淮南矿业集团电力有限责任公司光伏发电项目管理部 安徽淮南 232000
摘要：这几年，随着世界快速发展,全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰若人类社会。太阳能以其储量的“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势,且我国的太阳能资源非常的丰富,理论储量达每年亿吨标准煤,太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。而利用太阳能的最佳方式,就是光伏发电。基于此本文对分布式光伏并网发电系统控制技术研究作以分析，供相关人员参考。
1 光伏发电系统的分类
光伏发电系统按电力系统关系分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。孤立光伏发电系统通常建立在远离电网的偏远山区或作为野外移动式便携电源,由光伏阵列储能装置、电能变换装置、控制系统和配电设备等组成。并网光伏发电系统像其他类型的发电系统一样,可为电力系统提供有功和无功电能。
与独立运行的太阳能光伏电站相比,并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处：
1）不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。
2）光伏电池可以始终工作在最大功率点处,由大电网来接纳太阳能所发的全部电能,提高了太阳能发电的效率。
3）直接将电能输入电网,可以充分利用光伏阵列所发的电力。省略了作为储能环节的蓄电池,降低了因充放电带来的能量损耗,省去了维护蓄电池,降低了系统的成本。
2 目前光伏并网发电系统存在三大问题
1）光伏阵列发电效率低。
2）系统的造价成本高。
3）发电运行受气候环境因素影响大。同时并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统,对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响,如谐波污染、孤岛效应等。
光伏并网系统分集中式和分散式两种。集中式并网发电系统一般容量较大,通常在几百千瓦到兆瓦级,而分散式并网发电系统一般容量较小,在几千瓦到几十千瓦,目前并网光伏发电系统大多采用分散式并网系统。
3 光伏并网发电系统的结构
1）光伏电池阵列
光伏电池阵列光伏电池阵列是光伏并网系统的主要部件,它将接收到的太阳光能直接转换为电能,目前工程上应用的太阳能电池阵列多为由一定数量的晶体硅太阳电池组件按照并网逆变器输入电压的要求串、并联组成。
2）光伏并网逆变器
太阳能光伏系统中使用的逆变器是一种将太阳电池所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置。它使转换后的交流电的电压、频率与动力系统向负载提供的交流电压、频率一致。
逆变器有电压型，电流型等多种型式。逆变器将直流电力切断时,直流侧的电压保持一定的方式称为电压型,直流侧的电流保持一定的方式称为电流型,太阳能光伏系统一般使用电压型逆变器。
3）目前的光伏并网发电系统,根据能量转换环节的个数可分为单级结构和两级结构,即为有无环节,现分别讨论如下：
a：单级结构
单级结构的并网逆变器省略了DC/DC变换环节，由DC/1C环节来实现所有功能。由于单级式光伏并网逆变系统只有一个能量变换环节，控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，也要保证对电网输出电流的幅值和正弦度，其控制一般较为复杂。为了实现单级结构，目前可采取两种方法:一种是DC/AC环节与电网之间加入工频变压器；另一种是串并联足够多的光伏阵列以提供直流侧电压。这两种方法带来的问题是:带上工频变压器使得系统体积、成本和损耗都增加；光伏阵列在受光不匀时会出现热斑现象，输出高压的光伏阵列出现热斑会严重威胁系统的安全，使光伏阵列与地之间出现漏电流的儿率增加。目前实际应用的光伏并网系统采用这利，拓扑结构的不是很多。
b：两级结构
两级结构主要由DC/DC部分与DC/AC部分组成。相比于单级结构,两级结构将MPPT功能和直流升压功能交由DC/DC部分完成,而并网功能交由DC/AC部分完成。光伏逆变器由单级结构发展至两级结构,虽然元件和环节增加了,但是通过使电能转换级数增加,一方面万便了最大功率点跟踪控制的实现,满足了直流电压宽输入范围的要求,另一力一而也便一于满足电网对逆变器的要求`尽可能提高直流输入电压,就能提高逆变器的转换效率。
与建筑结合的光伏并网发电是近年来在城市中大力推广应用的一个主要方向。与建筑结合使得光伏方阵安装方式多样化，如阳台安装、屋顶安装、墙面安装,也易导致各支路受光条件不均，输出功率失配。如果采用单级结构的集,式最大功率跟踪,整体效率将严重降低，特别是在使用不同特性的光伏方阵时,此特点表现更加明显。
4 光伏并网系统孤岛检测技术研究
4.1 孤岛效应发生机理
典型分布式发电系统示意图如图1所示，用户通过电闸开关与电网相连接，当电闸开关闭合时，分布式电源和配电网同时给用户负载供电，当电网发生故障或者线路需要维修时电闸开关断开，而分布式电源没有检测到该断开状态，继续向用户供电，形成孤岛效应。
图1典型分布式发电系统示意图
下面以光伏并网发电系统为例分析分布式发电系统中孤岛效应发生的机理，并且阐述产生孤岛效应的必要条件。
图上所示以及下面分析介绍的相关变量说明如下：
R：用户本地负载等效电阻
L：用户本地负载等效电感
C：用户本地负载等效电容
Ppv：光伏系统的输出有功功率
Qpv：光伏系统的输出无功功率
ΔP：电网正常时电网输出到用户的有功功率
ΔQ：电网正常时电网输出到用户的无功功率
Pload：用户本地负载的输入有功功率
Qload：用户本地负载的输入无功功率
4.2 孤岛效应检测方法
4.2.1 被动式孤岛检测技术。并网逆变器的被动式孤岛检测技术是通过监控并网端电压来实现的，实时计算端电压的幅值和频率以及相位和谐波含量，当超出所设置的阈值就切断逆变器的供电，由于逆变器的控制算法本身就需要对输出端的电压和电流进行采样和监控，所以该类算法不需要额外增加硬件电路，也不需要增加单独的保护继电器，被动式孤岛检测技术相对简单方便。
4.2.2 主动式孤岛检测技术。被动式孤岛检测技术的最大的优点是简单方便，但是缺点是检测盲区大。主动式孤岛检测技术所采用的方法是在逆变器输出电流上添加一定的扰动，在正常并网发电时由于输出电压受到电网电压牵制，扰动不会对系统产生太大影响，而电网断开后，由于缺少了电网的钳位，添加了扰动的输出电流在负载上作用产生电压，此时扰动会不断累加直到触发阈值被检测出来。下面分别对添加扰动的几种方式进行介绍。
4.3 多并网系统下孤岛检测技术的分析和仿真
虽然现在对逆变器并网孤岛检测有了非常多的研究成果以及相关的技术规范，但是对多逆变器同时并网的孤岛检测相互影响的研究仍然较少，更没有相关的技术规范。在多个逆变器同时并网的情况下，由于逆变器间并没有统一的孤岛检测方案，各个孤岛检测方案将被其他逆变器所稀释，无法达到预期的检测效果。更有甚者，不同孤岛检测方案间将相互影响，增大检测失效的可能性。如多台逆变器使用SFS孤岛检测技术，一些采用了初始向上偏移的扰动，而另外一些采用了初始向下偏移的扰动，那么可能使得最终效果是频率没有偏移，导致所有的孤岛检测技术全部失效。
综上所述，虽然在大多数情况下采用改进后的孤岛检测技术的逆变器和其它的逆变器并联时能达到较好的检测效果，但是仍旧不排除孤岛检测失败的可能性。如果负载的品质因数很高，或者采用改进后的孤岛检测技术的逆变器输出功率占系统总功率很低，或者负载吸收功率与逆变器输出功率几乎完全匹配，那么此时改进后的SFS孤岛检测技术会失效。所以该方法仍有待进一步改进。
参考文献：
[1] 王得发.基于分布式光伏发电的调度并网研究[D].青岛科技大学,2016.
论文作者:杨宇鹏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/15
标签：光伏论文; 逆变器论文; 孤岛论文; 系统论文; 电网论文; 并网发电论文; 电压论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;