染，世界各國(guó)大力提倡開發(fā)利用可再生能源。作為一種典型的可再生能源，太陽(yáng)能因其具有無(wú)污染、使用靈活、分布廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為符合可持續(xù)發(fā)展理念的理想綠色能源。

光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的一種主要形式，其具有清潔、可再生的優(yōu)點(diǎn)，并且具有建設(shè)周期短、可利用建筑物表面等優(yōu)勢(shì)。隨著光伏電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提升和生產(chǎn)成本的持續(xù)降低，其正逐漸在能源、環(huán)境和人類社會(huì)發(fā)展中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

在人類開發(fā)使用可再生能源的過(guò)程中，光伏發(fā)電發(fā)展前景廣闊，將逐漸從補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡。但是，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)出力受外界條件影響十分嚴(yán)重。對(duì)于大規(guī)模并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，該特征會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，是阻礙大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的主要因素之一。

隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越多地并入電網(wǎng)，其對(duì)電網(wǎng)的影響日益凸顯。大容量光伏電站的并網(wǎng)運(yùn)行給電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和功率的預(yù)測(cè)增加了難度，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電網(wǎng)調(diào)度造成較大影響，對(duì)電網(wǎng)保護(hù)與控制的影響不可忽視。

光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要有“低壓接入、分散開發(fā)、就地消納利用”和“中高壓接入、集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送消納利用”兩種方式。從運(yùn)行模式來(lái)看，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要存在并網(wǎng)系統(tǒng)和獨(dú)立系統(tǒng)兩大類。

前者主要是由國(guó)家投資興建，系統(tǒng)技術(shù)層面要求較高。后者通常需要對(duì)蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)進(jìn)行能量管理，系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本高，并且蓄電池等儲(chǔ)能裝置的回收會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。目前，光伏發(fā)電的太陽(yáng)能利用效率普遍較低，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)電能的需求。因此，光伏發(fā)電迫切需要與其他可再生能源及傳統(tǒng)化石能源有效結(jié)合，共同給電力用戶提供電能，以此來(lái)達(dá)到多種能源綜合互補(bǔ)的目的。

在此背景下，為了促進(jìn)太陽(yáng)能發(fā)電即發(fā)即用、就地消納以及多能源綜合互補(bǔ)利用，本文提出了基于逆止二極管控制直流母線入口的光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)模型，并對(duì)其工作特性進(jìn)行了深入研究。

首先，從光伏電池電氣外特性角度對(duì)其工程用等效數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討，建立了光伏電池輸出特性仿真電路，分析了光伏電池輸出特性以及外界環(huán)境參數(shù)對(duì)光伏電池輸出特性的影響。

其次，以所建立的光伏電池模型為基礎(chǔ)，對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制策略進(jìn)行了研究。為簡(jiǎn)化最大功率跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制流程，提出了基于變步長(zhǎng)無(wú)電壓檢測(cè)的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法。基于Matlab/ Simulink平臺(tái)建立仿真模型，將仿真結(jié)果與擾動(dòng)觀察法相比較，證明了本文所提出的最大功率跟蹤控制方法的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性均有顯著提高。

再次，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)方案的可行性，在Matlab/Simulink平臺(tái)下利用S函數(shù)建立了光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析模型并搭建物理試驗(yàn)平臺(tái)。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，當(dāng)光照強(qiáng)度減小到某一定值后，在光伏電源與市電切換過(guò)程中，負(fù)載電壓、電流幅值穩(wěn)定，波形畸變率較小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行。光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)無(wú)需蓄電池儲(chǔ)能也能保證負(fù)載供電的持續(xù)性，在很大程度上降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資和運(yùn)行管理成本，也不存在因蓄電池等儲(chǔ)能裝置的回收而產(chǎn)生的環(huán)境二次污染問題。

圖1 光伏市電互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種光伏市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)，以解決光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載供電的間歇性和不穩(wěn)定性等不足。系統(tǒng)主要由光伏陣列、DC-DC變換器、市電電源、隔離變壓器、整流器、逆變器等部分組成。系統(tǒng)將光伏陣列作為主供電電源，為保證負(fù)載電源的穩(wěn)定性，以市電為補(bǔ)充供電電源，當(dāng)光照條件發(fā)生變化時(shí)，負(fù)載的供電電源在二者間自動(dòng)切換。

提出采用無(wú)電壓檢測(cè)MPPT控制方法對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，該方法只需對(duì)光伏電池的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制策略的可行性與有效性。

責(zé)任編輯：lixin

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