太阳能光伏发电控制技术分析论文

2022-09-04 论文

　　【摘要】针对太阳能光伏发电，在简单介绍光伏发电原理和控制要求的基础上，对控制技术的应用进行深入分析，旨在为光伏发电技术发展提供可靠技术支持。

　　【关键词】太阳能光伏发电；控制技术

　　前言

　　全球气候变暖，传统燃料日渐枯竭，世界范围内有近20亿人无法得到能源保障，在这种情况下，人们将目光放在可再生能源方面，期望利用可再生能源彻底改变人类多年以来的能源结构，实现可持续发展。在诸多可再生能源当中，太阳能凭借其独有特点，逐渐成为全球关注焦点。太阳能可谓取之不尽用之不竭，且成本低廉、不会造成污染，是一种可自由利用的可再生能源。目前，全球各国、地区都在大力提高太阳能发电系统建设规模，开发并生产出各类不同的设施与产品，我国在这一方面也取得了明显成效。

　　1、光伏发电基本原理

　　对于光伏发电系统，它主要由以下几部分构成：①光伏电池方阵：光伏电池可将光能转换为直流电，在系统中属基本单元。金属支架上通过导线相连的若干光伏电池及组成方阵，利用方阵提供必需的电流及电压。②控制器：负责对系统的输入功率与输出功率进行分配和调节，也能调整蓄电池电压。③逆变器：实现直流电向交流电的转换。因光伏电池与蓄电池均属直流电源，所以在交流负载情况下，需采用逆变器进行变换，以提供交流电流。④蓄电池组：因日照具有不恒定性，所以在系统中需要用到蓄电池来调节或存储电能。蓄电池能将直流电能转换成化学能进行存储，在需要时通过转换释放[1]。光伏发电系统主要有以下三类：①独立系统：将光能直接转换成电能，和公共电网没有连接；②并网系统：在转换形成电能后和交流电网相连；③混合系统：是指兼有至少两种能源的系统。

　　2、光伏发电控制要求

　　光伏发电的控制实际上是对充电器与逆变器进行控制。因并网和独立系统有相同的基本功能，故能将其视作一个主要对象来研究相应的控制技术。从独立系统的角度讲，它的技术性能有：光伏电池额定功率、选电池额定容量、逆变器输出电压、频率范围与电流总谐波畸变率、系统总效率。系统中，光伏电池处在浮充放电的状态。有日照时，光伏电池方阵开始为蓄电池充电，并为负载提供电能，无日照时蓄电池为负载提供电能。基于此，对蓄电池而言，其自放电应较小，且应具有较高的深放电能力与充电效率。此外，充放电控制需要考虑各项保护功能，如反向放电保护与短路保护等[2]。并网系统控制难点为怎样使光伏电池以最大的功率持续输出，并实现对低谐波失真输出电流的同步控制。可见，这是一项需要对诸多影响因素进行综合考虑的技术。并网系统中，应确保发电和电压有相同的幅值、频率及相位，同时发电与电网之间的功率可以实现双向调节，由此就涉及到一系列技术问题，如大功率变换和功率因数校正。

　　3、光伏发电控制技术

　　3.1最大功率点跟踪

　　日照强度及环境温度对光伏电池正常工作有直接影响，使输出功率产生波动，所以可将光伏电池视作一种存在较大波动范围的电源。电池的输出电压和电流为非线性关系，当日照强度和环境温度发生变化时，电池输出功率也将变化，对此，应以电池电能为依据，对输出功率进行自动调整，确保输出功率能和负载良好匹配，提高功率转换效率。若能确定最大功率点，则对提高方阵实际利用率是有很大帮助的[3]。对光伏方阵而言，其最大功率点的跟踪采用以下基本原理：对光伏方阵实际输出功率进行检测，通过对比确定达到最大功率时的工作电压。现阶段的常用控制算法包括：CVT，即有恒压跟踪法；扰动观察法；自适应算法；增量电导法等。

　　3.2储能与充放电控制

　　系统的控制器需要对最大输出功率进行跟踪，确保系统始终以最大功率进行输出，避免蓄电池深度放电与过充电，同时使蓄电池进入最佳使用状态。系统充电控制模块使用性能主要受电压外环检测精确度影响。普通电压检测对充电时的蓄电池进行持续检测。如果蓄电池端电压超过限定值，则蓄电池充满，随机停止充电。蓄电池在充电时其端电压可以达到限定值，而在停止充电之后，端电压将开始下降，事实上并没有完全充足。可见，该方法不能满足充电特性，无法发挥整体效能，还会缩短电池使用寿命。通过对离线检测技术的应用，能使一个光伏电池对若干蓄电池实施轮换充电，各蓄电池端电压可以有充足的时间进行恢复，确保实测电压可以准确反映出蓄电池的实际容量[4]。基于原电路完成放电自锁过程，同时增加相应的下限自锁电路。对于放电自锁，指的是负载不再受到蓄电池的放电，对深度放电予以有效抑制，延长蓄电池使用寿命。在自锁电路当中，配置集成放大电路，凭借正反馈基本特性，若电路中收到从比较电路中发出的信号，则输出端的实际电位将保持不变，即被锁定，能使放电开关为关闭，与负载切断。在蓄电池被充满以后，电路的输入端将被触发，随即退出正反馈，使输出端电位改变，打开放电开关，使负载开始得电[5]。

　　3.3并网控制

　　当系统要并入公共电网时，系统输出的电压及频率除了要和电网保持一致，相位也应与电网完全一致，实现同步。为达到同步，就要用到逆变器。利用并网系统后，光伏电池产生的功率能顺利转换成市电，同时和公共电网实现并入。在这种情况下，借助逆变器，可减小因为馈入电流而产生的谐波。对于馈入电网，其谐波失真应尽可能的低，同时要做好输出电流和功率转换的控制，可见这是一个十分复杂的问题。并网系统的逆变器主要采用双环控制，对外环电压环，其将在理想情况下的正弦波为依据和参考，比对参考与输出电压，取其为调节装置的输入值，同时考虑电压前馈。在这种情况下，通过对同步锁相控制的合理应用，来确定最佳的控制策略。因逆变器和公共电网之间直接并网，所以要有完善有效的保护措施。如果公共电网断电，且逆变器继续发电，则会产低碳技术生孤岛效应，当负载发生变化时，会使逆变器受损。因逆变器连续进行供电，会使与之并网的公共电网始终处在上电的状态，危及维修人员，所以逆变器还应实现自动侦测，同时一旦产生孤岛效应，可立即和公共电网脱离，起到保护设备与人员的作用[6]。孤岛侦测是指对系统实际输出电压由于公共电网失效而产生的变化进行侦测，通常可分成两类，即为主动式与被动式。对于被动式检测，它将电网状态信息作为依据；而主动式检测是指采用电力转换器形成干扰信号，对公共电网是否因此受到干扰进行观测，并以此为判断的主要依据。如果光伏系统实际供电量和公共电网中各负载实际需求量可以达到平衡，且配电开关跳闸，则并网系统周围公共电网上的频率和电压改变无法被检测，因此依然会产生孤岛。尽管这种现象的发生概率不高，但也应进行预防。针对这种情况，可采用并网电流变动等方法予以检测。另外，并网系统可能为满足应用要求需要和其它系统进行结合。任何一种控制技术的应用目的都在于保证转换效率，提高系统综合性能与使用效率。

　　4、结束语

　　太阳能光伏发电是目前最具前景的新能源技术，系统控制作为为系统提供必要服务的关键技术，它将随着光伏技术发展而更新、完善。找到正确、有效的控制策略能使光伏系统正常工作，发挥应有的作用与效果。

　　参考文献

　　[1]朱春颖.太阳能光伏发电微电网中控制技术的研究[J].科技创新导报，2017，14（33）：97+99.

　　[2]汪春生.太阳能光伏最大功率点跟踪控制技术研究[J].山东工业技术，2017（18）：164.

　　[3]王营辉.分布式光伏发电运行控制技术分析[J].电子世界，2017（14）：188.

　　[4]林少锐.太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪技术分析[J].科技创新与应用，2013（21）：9.

　　[5]王平.光伏发电LED照明的最大功率跟踪及控制技术研究[J].光机电信息，2009，26（11）：30~35.

　　[6]张志强，马琴，程大章.太阳能光伏发电系统中的控制技术研究[J].低压电器，2008（12）：55~58+62.