光伏并网发电技术要点及改进对策

2023-05-17国家电投集团陕西新能源有限公司石耀中

电力设备管理 2023年3期

国家电投集团陕西新能源有限公司石耀中

1 引言

光伏发电作为一种代表性的新能源发电技术，选择可再生的太阳能进行发电，不会消耗化石能源，也不会排放其他污染物，对于生态环境较为友好。光伏并网发电有别于离网光伏发电，可以精简储能环节，基于大功率点跟踪（MPPT）控制系统，更加高效利用太阳能能源，并联合使用集中管控技术、逆变器并联技术等，合理开发和利用太阳能资源，起到补偿无功、削峰、接收调度指令等功能优势。因此，大力推行光伏并网发电技术应用实施是必然选择。光伏并网发电技术并非一成不变的，正处于持续升级优化的状态，可以创造更加可观的经济效益和社会效益。

2 光伏并网发电系统优势

2.1 光伏并网发电系统

光伏并网发电系统，是我国电力行业发展的一项新生产物，极大地缓解了电力系统运行负荷，减少化石能源的消耗量，对生态环境较为友好。光伏并网发电系统通过在建筑屋顶、荒漠或戈壁等环境设置发电系统，收集太阳能资源，保证太阳能资源充足下，实现光伏电池储能[1]。DC/DC 是功率跟踪器，能够增强系统运行稳定性，实现光伏发电项目有效调度。DC/AC是逆变器，主要是为了保证光伏发电系统可以稳定、顺利并网，与电网可靠连接。基于光伏并网发电系统，有助于减少电网运行负荷和传统发电能耗、污染，增强电力系统运行稳定性，提升太阳能资源利用率，实现电网智能化发展目标。

2.2 光伏并网发电系统优势

一是合理化开发和利用太阳能资源，此类资源清洁可再生，不会消耗化石能源，而且也不会产生温室气体，同生态环境较为友好，更好地满足经济社会可持续发展需要。

二是分布式安装，供电就地分散方式安装，增强电网的进退灵活性，并且进一步增强电力系统的灾害防控能力，实现系统负荷均衡，减少线路损耗，带来更大的效益。

三是系统发电量和电网并入连接，基于电能储存能源，相较于独立光伏系统而言，成本投资减少大概约35%～45%，有效减少系统总体改造成本。另外，不需要设置蓄电池组，增强电力系统运行稳定性，降低故障发生概率和二次污染时间[2]。

四是具有调峰作用，光伏发电技术作为当前时代的前沿技术之一，受到世界各国关注和重视，已经成为世界范围内最主要的发电方式，呈现良好的发展前景。

3 光伏并网发电系统技术要点分析

3.1 功率点电路跟踪控制技术

在光伏并网发电系统中，一个重要技术要点即太阳能电池最大功率点，受到外界温度和光照强度因素干扰影响。即便光照强度、温度条件一致，光伏发电系统的输出电压、功率仍然会存在差异。基于功率点跟踪控制技术，能够在太阳能资源的合理开发和利用下，结合光照强度促使太阳能电池输出电能最大化，切实提升电力系统运行安全性和稳定性。跟踪控制最大功率点电路方法多样化，其中当属扰动观察、固定电压以及增量电导等方法最为常见，根据现有研究成果，采用模糊和滑膜控制方法用于跟踪控制最大功率点，实际成果较为理想[3]。该方法即便可以跟踪调节光伏器件输出功率，但也存在相应的弊端和不足，增强光伏器件稳定性和便捷性、输出最大功率，则是目前光伏并网发电系统重点研究的内容。

3.2 光伏并网分布式技术

在光伏并网发电系统中，分布式技术占据重要地位，可以实现电能合理分配，如果电力供应不足，通过大电网调节和交换，以此解决这个问题。分布式光伏发电系统中包括了电路、保护装置、太阳能电池组、电网接口以及集便器等元件。作为光伏并网发电系统核心装置，太阳能电池组可以将太阳能资源收集、转化为电能。逆变器装置的功能是转换直流电。在具体应用中，逆变器承载着形成交流负载功能，为电网系统提供电能支持。

3.3 逆变器技术

在光伏并网发电系统中，逆变器灵活应用能够满足项目多样化功能需求，促使太阳能高效收集、转换和利用。逆变器通过直接或是间接方式控制系统电流，促进两种控制技术融合应用，有助于提升系统控制效果。就逆变器的集群特性与控制来看，具体如下。

一是逆变器集群运行特性。逆变器并联组合形式多样，彰显出独特的集群特性，具体表现为谐波特性与系统效率特性。并联逆变器的谐波特性，有多个三相逆变器并联，同时加入LC滤波，重点考量电网阻抗因素。如果三相对称，则选择单向等值电路分析，通过建立单台逆变器模型能够综合分析逆变器并联情况，发现异常动态修改电网阻抗参数，确保逆变器并联情况符合要求。随着并联台数增加，谐波问题将会有所下降[4]。

二是逆变器集群并联运行控制。并联逆变器集群控制方式，有助于降低发电成本和电力系统运行效率。逆变器集群并联运行控制方式集合了多个并联逆变器，直流母线为共用，并且保证各集群直流母线保持相互独立的状态。从可靠性角度来看，系统运行中即便出现局部故障问题，其他部分仍然可以保持正常运行状态，不会干扰到电站整体运行。如果出现通信故障问题，不需要立即停机，借助各单元特性动态化协调，支持系统正常运行。此时允许系统出现一定性能损失，不在最佳运行状态。实际上，系统运行中不可避免地会出现可靠性和系统性能之间的矛盾冲突，要求做好二者协调处理。结合光伏系统特性优化设计控制系统，光伏电站控制系统架构如图1所示，确保系统性能符合要求。控制系统有4 层，电站控制层是负责电网和电网之间的信息交互传播，具有上传下达的作用；集群控制层用于各逆变器运行状态调节控制，实现集群优化运行；单元控制层的功能室用于单台逆变器电压、电流控制，同时也可以结合系统运行要求分散控制；时钟同步层是用于各个逆变器内生成开关频率同步时钟，满足PWM同步功能需要。

图1 光伏电站控制系统架构

时钟同步，在各控制器上设置专用通信端口，实现各逆变器选择同一个时钟信号。有观点认为，可以基于普通串行通信协议，各控制器上维护同步信号，以此避免增加通信端口。但此种方法对通信的依赖性较强，消耗的通信资源较多，而且一旦发生通信故障则会导致控制器信号快速脱离同步。选择并网逆变器集群同步时钟信号产生方法，基于锁相环锁相电网电压信号，遏制输入信号噪声大小，最终获得输入信号频率。传输锁相环输出信号到锁相倍频器，获得高频时钟信号输出，触发PEM信号生成，最后使用串行总线校准，保证控制器时钟信号相同。此种方式不需要消耗大量的通信资源，即可实现时钟信号同步的目标。

下垂控制是在缺少通信条件下使用，逆变器不是用于控制交流电压，而是控制直流电压和交流电流，所以要在直流侧构造下垂特性。

3.4 准确判断并网发电功率

光伏并网发电系统运行中，预测系统的发电功率，分析干扰系统正常运行的因素，并针对性地提出有效措施予以控制。具体的预测方式有直接预测和间接预测方式，有助于及时剖析影响产生的因素，精准预测并网发电功率，在提升系统转换率方面具有重要作用。需要注意的是，在预测系统功能时，要注重相关数据信息收集和处理，减少数据偏差，支持光伏并网发电系统安全稳定运行。

3.5 系统安保技术

安保技术在光伏并网发电系统中应用，其本质目标是为了避免信息孤岛情况出现而编制防护员，这样在出现异常问题时及时主动保护系统运行。安保技术在应用前，组织仿真试验来收集电网运行中的负载数据，预测判断电网后期运行中出现故障的概率，有效控制逆变器，保障光伏并网发电系统运行稳定性。

4 光伏并网发电系统的应用实践

某光伏并网发电系统项目总峰值功率3360Wp，同企业电网并接，如果电网断电，该系统即可独立为企业供电。通过研究计算，太阳能电池板设置在正向朝南，倾斜角度在25°～30°最佳，可以吸收到最大的太阳能辐射，发电量也最大。

一是电气设备。光伏并网发电系统项目实践中，其主要构成包括蓄电池组、太阳能电池、双向及并网逆变器等设备。

二是系统运行原理。光伏并网发电系统将6 块光伏电池串联起来，借助二极管集线并联12组串联电池成为一组逆变器，直接将交流电并入到电网中，中间环节同蓄电池组、双向逆变器连接。如果市电出现故障，及时切换蓄电池组来供电。太阳能电池正常发电时，可以同时为蓄电池组、双向逆变器充电。蓄电池组充满电后，太阳能电池发电电量直接逆变电网。另外，市电断电，双向逆变器会接收到失压脱扣器脱扣信号，自动化启动逆变器，借助蓄电池组为电气设备供电服务[5]。

三是数显监控系统。在该光伏并网发电系统项目中，建立数显监控系统，其中有调速器、温度与风速计、照度仪、数据线缆、终端控制设备以及控制器等设备。借助计算机终端设备实时显示相关信息，并通过程序转换界面来自由转换电视或电脑终端界面。也可以直观展现交流电压、直流电压、系统温度、日发电量、气象数据以及总发电量等信息，便于客观、全面反映出光伏并网发电系统运行情况。

5 光伏并网发电系统未来发展趋势

5.1 光伏并网发电技术优化升级

科技是不断创新发展的，光伏并网发电系统各项技术也需要持续优化升级，其中电池储备系统是未来技术优化升级的重要内容，应该优先选择电能储存时间长的太阳能系统，通过光伏发电模块连接在一起，为后续光伏并网发电系统建设和完善奠定基础。通过长期使用，借助光照电流驱动各类设备运行，并借助逆变器转换直流电为交流电。

5.2 提升光伏并网发电系统控制水平

光伏并网发电系统的控制方式多样，具体有双环、滞环以及空间矢量PWM 几种。双环控制方法是基于电流、电压等控制，合理化调节并网电流值，此种控制方法设计简单，开关频率相较于固定，如果开关频率偏低，则会降低电流动态响应速度。滞环控制方法，快速响应电流，功率期间开关频率波动大，输出没有特殊谐波，不可避免地增加了系统设计难度。PWM 控制阀，是基于逆变器空间电压转换实现控制，属于新型控制方式，在提升直流电压使用效率方面优势鲜明。

伴随着我国光伏并网发电系统优化升级，将会有更多新技术和新设备应用其中，在提升光伏并网发电系统运行效率同时，合理化解决系统切换问题，扩大应用规模，创造更大的经济效益和社会效益。