电气自动化在集中式并网光伏电站中的应用及发展

刘胜俊

（中利腾辉共和新能源有限公司，青海 海南 813000）

1 光伏发电原理和并网形式及特点

太阳能发电是传统发电的有益补充，鉴于其对环保与经济发展的重要性，各发达国家无不全力推动太阳能发电的工作，目前中小规模的太阳能发电已形成了产业。在微网中运行，通过中低压配电网接入互联特/超高压大电网，是光伏发电系统并网的重要特点。光伏发电系统并网的基本必要条件是，逆变器输出之正弦波电流的频率和相位与电网电压的频率和相位相同。光伏发电系统并网有2种形式：集中式并网和分散式并网。集中式并网：特点是所发电能被直接输送到大电网，由大电网统一调配向用户供电，与大电网之间的电力交换是单向的方式。适于大型光伏电站并网，通常离负荷点比较远，荒漠光伏电站采用这种方式并网。分散式并网：又称为分布式光伏发电并网，特点是所发出的电能直接分配到用电负载上，多余或不足的电力通过联结大电网来调节，与大电网之间的电力交换可能是双向的方式。适于小规模光伏发电系统，通常城区光伏发电系统采用这种方式，特别适于建筑结合的光伏系统。集中式光伏电站占地面积较大，而且对光照资源和电网要求比较严格。

目前并网光伏电站所拥有的自动化系统有：（1）逆变器的自动检测功能和自动启停功能，特点是逆变器作为光伏电站的核心设备，功能强大，地位显赫，大规模并网光伏电站的逆变器台数较多，因此每台逆变器要根据电网电压、频率、相位角，自动检测跟踪并网，网上也是自动停止运行。（2）综合自动化后台，其主要特点是把所有光伏汇流箱、逆变器、箱变的电气参数通过通信通道汇集在后台，方便运维人员查看故障，尽快处理。（3）功率自动控制系统（AGC）的应用，最大特点是根据电网的调度要求自动调节光伏电站有功功率输出。（4）电压自动控制系统（AVC）的应用，最大特点是通过光伏电站配备的SVG或SVC无功补偿装置，调整电压，确保并网线路的电压质量。（5）光功率预测系统，特点是调度根据短期和超短期天气预报值，下发第2日和下一时段的发电计划，使随天气变化不断变化的光伏负荷出力，达到可控的目的。

2 光伏并网发电系统的设计

在光伏并网发电系统中有一个最重要的组成部分便是光伏发电单元，光伏发电的工作原理就是借助逆变器将光能转变成电能，从而服务全社会。图1的流程图表示的是光伏并网发电系统的结构，合理地摆放光伏电池，完成对太阳能的有效收集，只要能保证太阳能充足的环境，均可作为光伏电池的陈列位置，一般包括戈壁、沙漠以及建筑物的顶端处。DC/DC通常被称作功率跟踪器，DC/DC的主要作用是可以确保光伏并网发电系统中的功率处于稳定的状态，借助蓄电池的功能完成光伏发电项目的调度，然后实现电能的存储，同时，这个过程会大大增加DC/AC的工作压力。而DC/AC常被称作逆变器，主要是连接电网系统和光伏发电系统的枢纽，它们之间相互连接的稳定程度主要取决于系统的应用，当光伏发电项目接入的数量越来越多时，一方面促进电网实现智能化，另一方面可以提升社会全体推广使用太阳能的力度，如此一来，在很大程度上减轻了使用传统电能所面临的挑战。

图1 光伏并网发电系统结构图

3 光伏并网发电系统运行方案及控制技术

3.1 两级式光伏发电系统的总体控制策略

图2显示的电路图是光伏并网发电系统的总体控制策略。光伏并网发电系统能检测到光伏电池，该电池常会将电压和电流输出，采样调理电路可将输出的电压和电流处理后再输至数字信号处理技术（俗称DSP），然后再进行数字滤波处理，最后作为最大功率点去跟踪输入变量。对直流母线的电压进行测定，在数字滤波处理完成的基础上，求其与直流母线参考指令信号的差值，由电压调节器输出误差信号，确保直流母线的电压处于稳定状态，电流幅值乘以正弦表求得电流指令信号，然后求其与已被输出至DSP的并网电流采样滤波值的差值。

图2 系统总体控制策略

3.2 最大功率点跟踪（MPPT）技术

在电子学的理论中，式（1）可完全等效与光伏电池的数学模型。

式（1）中：I 为光伏电池输出的电流；IL为光生电流；IO为二极管饱和电流；U 为光伏电池输出的电压；q 为电子的电荷量；A 为二极管特性因子；K 为波尔兹曼常数；Rs为与光伏电池等效的串联电阻；Rsh为与光伏电池等效的并联电阻。图3为等效电路图。

在光伏发电系统的实际应用中，以下两种方法最为常用：（1）扰动观察法，该法能准确的处理最大功率点的位置，从而对跟踪功率整体的状态进行有效控制。（2）电导增量法，该法可以确定光伏列阵中曲线的变化，通过曲线的变化呈现出峰值，从而判断该阶段是否处于最大值。

图3 光伏电池数学模型

3.3 孤岛检测技术

孤岛保护方法主要有两种方式：（1）被动式；（2）主动式。其中被动式检测判断孤岛效应的方法有两种：（1）通过检测电压（与电网公共耦合点处）来判断；（2）判断与电网公共耦合点处频率的异常状况。而主动式检测判断孤岛效应的方法则是需要人为地引入扰动信号，然后在检测公共耦合点处电压或判断公共耦合点处频率的异常状况。在光伏电网系统的实际应用中，通常都是结合使用主动式和被动式。孤岛保护方法中被动式最常用方法的就是过压或欠压，其中过频或欠频检测方法，通常是指公共耦合点处电压或其频率有一个规定的上下限值，将检测出的电压和频率与规定值进行对照，确定孤岛效应的发生情况。不过有一种情况是无法准确地判断孤岛效应，也就是说会有检测盲区出现的情况，比如光伏逆变器并网处接的负载和其输出的功率非常相近时，就无法做出准确的判断。而孤岛保护方法中的主动式孤岛保护法则采用主动频率偏移法，简称AFD，其工作机理是：光伏并网系统间隔一定的时间，人为的扰动一次注入电网电流的频率（用△ƒ表示），注意扰动的幅度需要非常微小；光伏电网系统在正常运行时，经检测后公共耦合点电压或其频率值均在规定的上下限之间。但光伏电网系统运行出现异常时，公共耦合点电压或其频率值会发生很大的变化，因此当再次进行人为微小扰动时，此时光伏电网系统的基准值就会以变化后的屯为准，再重新叠加一个矽的扰动，如此在不断积累后，耦合点电压频率就会逐渐偏离电网规定的正常频率，直到超过并网检测规定的标准，最终产生孤岛保护。

3.4 光伏并网发电系统中的安全保护技术

对于光伏并网发电系统的检测方法来说，防孤岛保护可以起到对其主动保护的作用，在电网系统的实际应用中进行模拟实验，准确地观察并分析电网中的负载数据，预测光伏电网系统是否会出现异常即断电情况，而此时系统中的逆变器也受到了控制，最终有效地保护了发电系统。

4 结语

综上所述，太阳能光伏发电技术作为一种绿色可再生的新能源而备受关注，迅速发展的光伏并网发电既可以改善生态环境，又可以提高人们的生活方式。光伏发电系统与常用的火力发电系统相比，具有无枯竭危害，安全可靠、无噪声、无污染，不受资源分布地域的限制，可利用荒坡或建筑屋面的优势，无需消耗燃料，建设周期短等特点；最重要的是简单化的运营管理。