光伏发电并网关键技术
摘要：近年来，随着太阳能发电技术的逐渐成熟，光伏发电也逐渐成为国家电力供应的重要部分，而如何将光伏发出的电能并入大电网一直是电力系统的一项重要研究。本文将针对该问题进行探讨，列举光伏发电并网的背景与关键技术，并对技术内容进行概述。
关键词：并网式光伏发电 分布式光伏发电 关键技术 最大功率点跟踪（MPPT） 孤岛效应
1 引言
学习新能源发电与并网这门课程半学期以来，我感觉自己受益良多，我收获的不仅仅是各位老师课上所教授的关于新能源的内容，更有他们对于新能源发展的深入分析以及未来发展趋势的预测。后三节课中关于太阳能光伏发电及其并网技术的内容尤其吸引我的注意，下面我就以此为主题，对光伏发电并网关键技术进行一些简要的概括与探究。
2 光伏发电并网关键技术
2.1 研究背景
随着经济的发展、社会的进步，人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。太阳能发电有两大类型：一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。 光伏发电就属于太阳能光发电的一种。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
光伏发电系统又包括独立光伏发电系统（离网光伏发电系统）、并网光伏发电系统和分布式光伏发电系统。离网光伏发电顾名思义就是指可以脱离电网，独立运行的光伏发电系统，本文不做研究；分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求的发电系统；而并网光伏发系统电则是直接并接入电网的系统。本文所研究的主体就是并网光伏发电系统，以及分布式光伏发电系统的并网部分。
2.2 光伏发电并网
光伏发电并网就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电，带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑。不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。
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光伏发电并网有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是光伏发电并网的主流。
光伏发电并网系统主要包括太阳能电池阵列，并网逆变器组成，并辅以相应的中央集控系统。在微网中运行，通过中低压配电网接入互联特或者超高压大电网，是光伏发电系统并网的重要特点。而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。为了满足这个条件可见，光伏并网发电技术关键在于并网逆变器，逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。目前逆变器的研究集中于针对“孤岛效应”的被动和主动防护检测方法，以及MPPT控制、电网电流控制及电压放大等课题。
2.3 关键技术
由于太阳能光伏并网发电涉及到较多方面的技术，本文将对光伏电池板的MPPT和光伏逆变器防孤岛技术等关键点进行讨论。 2.3.1 最大功率点跟踪（MPPT）
最大功率跟踪技术是通过调整光伏阵列端电压，使光伏阵列在各种不同的日照和温度环境下实现最大功率输出。
太阳能电池板由许多个小的太能电池组成,根据需要的电压和电流,通过相应的小太阳能电池块串并联获得。每个太阳能电池都是由具有PN结的半导体组成,下图即是太阳能电池板的等效电路模型。
图1 太阳能电池等效模型
不同光强下或不同温度下电池的特性也会有所变化，下图是不同光强下或不同温度下太阳能电池输出的I-U和P-U曲线：
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图2-1 不同光照强度的I-U曲线 图2-2 不同光照强度的P-U曲线
图2-3 不同温度下的I-U曲线 图2-4 不同温度下的P-U曲线
由以上曲线图可以看出：
1） 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源； 2） 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比；太阳能电池板的输出功率随着光
强和温度成非线性变化。 3） 由P-U特性可以看出，当U为某定值时，P达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点(MPP，
Maximum Power Point)，且随着外界环境的变化而变化，因此为使得光伏组件获得最高的效率，需要采取措施使得在环境发生变化时光伏组件可以最短时间内运行在功率的峰值点（MPP）处，这个过程即通常所说的最大功率点跟踪（MPPT）。
MPPT控制的方法很多，常用的有恒压法、扰动观察法、电导增量法、曲线拟合法等。其中扰动观察法与电导增量法转换效率高、实现方法简单、环境适应性强，且无需知道特性曲线参数，是目前的主流方案。 2.3.1.1 扰动观察法
扰动观察法是指在每一个小的控制周期内，在当前太阳能电池输出电压的基础上施加一个小的扰动步长。扰动步长本身是一个正的常数，可以在原电压的基础上增加步长或减小步长。然后比较扰动前后输出功率的变化情况，可能存在的变化有两种。一种是扰动后的功率输出大于扰动前的功率输出，表明在该扰动方向下输出功率增大，则下一步扰动仍保持相同方向。比如上一次是增加一个固定步长导致输出功率增大，则下次扰动仍然增加该步长。另一种是扰动后的功率输出小于等于扰动前的功率输出，则下一步扰动变为相反方向。具体的流程如下图所示。
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图3 扰动观察法流程图
2.3.1.2 电导增量法
太阳能电池功率曲线为一个单峰值的连续曲线，各点导数均存在。在最大功率点导数dP/dV为零；在最大功率点左侧区域，该导数的值恒大于零；在最大功率点右侧区域，该导数的值恒小于零。因此只需要在导数大于零的位置增大输出电压，在导数小于零的位置减小输出电压，即可找到或接近最大功率点，此时导数等于零或接近于零。 我们知道
P=V×I
将P对V取导，当dV≠0时
dPd(V×I)dI==I+V× dVdVdV即将dP/dV的判断转换为I+V×
dI
dIdV
正负号的判断。
1) I+V×dV=0，达到最大功率点，维持电压不变。
2) I+V×dV>0，在最大功率点左侧，增加光伏电池的输出电压
dI
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3) I+V×
dIdV
<0，在最大功率点右侧，减小光伏电池的输出电压
而当dV=0时，则根据dI的变化来判断电压的变化方向，原理与上面相同，不再赘述。电导增量法的流程图详见下图。
图4 电导增量法流程图
当然，随着计算速度与策略的逐渐进步，更多更好的MPPT控制算法也逐渐产生，这些算法大多以几种主流算法为基础，综合了各个算法的优点，并加以创新。，有的甚至同时对电压电流功率进行综合监控判断，形成了较为完善合理高效的混合MPPT控制策略。相信这一关键技术很快就可以得到很好的解决。
2.3.2 防孤岛技术
美国Sandia国家实验室把孤岛效应定义为：当电力公司的供电因故障或维修而停电时，光伏并网发电系统未能将自身切离市电网路，结果和周围的负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛运行存在以下问题：① 电力公司输电线路维修人员的触电危险；②影响配电系统上的传统继电保护性能；③ 孤岛运行供电电压与频率的不稳定，电能质量下降；④ 市电网络恢复时孤岛区域与市电网相位不同步造成联网困难；⑤孤岛区域如采用单相逆变器可能造成区域内三相负载的缺相问题。
当光伏发电系统正常工作时，逆变器将发出的电能输送到电网。若电网因故障断电时，如果系统不能及时的检测到电网断电而继续向电网输送电能，则此时光伏系统够成了一个独立供电系统，称此现象为孤岛效应。形成孤岛的原因一般有两个：一是电网故障检测装置动作后，而光伏逆变器没有检
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