分布式并網(wǎng)研究淺析

郭曉慧　馮松鵬

[摘要]在能源枯竭和環(huán)境問題日益嚴重的今天，光伏利用成為世界各國爭相發(fā)展的熱點，光伏并網(wǎng)發(fā)電作為太陽能光伏利用的發(fā)展趨勢，必將得到快速的發(fā)展。而逆變器并網(wǎng)技術是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術。

[關鍵詞]光伏并網(wǎng)；逆變器；控制策略

[中圖分類號]P754.1 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0407-01

1 引言

本文系統(tǒng)地概述了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的背景及意義，著重分析了幾種具有代表性的逆變器并網(wǎng)控制方案的優(yōu)缺點，并對幾種入網(wǎng)電流控制方案進行了分析。

2 并網(wǎng)研究的背景及意義

電力工業(yè)長期以來一直采用集中縱向供電的電力生產(chǎn)模式。然而近年許多因素促使其需要不斷解決傳統(tǒng)模式所產(chǎn)生的問題，這些因素包括：（1）環(huán)境保護的壓力；為了對付酸雨、全球變曖、土地資源緊缺、新建大容量的電廠和輸電線路越來越困難；（2）數(shù)字化革命對其提出了新的可靠性和電能質(zhì)量要求；（3）全球競爭加劇要求高質(zhì)量和低成本的電力產(chǎn)品和服務；（4）經(jīng)濟高速發(fā)展使供電和輸電容量相對短缺，供電型式相對單一。到20世紀80年代末開始出現(xiàn)了一個由傳統(tǒng)供電模式向集中、分散相結(jié)合供電模式過渡的趨勢，新型高效綠色的小型獨立電源發(fā)電所占比例越來越大。隨著電力技術的不斷發(fā)展，公共環(huán)境政策的督促和電力市場的擴大等因素的共同作用使分布式電源成為未來重要的能源選擇。

分布式發(fā)電的一個重要形式就是可再生能源，包括了太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出來的生物燃料和氫能所產(chǎn)生的能量。從能源供應的諸多因素考慮，太陽能無疑是最符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想的綠色能源，太陽能在近些年來引起了世界各國政府和能源專家的日益重視。全球能源專家們認定，太陽能將成為21世紀最重要的能源之一，太陽能的大規(guī)模應用將是21世紀人類進步的重要標志。而并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏利用的發(fā)展趨勢。

3 調(diào)度式和不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)

目前常用的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種是“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，這種系統(tǒng)不含有儲能環(huán)節(jié)，比如蓄電池，另一種是“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”，這種系統(tǒng)含有儲能環(huán)節(jié)。

在不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能直接轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，完全由日照和環(huán)境溫度等因素來決定并網(wǎng)的時間和并網(wǎng)的功率大?。划斨麟娋W(wǎng)斷電時系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。該類并網(wǎng)系統(tǒng)一般用于工廠發(fā)電，由于沒有蓄電池這一中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)成本比有蓄電池的降低40%左右。

可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)增加了儲能環(huán)節(jié)（目前主要為蓄電池，將來也可能逐步為燃料電池等其它分布式電站的新技術所替代），系統(tǒng)首先對蓄電池進行充電，然后根據(jù)需要將系統(tǒng)用作并網(wǎng)或者經(jīng)逆變后獨立使用，系統(tǒng)工作時間和并網(wǎng)功率大小可以人為設定。當電網(wǎng)斷電或者故障時，逆變器自動切斷和電網(wǎng)的電氣連接，同時可以根據(jù)需要選擇是否進行獨立逆變，用以對本地負載繼續(xù)供電。

4 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類

逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。電壓型逆變電路也可并聯(lián)大電容，相當電壓源。直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電流起緩沖無功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。

電流型逆變電路直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當于電流源。直流側(cè)電流基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)高阻態(tài)。電路中開關器件的作用僅是改變直流電流的流通途徑，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負載阻抗角無關。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負載阻抗情況的不同而不同。當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用。

5 系統(tǒng)的控制策略

并網(wǎng)系統(tǒng)的主要控制策略在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略方面，現(xiàn)有的控制方法有滯環(huán)電流控制、雙環(huán)控制、空間矢量PWM控制（SVPWM控制）、定時比較控制、無差拍控制和重復控制等等。

（1）滯環(huán)控制方式：圖1-3所示為采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式原理圖

并網(wǎng)電流滯環(huán)控制是將與電網(wǎng)電壓同步的指令電流iref和實際送入電網(wǎng)的電流i相比較，把差送人滯環(huán)比較器。滯環(huán)比較器的環(huán)寬為2Ai，其中△i為設定的最大電流偏移。當i超過iref且偏移達到△i時，滯環(huán)比較器將控制上下橋臂開通和關斷，使變壓器原邊電壓正負交替變化。從而迫使逆變器輸出電流不斷跟蹤給定電流的波形，僅在允許偏差范圍內(nèi)稍有波動。

采用滯環(huán)電流控制的優(yōu)點是實時控制，電流響應快，不用載波，輸出電壓、電流波形中不含特定次諧波，動態(tài)性能好，電流跟蹤誤差范圍固定。但其缺點是電力半導體器件的開關頻率不固定，同時增加了濾波器設計的難度，可能會引起間接的諧波干擾。當環(huán)寬過大時，開關動作頻率降低，跟蹤誤差增大；環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差減小，但開關的動作頻率過高，開關損耗增大，甚至會超過可關斷器件的允許工作頻率范圍，導致電路無法正常工作。

（2）三角波比較法SPWM電流控制原理是將指令電流與并網(wǎng)電流的實時值進行比較，兩者的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)與三角波比較，輸出PWM信號。

該控制方案的主要特點是固定的開關頻率具有算法簡便，物理意義清晰實現(xiàn)方便等優(yōu)點，因而網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設計容易，并且有利于限制功率器件的開關損耗。但其缺點是跟隨誤差較大，軟硬相對復雜，在開關頻率不夠高的情況下，電流響應仍相對較慢，且電流動態(tài)偏差隨著電流變化率的變化而變化。

（3）定時比較控制定時比較控制是利用一個定時控制的比較器，每個時鐘周期對電流誤差判斷一次，發(fā)出相應的PWM信號，需要至少一個時鐘周期才會變化一次，器件的開關頻率最高不會超過時鐘頻率的一半，采用定時比較控制的優(yōu)點，開關頻率固定，減少功率開關器件的損耗，增加使用壽命。但其缺點是，電流跟隨誤差是不固定的，在參考電流變化較快的地方，跟蹤效果不好，載波較低時，電流誤差較大。

（4）無差拍控制60年代初美國著名的控制理論專家卡爾曼提出了無差拍控制思想，它是一種基于微處理器實現(xiàn)的PWM控制方案，在80年代中期被應用于逆變器控制無差拍控制是根據(jù)逆變系統(tǒng)（包括濾波器）的狀態(tài)方程和下一個采樣時刻的參考正弦波推算出下一采樣周期的開關時間，因此在理論上從第二個采樣周期起，輸出電壓波形就應該很好地跟蹤參考正弦波。目前經(jīng)常使用的無差拍控制方法有以下幾種：阻性負載型無差拍控制；采用干擾預測型觀測器的無差拍控制；以參數(shù)辨識為基礎的無差拍控制。

（5）雙環(huán)控制是采用電壓、電流環(huán)控制來實現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的幅值。雙環(huán)控制具有固定的開關頻率，易于系統(tǒng)的設計，但在開關頻率不夠高的情況下，電流動態(tài)響應相對較慢，并且電流動態(tài)偏差隨著電流變化率的變化作相應的變化。

6 結(jié)束語

逆變器并網(wǎng)技術是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術，研究逆變器的并網(wǎng)控制具有重大意義和重要的應用前景。

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