9.1太陽(yáng)能發(fā)電儲(chǔ)能控制及逆變

9.2太陽(yáng)能電池配電系統(tǒng)9.1太陽(yáng)能發(fā)電儲(chǔ)能控制及逆變9.1.1充、

放電控制器為了最大限度地利用蓄電池的性能和延長(zhǎng)其使用壽命,必須對(duì)它的充、放電條件加以規(guī)定和控制。無(wú)論太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是大還是小,簡(jiǎn)單還是復(fù)雜,充、放電控制器都必不可少。一個(gè)好的充、放電控制器能夠有效地防止蓄電池過(guò)充電和深度放電,并使蓄電池使用達(dá)到最佳狀態(tài)。但是,光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充、放電控制要比其他應(yīng)用困難一些,因此光伏發(fā)電系統(tǒng)中輸入能量很不穩(wěn)定。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,所謂直流控制系統(tǒng)包含了充、放電控制,負(fù)載控制和系統(tǒng)控制三部分,并往往連成一體,通常稱之為直流控制柜。1.充電控制蓄電池充電控制通常是由控制電壓或控制電流來(lái)完成的。一般而言,蓄電池充電方法有三種:恒流充電、恒壓充電和恒功率充電,每種方法具有不同的電壓和電流充電特性。光伏發(fā)電系統(tǒng)中,一般采用充電控制器來(lái)控制充電條件,并對(duì)過(guò)充電進(jìn)行保護(hù)。最常用的充電控制器有:完全匹配系統(tǒng),并聯(lián)調(diào)節(jié)器,部分并聯(lián)調(diào)節(jié)器,串聯(lián)調(diào)節(jié)器,齊納二極管(硅穩(wěn)壓管)次級(jí)方陣開關(guān)調(diào)節(jié)器,脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān),脈沖充電電路。針對(duì)不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以選用不同的充電控制器,主要考慮的因素是要盡可能的可靠、控制精度高及低成本。所用開關(guān)器件,可以是繼電器,也可是MOS晶體管。但采用脈沖寬度調(diào)制型控制器,往往包含最大功率的跟蹤功能,只能用MOS晶體管作為開關(guān)器件。此外,控制蓄電池的充電過(guò)程往往是通過(guò)控制蓄電池的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因而光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電控制器又稱為電壓調(diào)節(jié)器。下面具體介紹幾類充電控制系統(tǒng)。1)完全匹配系統(tǒng)完全匹配系統(tǒng)是一個(gè)串聯(lián)二極管的系統(tǒng),如圖91所示。該二極管常用硅PN結(jié)或肖特基二極管,以阻止蓄電池在太陽(yáng)低輻射期間向光伏方陣放電。蓄電池充電電壓在蓄電池接收電荷期間是增加的。光伏方陣的工作點(diǎn)如圖92所示。隨著電流的減少,工作點(diǎn)從a點(diǎn)移向b點(diǎn)。必須先選好a點(diǎn)和b點(diǎn)之間的工作電壓范圍,以確保光伏方陣和蓄電池的最佳匹配。這種充電控制系統(tǒng)的問(wèn)題是,光伏方陣在變化的太陽(yáng)輻射條件下,其工作曲線是不確定的。采用這種系統(tǒng)設(shè)計(jì),蓄電池只能在太陽(yáng)高輻照度時(shí)達(dá)到滿充電,而在低輻照度時(shí)將減少方陣的工作效率。2)并聯(lián)調(diào)節(jié)器并聯(lián)調(diào)節(jié)器是目前用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最普遍的充電調(diào)節(jié)電路。一般是使用一臺(tái)并聯(lián)調(diào)節(jié)器以使充電電流保持恒定,如圖93所示。

調(diào)節(jié)器根據(jù)電壓、電流和溫度來(lái)調(diào)節(jié)蓄電池的充電。它是通過(guò)并聯(lián)電阻把晶體管連到蓄電池的并聯(lián)電路上實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)充電保護(hù)的。通常調(diào)節(jié)器用固定的電壓門限去控制晶體管開關(guān)的接通或切斷。

通過(guò)并聯(lián)分流的電能可用于輔助負(fù)載的供電,以充分利用光伏方陣的輸出電能。3)部分并聯(lián)調(diào)節(jié)器

如圖94所示,使用部分并聯(lián)調(diào)節(jié)器的目的在于降低光伏方陣的電壓,從而實(shí)現(xiàn)兩階段電壓特性。并聯(lián)調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是降低了晶體管的開路電壓,但其缺點(diǎn)是附加了對(duì)線路連接的要求,故一般很少使用。4)串聯(lián)調(diào)節(jié)器如圖95所示,在串聯(lián)調(diào)節(jié)器中,蓄電池兩端電壓是恒定的,而其電流隨串聯(lián)晶體管調(diào)節(jié)器變化著。這種晶體管調(diào)節(jié)器通常是一個(gè)兩階段調(diào)節(jié)器。串聯(lián)晶體管代替了所需的串聯(lián)二極管。5)齊納二極管調(diào)節(jié)器齊納二極管調(diào)節(jié)器使用一個(gè)齊納二極管電壓穩(wěn)定器,如圖96所示。這種系統(tǒng)很簡(jiǎn)單,但存在著串聯(lián)電阻消耗功率的缺點(diǎn),因而未能廣泛應(yīng)用。6)次級(jí)方陣開關(guān)調(diào)節(jié)器次級(jí)方陣開關(guān)調(diào)節(jié)器的電路,如圖97所示。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到某個(gè)預(yù)先確定的數(shù)值時(shí),光伏方陣的組件或某幾行組件將被斷開。圖98所示為其充電電壓和電流的關(guān)系。次級(jí)方陣開關(guān)調(diào)節(jié)器的主要問(wèn)題是開關(guān)安排的復(fù)雜性。這種調(diào)節(jié)器多用在大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中,以提供一個(gè)準(zhǔn)錐形的充電電流。7)脈沖寬度調(diào)制開關(guān)脈沖寬度調(diào)制開關(guān)用于DCDC轉(zhuǎn)換的充電控制電路,它的電路如圖99所示,由于這種調(diào)制開關(guān)的復(fù)雜性和高成本,在小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中難以普遍使用。無(wú)論如何,采用脈沖寬度調(diào)制的DC-DC轉(zhuǎn)換原理表現(xiàn)出很多吸引人的特點(diǎn),特別在大型系統(tǒng)中更是如此。這些特點(diǎn)包括:(1)輸給DC-DC變換器的光伏方陣電壓能夠隨著可能使用的、提高的或降低的變換器而改變。這對(duì)于在那些光伏方陣和蓄電池分置間隔較大的地方特別有用。光伏方陣電壓在一個(gè)中心點(diǎn)上能被提高或降低到蓄電池的電壓值,以減少電纜中的功率損失。(2)能向蓄電池提供良好控制的充電特性。(3)能用于追蹤光伏方陣的最大功率點(diǎn)。這種DC-DC變換器普遍用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng),然而,它們卻以90%~95%的低效率抵消了本身的許多優(yōu)點(diǎn)。采用脈沖寬度調(diào)制DC-DC變換器的輸出,可通過(guò)如圖9-10所示的充電發(fā)生變化。電流的脈沖寬度(通常在100Hz~20kHz范圍內(nèi))將隨著電壓的升高而減少,直到平均電流減少到趨于0為止。這種方法目前之所以更普通地被采用,是因?yàn)樗霉虘B(tài)開關(guān)器件來(lái)取代繼電器,可以達(dá)到更高的開關(guān)頻率范圍。8)脈沖充電脈沖充電像脈沖寬度調(diào)制一樣,現(xiàn)在已日益普遍地被采用了,這是由于其低成本的固態(tài)開關(guān)技術(shù)所致。脈沖充電電路如圖911所示。蓄電池被恒流充電,使其電壓達(dá)到一個(gè)較高的門限,見圖912。然后,調(diào)節(jié)器斷開,直到其電壓降低到一個(gè)降低的門限。選擇這兩個(gè)門限,可以確保蓄電池在達(dá)到滿充電條件時(shí),能在高電壓下以較低的輸入電流運(yùn)行。典型的滯后為每單元電池50mV,所以一個(gè)鉛酸蓄電池循環(huán)大約在2.45V~2.50V之間(當(dāng)其達(dá)到滿充電條件時(shí))。為了使這個(gè)系統(tǒng)工作得更好,這些門限值應(yīng)該至少每月達(dá)到一次,而每周不應(yīng)該多于一次。采用脈沖充電電路時(shí),并入一個(gè)真實(shí)的限壓器是必不可少的。因?yàn)橄迚浩骺梢苑乐估^電器的過(guò)度通斷,在蓄電池電壓大大超過(guò)其設(shè)計(jì)限度時(shí),這種現(xiàn)象會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在。在這里展現(xiàn)的各種充電曲線中,除了完全匹配的系統(tǒng)以外,蓄電池的工作電壓都被限定在圖913所示曲線的a、b區(qū)間之內(nèi)。基于這個(gè)假定,流通的電流應(yīng)接近于短路電流ISC。假定太陽(yáng)處于連續(xù)的高輻射強(qiáng)度的狀態(tài)。在一個(gè)被變化著的云量覆蓋的實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)中,通常實(shí)際的充電曲線變化很大,如圖914所示。在低云量覆蓋狀態(tài)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,日輻射曲線可以考慮為正弦曲線。2.放電保護(hù)應(yīng)該使用一種針對(duì)完全放電狀態(tài)的保護(hù)方法,特別對(duì)鉛酸蓄電池更應(yīng)如此,對(duì)鎘鎳蓄電池只是在一個(gè)較小的范圍內(nèi)使用放電保護(hù)就可以了。為了確保滿意的蓄電池使用壽命,防止單個(gè)電池反向或失效,以及確保關(guān)鍵負(fù)載總能處在被供電的狀態(tài),這種保護(hù)是必要的。如果系統(tǒng)估算是正確的話,這種保護(hù)在正常的蓄電池使用期間不會(huì)經(jīng)常操作。理想情況下,確保蓄電池在放電條件下正確使用的關(guān)鍵,是精確測(cè)量蓄電池的充電狀態(tài)。不幸的是,鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池都難以確定其充電狀態(tài)下的可測(cè)量特性。1)限定放電容量到C100圖915顯示出了一個(gè)典型的鉛酸蓄電池以不同負(fù)載電流放電時(shí)的放電特性。圖中清楚地表明,蓄電池容量隨放電率的減少而增加。初始電壓和最終放電電壓(在這里,負(fù)載必須斷開)取決于放電電流。在大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池被估計(jì)為可連續(xù)運(yùn)行幾天,其負(fù)載電流通常是100小時(shí)電流,表示為I100。在這種情況下,通過(guò)限定最終放電電壓為V100的限制條件,可以保護(hù)蓄電池系統(tǒng)。在那些負(fù)載電流變化大的系統(tǒng)中(例如一個(gè)獨(dú)立的為民用事業(yè)供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)),放電容量必須不超過(guò)C100的安時(shí)容量。如果超過(guò),蓄電池就能完全放電,從而導(dǎo)致蓄電池壽命的大幅度減少,圖916(a)示出,在放電率小于I100的情況下,全部的蓄電池放電時(shí)可能的。圖916(b)示出,通過(guò)限定放電容量C100,常常能避免這種情況發(fā)生。很多小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用的蓄電池,在它們的C100額定值下是完全放電的。在這種狀態(tài)下,它們的電解液密度大約等于1.03kg/L,這一數(shù)值已低到足以使鉛溶解,隨之造成永久性損壞。所以,這種蓄電池一定不能放電到它們的C100額定值,當(dāng)蓄電池電解液密度達(dá)到1.10kg/L時(shí),就必須停止放電。2)自動(dòng)放電保護(hù)(1)自動(dòng)放電的常用保護(hù)方法。自動(dòng)放電保護(hù)可由下列方法之一完成:①

在小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最簡(jiǎn)單、最普遍的保護(hù)方法是在一個(gè)預(yù)定的電壓值將負(fù)載從蓄電池上斷開,并將這種情況通過(guò)發(fā)光二極管或蜂鳴器提示給用戶。某些這類設(shè)備能提供小量的備用功率。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和低成本。②

另一種方法是在調(diào)節(jié)器控制下連接到若干負(fù)載輸出上。采用這種配置,用戶能連續(xù)地使用如像照明那樣的主要負(fù)載,而非主要負(fù)載將被斷開。當(dāng)然,用戶必須適當(dāng)確定具有優(yōu)先供電權(quán)的是哪些負(fù)載。(2)重新連接負(fù)載的依據(jù)。在用于自動(dòng)深放電保護(hù)的系統(tǒng)中,必須清楚地確定對(duì)負(fù)載進(jìn)行重新連接的依據(jù),以適應(yīng)其應(yīng)用。有如下一些普遍性要求:①

在那些蓄電池壽命必須充分重視、而負(fù)載又是非關(guān)鍵的地方,負(fù)載可以保持?jǐn)嚅_,直到在充電調(diào)節(jié)下蓄電池電壓升到一個(gè)高電平時(shí)為止。這個(gè)電平應(yīng)使回到蓄電池的電荷量達(dá)到最佳化。②

當(dāng)一個(gè)遙控裝置不可能定期訪問(wèn)或是只有該裝置被占有時(shí)(例如隔離間)才有負(fù)載要求的地方,除非用戶重新設(shè)置一個(gè)外部開關(guān),否則,負(fù)載不應(yīng)重新連接。這樣就減少了無(wú)人看管期間蓄電池循環(huán)的可能性。③

在那些負(fù)載供電是關(guān)鍵性的系統(tǒng)中,當(dāng)蓄電池重新儲(chǔ)存小量電荷之后,可能出現(xiàn)重新連接。在這種情況下,指示器應(yīng)告訴用戶蓄電池處于低充電狀態(tài),以便使負(fù)載耗電維持在最小值。3.具有特殊功能的電壓調(diào)節(jié)器戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、蓄電池和負(fù)載三部分組成,其充、放電控制比較簡(jiǎn)單,市場(chǎng)已有成熟的定型產(chǎn)品出售,用戶可以酌情選用。對(duì)于光伏電站,其充、放電控制設(shè)備還包含系統(tǒng)控制盒負(fù)載控制等功能,往往需要根據(jù)用戶要求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。下面介紹幾種具備特殊功能的電壓調(diào)節(jié)器。1)無(wú)觸點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)器使用繼電器做電壓調(diào)節(jié)器主電路開關(guān)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的常用手段,它具有控制簡(jiǎn)便、隔離作用好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但由于繼電器觸頭壽命有限、通斷易打火、開關(guān)速度不能過(guò)快等,對(duì)于一些特殊場(chǎng)合用電,如高壓系統(tǒng)、大電流系統(tǒng)等,使用繼電器就容易出現(xiàn)問(wèn)題。這時(shí)就需要使用無(wú)觸點(diǎn)低功率開關(guān)器件來(lái)完成主電路的開關(guān)功能?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)觸點(diǎn)大功率開關(guān)成為可能,并且已有很多種類的器件可供選擇,如大功率晶體管、達(dá)靈頓管、VMOS管、可控硅GTO等,這里僅介紹一種使用可控硅做充電回路開關(guān)器件的電壓調(diào)節(jié)器的工作原理。圖917所示為使用可控硅做開關(guān)器件的串聯(lián)型增量控制電壓調(diào)節(jié)器的電路原理示意圖,這里太陽(yáng)能電池陣列被分為若干個(gè)子陣列,每一個(gè)子陣列都有一個(gè)可控硅做開關(guān)控制器件,同時(shí)它還可以在夜間起到阻塞二極管的作用,以防止蓄電池的反電流。電壓檢測(cè)器VT1、VT2、VT3是有帶回差的電平比較器。假設(shè)蓄電池充電保護(hù)點(diǎn)為2.35V/格時(shí),恢復(fù)充電點(diǎn)為2.25V/格。則當(dāng)蓄電池充電電壓達(dá)到2.35V/格時(shí),電壓檢測(cè)器輸出端A點(diǎn)為輸出電平,這時(shí)當(dāng)脈沖發(fā)生器上跳脈沖到來(lái)時(shí),便可通過(guò)與非門倒向加到晶體管的基極上,使TR1導(dǎo)通,將第1路子陣列短接,蓄電池的反電流對(duì)第1路子陣列進(jìn)行控制,即可控硅TH1關(guān)斷,使第1路子陣列停止充電。若蓄電池電壓在2.35V/格~2.25V/格之間波動(dòng),則發(fā)出脈沖始終只加在

TR1的基極。當(dāng)蓄電池電壓降低到小于2.25V/格時(shí),則電壓檢測(cè)器輸出狀態(tài)改變成為低電平,經(jīng)反相后,加在基極上的與非門,這樣當(dāng)脈沖發(fā)生器的下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí),TR4導(dǎo)通,并觸發(fā)可控硅,重新導(dǎo)通,使第1路子陣列恢復(fù)充電。一般來(lái)說(shuō),這種電路的每個(gè)子陣列控制都是相對(duì)獨(dú)立的,而每個(gè)子陣列的電壓控制點(diǎn)可以按同一數(shù)值設(shè)定,但由于所有調(diào)節(jié)器的控制電壓點(diǎn)設(shè)置的不可能完全一致,所以其動(dòng)作過(guò)程也將因這一微小的差別而有先有后的進(jìn)行。另外,使用增加二極管的方法可以方便地對(duì)所要求的輸出電壓進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。增加一個(gè)二極管,輸出電壓下降0.7V,若干個(gè)二極管的串聯(lián)便可以使蓄電池的供電電壓下降到負(fù)載設(shè)備所要求的最大電源電壓范圍以內(nèi)。通常二極管降壓控制也是由帶回差的電壓檢測(cè)電路來(lái)完成的。途中使用繼電器做控制開關(guān),是一種最簡(jiǎn)單的負(fù)載控制方式。圖918是一個(gè)5路子陣列的實(shí)際充電電壓調(diào)節(jié)器工作特性圖,其中4路是可以調(diào)節(jié)控制的,有關(guān)此系統(tǒng)的參數(shù)在圖中均已給出。當(dāng)蓄電池在接近充滿電時(shí),隨著太陽(yáng)能電池陣列輸出的增加,蓄電池電壓也增加,當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到A點(diǎn),即達(dá)到2.35V/格時(shí),一個(gè)電壓調(diào)節(jié)動(dòng)作,切斷一個(gè)子陣列,使充電電能減少約20%,于是蓄電池電壓下降到低于2.35V/格。隨著充電電流的增加,蓄電池電壓再次達(dá)到2.35V/格,即達(dá)到點(diǎn)B,于是另一路子陣列電壓調(diào)節(jié)器動(dòng)作,再次使充電電能量減少約20%。這樣電壓的增加速度就會(huì)大大減緩,直到第三次達(dá)到2.35V/格,即達(dá)到C點(diǎn),第三回路和電壓調(diào)節(jié)器動(dòng)作。在中途,充電電流開始減小,蓄電

池

電

壓

在

經(jīng)

過(guò)

了

一

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峰

值

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開

始

下

降,并

達(dá)

到

點(diǎn)D,即

恢

復(fù)

到

電

壓2.25V/格。某一子陣列首先恢復(fù)充電,充電電流有一個(gè)上跳,充電電壓也上跳。而后隨著充電電流的繼續(xù)下降,各子陣列充電回路依次先后重新恢復(fù)充電。2)無(wú)壓降電壓調(diào)節(jié)器無(wú)壓降電壓調(diào)節(jié)器是一種功耗最低的、用繼電器做主充電回路開關(guān)的充電控制器,它適用于低電壓大電流供電系統(tǒng)。大電流系統(tǒng),如用前述的電壓調(diào)節(jié)器,由于其充電主回路都是使用阻塞二極管,所以充電時(shí),不但阻塞二極管的功耗不可避免,而且有相當(dāng)多的熱量產(chǎn)生。假設(shè)一個(gè)充電電流為30A的系統(tǒng)使用圖919的電壓調(diào)節(jié)器,則此時(shí)阻塞二極管功耗為30W×0.7≈20W。這需要一塊相當(dāng)大的散熱器才能使阻塞二極管維持正常工作。圖920為無(wú)壓降電壓調(diào)節(jié)器原理圖,它是在圖919的基礎(chǔ)上增加了光敏探測(cè)和放大而成的。其中光敏探測(cè)用于充電開始控制,反電流檢測(cè)的作用相當(dāng)于阻塞二極管,當(dāng)有反電流產(chǎn)生時(shí),它立即產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器斷開充電回路。圖中的A即為反電流檢測(cè)比較器,B為過(guò)電壓檢測(cè)比較器,電路中使用繼電器常開觸頭做充電回路控制開關(guān)。圖中比較器A和比較器B同時(shí)輸出高電平時(shí),繼電器才有可能吸合進(jìn)行充電。這里與圖919不同的是,由于選用繼電器常開觸頭做充電控制開關(guān),所以檢測(cè)過(guò)電壓的比較器B的檢測(cè)端電壓和參考電壓輸入端電壓正好相反。繼電器開關(guān)除受過(guò)電壓和反電流控制外,他的吸合動(dòng)作還受光電管DU的控制。即只有當(dāng)光線足夠強(qiáng)時(shí),系統(tǒng)才開始投入充電狀態(tài)。3)雙電壓控制電壓調(diào)節(jié)器雙電壓控制電壓調(diào)節(jié)器式根據(jù)鉛酸蓄電池充電的碘化學(xué)原理過(guò)程而特別設(shè)計(jì)的充電控制器。它能夠自動(dòng)完成兩個(gè)電壓控制點(diǎn)的調(diào)解工作。圖921為雙電壓控制電壓調(diào)節(jié)器的工作原理圖,從圖中可以看出,在一開始充電時(shí)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓點(diǎn)為2.45V/格,這一點(diǎn)的電壓又叫作均衡充電電壓。根據(jù)鉛酸蓄電池的電化學(xué)工作原理,在開始充電階段,只有盡快達(dá)到這個(gè)電壓值,蓄電池的電解液才能避免層化效應(yīng)而以最高效率完成電化學(xué)反應(yīng),也就是充電效率最高。在這以后,充電電壓必須立即下降,否則,將開始造成電解液氣化。所以系統(tǒng)在充電達(dá)到均衡充電電壓保護(hù)點(diǎn)2.45V/格改變?yōu)楦〕潆妷罕Ｗo(hù)點(diǎn)2.35V/格。這樣,蓄電池的整個(gè)充電過(guò)程便始終保持在最高效率狀態(tài),而且蓄電池的電解液也不會(huì)因過(guò)電壓而造成氣化損失。4)帶微處理器的系統(tǒng)控制器使用微處理器作光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的檢測(cè)控制核心,有三大優(yōu)勢(shì):高性能價(jià)格比;高檢測(cè)控制精度;高運(yùn)行可靠性和機(jī)動(dòng)靈活性。因此,使用微處理器作光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器核心是今后控制器的發(fā)展方向。這里簡(jiǎn)要介紹一個(gè)使用MCS51系列單片機(jī)做控制檢測(cè)核心的2kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng),其充電控制原理如圖922所示。(1)充電控制。蓄電池是中小型光伏發(fā)電系統(tǒng),特別是獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng),不可缺少的儲(chǔ)能設(shè)備,其成本占總系統(tǒng)成本的15%~20%,因此延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命將直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行、維修的成本及系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用增量控制法控制太陽(yáng)能電池陣列對(duì)蓄電池的充電過(guò)程,限制蓄電池的充電電壓不會(huì)達(dá)到有害的程度,確保蓄電池壽命。圖922給出了本系統(tǒng)充電控制原理,它將2kW太陽(yáng)能電池陣列分成8路,即每個(gè)控制增量為總量的12.5%。在夏季來(lái)臨后,日照時(shí)數(shù)漸長(zhǎng),蓄電池接近充滿狀態(tài)。假設(shè)白天負(fù)載電流較小且恒定,則當(dāng)太陽(yáng)能電池電流增加時(shí),蓄電池電壓也逐漸增加。當(dāng)電壓達(dá)到蓄電池最高充電電壓時(shí),控制器將開始動(dòng)作切斷一路太陽(yáng)能電池陣列,充電電壓下降減少,于是蓄電池電壓下調(diào),脫離極限電壓。隨著太陽(yáng)升高,太陽(yáng)能電池電流增大,蓄電池開始逐漸充滿,當(dāng)電壓再次達(dá)到最高極限時(shí),控制器動(dòng)作又切斷另一路太陽(yáng)能電池陣列,再次使充電電流下跳。以此類推,始終保護(hù)蓄電池電壓處在浮充狀態(tài)。隨著太陽(yáng)能電池的充電電流的減小,蓄電池電壓下降,各充電分路又一次分別投入充電,直到完成一天的充電過(guò)程,實(shí)現(xiàn)蓄電池的最佳充電效果。(2)太陽(yáng)能電池陣列特性的檢測(cè)及微機(jī)系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池光伏曲線就是在一定光強(qiáng)輻射和一定溫度下,太陽(yáng)能電池的負(fù)載外特性,如圖923所示。

光伏特性曲線是光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)可靠性、使用壽命及運(yùn)行成本等各項(xiàng)指標(biāo)的分析基礎(chǔ)。在自然條件下,由于輻射到太陽(yáng)能電池陣列上的太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化隨天空的云量、大氣透明度及太陽(yáng)入射角度在不斷變化著,電池板的溫度也隨著輻射的情況、環(huán)境溫度及風(fēng)力大小而不斷變化,所以在自然條件下的安

伏特性曲線必須在極短的瞬間完成,才可能忽略光強(qiáng)和溫度變化所帶來(lái)的影響。現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的使用,已使得在瞬間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的采集和處理工作成為可能,圖924為微機(jī)系統(tǒng)硬件框圖。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作控制檢測(cè)的核心,因?yàn)閱纹瑱C(jī)獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu),高效的指令系統(tǒng)和多址I/O數(shù)據(jù)運(yùn)算能力、處理能力,使得它既可以作為一種高效能的過(guò)程控制機(jī)又可以成為有效的數(shù)據(jù)處理機(jī),因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能儀器儀表等領(lǐng)域。本系統(tǒng)從實(shí)用角度出發(fā),在控制、系統(tǒng)檢測(cè)、抗干擾性等方面也進(jìn)行了充分的考慮。如負(fù)載除一般配電控制外,還可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開、定時(shí)關(guān)等時(shí)間控制。系統(tǒng)檢測(cè)包括對(duì)各主要參數(shù)的檢測(cè),如對(duì)充電電流、放電電流、蓄電池電壓等的檢測(cè);同時(shí)還能對(duì)一些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),如對(duì)環(huán)境溫度、太陽(yáng)能電池板面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度等進(jìn)行檢測(cè)。在抗干擾方面,本系統(tǒng)除在硬件上注意采取隔離屏蔽等措施外,還增加了程序監(jiān)督電路,以隨時(shí)跟蹤監(jiān)視程序運(yùn)行情況,防止程序失常和進(jìn)入死循環(huán)。除此以外,本系統(tǒng)還考慮留有各種備用接口,如通訊接口、備用電源啟動(dòng)接口、無(wú)線報(bào)警接口等,以適應(yīng)各種不同需要。本系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)、打印繪圖機(jī)及模擬放大電路等所用的直流電源,均由系統(tǒng)內(nèi)鉛蓄電池供電,并采用開關(guān)穩(wěn)壓電源及穩(wěn)壓集成電路提供穩(wěn)定的直流電,具有功耗低、工作可靠、體積小等特點(diǎn)。本系統(tǒng)由于采用單片機(jī)系統(tǒng)作控制檢測(cè)核心,所以功能強(qiáng)、體積小、運(yùn)行可靠,而且操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng),適于推廣使用。下面簡(jiǎn)單介紹本系統(tǒng)的主要功能:①

本系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)控制檢測(cè)的要求,由元件組成一個(gè)精確的秒發(fā)生器。通過(guò)秒累計(jì),達(dá)到分、時(shí)、日、月、年的計(jì)時(shí),并能自動(dòng)完成閏年、閏月的計(jì)算,使得本系統(tǒng)的時(shí)間控制功能得以圓滿實(shí)現(xiàn)。②

本系統(tǒng)在實(shí)行自動(dòng)運(yùn)行以后,可以對(duì)各種初值及狀態(tài)加以設(shè)定和修改,如對(duì)日歷時(shí)鐘、蓄電池容量、充電和負(fù)載狀態(tài)等的設(shè)定和修改。③

本系統(tǒng)有很強(qiáng)的控制功能,包括充電控制、配點(diǎn)控制、定時(shí)控制、備用電源啟動(dòng)控制等。④

光伏發(fā)電系統(tǒng)需要檢測(cè)的主要參數(shù)有:本系統(tǒng)除可檢測(cè)上述主要系統(tǒng)參數(shù)外,還可能通過(guò)控制電子負(fù)載完成對(duì)2kW太陽(yáng)能電池陣列或其子陣列的光伏特性的檢測(cè),即采集100對(duì)I-U值,描繪出I-U值曲線。⑤

本系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行標(biāo)度變換、數(shù)字變換及多字節(jié)數(shù)值計(jì)算等,并輸出結(jié)果。主要計(jì)算參數(shù)有:充電安時(shí)數(shù)、放電安時(shí)數(shù)、太陽(yáng)能電池陣列的最大輸出功率、填充因子等。⑥

本系統(tǒng)具有良好的顯示功能,所有系統(tǒng)參數(shù)、狀態(tài)均可由一個(gè)8位LED顯示器顯示輸出。通過(guò)繪圖打印功能,所有的系統(tǒng)參數(shù)、狀態(tài),均可由一臺(tái)小型四色打印繪圖機(jī)打印輸出;光伏電池陣列的光伏特性曲線也可描繪輸出,凡在同一坐標(biāo)中可同時(shí)描繪四條不同顏色的I-U特性曲線,以供比較。除此以外,本系統(tǒng)還可以輸出打印問(wèn)候話語(yǔ)及日期、時(shí)鐘等。⑦

本系統(tǒng)有自測(cè)試功能,當(dāng)系統(tǒng)主要部件出現(xiàn)故障或運(yùn)行不正常時(shí),如光電陣列開路或蓄電池電壓過(guò)低等,能夠自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警器,并指示故障部位,以便工作人員及時(shí)檢修。⑧

本系統(tǒng)在各種初值及狀態(tài)設(shè)定后,可以自動(dòng)完成以上全部功能。若無(wú)修改操作,則系統(tǒng)可按上電后程序自動(dòng)設(shè)定的初值和狀態(tài)運(yùn)行。⑨

本系統(tǒng)可以根據(jù)鍵盤發(fā)出的指令,現(xiàn)場(chǎng)完成各種控制和檢測(cè)工作。當(dāng)本系統(tǒng)的微機(jī)系統(tǒng)處在檢修期間時(shí),可以通過(guò)開關(guān)版面完全用手動(dòng)進(jìn)行充電和負(fù)載配電的控制。⑩

此外,本系統(tǒng)還具有鍵盤封鎖功能,即當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后,程序便對(duì)鍵盤實(shí)行軟件封鎖,只有重新輸入密碼后,系統(tǒng)才會(huì)開放鍵盤操作控制。這樣便可有效地避免非操作人員操作及擅自修改系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。鎖定密碼既可由設(shè)計(jì)人員根據(jù)用戶要求一次性寫入程序貯存器,也可編程后由用戶的操作人員自行修改、設(shè)定。其次,本系統(tǒng)具有自動(dòng)復(fù)位功能,即單片機(jī)系統(tǒng)除一般上電復(fù)位、手動(dòng)鍵復(fù)位外,還設(shè)有程序監(jiān)督自動(dòng)復(fù)位電路。再次,本系統(tǒng)具有通訊功能,因所用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)有RS-232C串行通信接口,可以方便地實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通訊和傳遞數(shù)據(jù)、指令,也可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。9.1.2直流

交流逆變器如前所述,所謂逆變器就是把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能供給負(fù)載的一種電能轉(zhuǎn)換裝置,它正好是整流裝置的逆向變換功能器件,因而被稱之為逆變器。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,太陽(yáng)能電池板在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生直流電,然而以直流電形式供電的系統(tǒng)有著很大的局限性。例如,日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇等大多數(shù)家用電器均不能直接用直流電源供電,絕大多數(shù)動(dòng)力機(jī)械也是如此。此外,當(dāng)供電系統(tǒng)需要升高電壓或降低電壓時(shí),交流系統(tǒng)只需加一個(gè)變壓器即可,而直流系統(tǒng)中的升、降壓技術(shù)與裝置則要復(fù)雜得多。因此,除特殊用戶外,在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要配備逆變器。逆變器一般還配備有自動(dòng)穩(wěn)頻穩(wěn)壓功能,可保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。因此,逆變器已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備。當(dāng)前,電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)生產(chǎn)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。電力半導(dǎo)體器件是高效逆變電源的基礎(chǔ)元件,目前,正向模塊化、快速化、高頻化、大容量化和智能化發(fā)展。逆變器屬于電力電子學(xué)范疇。電力電子學(xué)是在電氣工程的三大領(lǐng)域、電力、電子與控制之間的一門邊緣科學(xué)。逆變器功能要求逆變器按照一個(gè)重復(fù)開關(guān)的方式工作,這又是數(shù)控電子學(xué)的范疇;而開關(guān)動(dòng)作的信號(hào)要求逆變連續(xù),這又是模擬控制研究的對(duì)象。因此從事逆變器研究因具有電力電子、控制方面的有關(guān)知識(shí),這一切也正是電力電子學(xué)所要研究的內(nèi)容。1.逆變器基本工作原理及電路系統(tǒng)構(gòu)成逆變器的種類很多,各自的工作原理、過(guò)程不盡相同,但是最基本的逆變過(guò)程是相同的。下面以最基本的逆變器———單相橋式逆變器電路為例,具體說(shuō)明逆變器的“逆變”過(guò)程。單相橋式逆變器電路如圖925(a)所示,電壓的波形圖925(b)所示。輸入直流電壓為E,R代表逆變器的純電阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)K1、K3

接通時(shí),電流流過(guò)K1、R、K3,負(fù)載上的電壓極性是左正右負(fù);當(dāng)開關(guān)K1、K3

斷開時(shí),K2、K4

接通時(shí),電流流過(guò)K2、R、K4,負(fù)載上的電壓極性反向。若兩組開關(guān)K1

及K3、K2

及K4

以頻率f交替切換工作時(shí),負(fù)載R上便可得到頻率f的交變電壓Ur,其波形如圖925(b)所示。該波形為方波,其周期為T=1/f。圖925(a)電路中的開關(guān)K1、K2、K3、K4,實(shí)際是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變器電路中常用的功率開關(guān)器件有功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、可關(guān)斷晶閘管及快速晶閘管等。近年來(lái)又研制出功耗更低、開關(guān)速度更快的絕緣柵雙極晶體管。實(shí)際上要構(gòu)成一臺(tái)實(shí)用性逆變器,尚需增加許多重要的功能電路及輔助電路。輸出為正弦波電壓,并具有一定保護(hù)功能的逆變器電路原理框圖如圖926所示。其工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下:由太陽(yáng)能電池方陣(或蓄電池)送來(lái)的直流電進(jìn)入逆變器主回路,經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成為交流方波,再經(jīng)濾波器濾波后成為正弦波電壓,最后由變壓器升壓后送至用電負(fù)載。逆變器主回路中功率開關(guān)管的開關(guān)過(guò)程,是由系統(tǒng)控制單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)回路進(jìn)行控制的。逆變器電路各部分的工作狀態(tài)及工作參量,經(jīng)由不同功能的傳感器變換為可識(shí)別的電信號(hào)后,通過(guò)檢測(cè)回路將信息送入系統(tǒng)控制單元進(jìn)行比較、分析與處理。根據(jù)判斷結(jié)果,系統(tǒng)控制單元對(duì)逆變器各回路的工作狀況進(jìn)行控制。例如,通過(guò)電壓調(diào)節(jié)回路可調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓值。當(dāng)檢測(cè)回路送來(lái)的是短路信息時(shí),系統(tǒng)控制單元通過(guò)保護(hù)回路,立即關(guān)斷逆變器主回路的開關(guān)管,從而起到保護(hù)逆變器的作用。逆變器工作的主要狀態(tài)信息及故障情況,通過(guò)系統(tǒng)控制單元可以送至顯示及報(bào)警回路。根據(jù)逆變器的功率大小、功能多少的不同,圖926中的系統(tǒng)控制單元,簡(jiǎn)單的可以是由一塊組件構(gòu)成的邏輯電路或?qū)I(yè)芯片,復(fù)雜的可以是單片微處理器或16位微處理器等。此外,圖926所示的是逆變器典型的電路系統(tǒng)原理,實(shí)際的逆變器電路系統(tǒng)可以比圖926所示的簡(jiǎn)單許多,也可以較之更為復(fù)雜。最好要說(shuō)明的是,一臺(tái)功率完善、性能良好的逆變器,除具有如圖926所示的全部功能電路外,還要有二次電源(即控制檢測(cè)電路用電源)。該電源負(fù)責(zé)向逆變器所有的用電部件、元器件、儀表等提供不同等級(jí)的低壓工作用電。2.光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的分類及特點(diǎn)有關(guān)逆變器的分類原則很多,例如,根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù),可分為單相逆變器和三相逆變器;根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同,又可分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器及可關(guān)斷晶閘管逆變器等;根據(jù)逆變器線路原理的不同,還可分為自激振蕩型逆變器、階梯波疊加逆變器和脈寬調(diào)制型逆變器等。為了便于光伏電站選用逆變器,這里先以逆變器輸出交流電壓波形的不同進(jìn)行分類,并對(duì)不同輸出波形逆變器的特點(diǎn)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。(1)方波逆變器。方波逆變器輸出的交流電壓波形為方波,如圖927(a)所示。使用的功率開關(guān)管數(shù)量很少。設(shè)計(jì)功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是:價(jià)格便宜,維修簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是:由于方波電壓中含有大量高次諧波,在以變壓器為負(fù)載的用電器件中將產(chǎn)生附加損耗,對(duì)收音機(jī)和某些通信設(shè)備也有干擾。此外,這類逆變器中有的調(diào)壓范圍不夠?qū)?保護(hù)功能不夠完善,噪音也比較大。(2)階梯逆變器。階梯逆變器輸出的交流電壓波形為階梯波,如圖927(b)所示。逆變器實(shí)現(xiàn)階梯波輸出也有很多種不同的線路,輸出波形的階梯數(shù)目也不一樣。階梯逆變器的優(yōu)點(diǎn)是:輸出波形比方波有明顯改善,高次諧波含量減少,當(dāng)階梯達(dá)到17個(gè)以上時(shí),輸出波形可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)正弦波。當(dāng)采用無(wú)變壓器輸出時(shí),整機(jī)效率很高。缺點(diǎn)是:階梯波疊加線路使用的功率開關(guān)管較多,其中有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽(yáng)能電池方陣的分組與接收以及蓄電池組的均衡充電均帶來(lái)麻煩。此外,階梯波電壓對(duì)收音機(jī)和某些通信設(shè)備仍有一些高頻干擾。(3)正弦波逆變器。正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波,如圖927(c)所示。正弦波逆變器的綜合技術(shù)性能好,功能完善,但線路復(fù)雜。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是:輸出波形好,失真度低,對(duì)收音機(jī)及通信設(shè)備無(wú)干擾,噪聲較小;缺點(diǎn)是:線路相對(duì)復(fù)雜,對(duì)維修技術(shù)要求較高,價(jià)格較貴。上述三種逆變器的分類方法,僅供光伏發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶在對(duì)逆變器進(jìn)行識(shí)別和選型時(shí)參考。實(shí)際上,波形相同的逆變器在線路原理、使用期間及控制方法等方面仍有很大的區(qū)別。此外,從高效率逆變電源的發(fā)展現(xiàn)狀和前景來(lái)看,這里有必要著重介紹一下逆變電源按變換方式又可分為工頻變換和高頻變換的問(wèn)題。目前市場(chǎng)上銷售的逆變電源多為工頻變換。它是利用分立器件或集成塊產(chǎn)生50Hz方波信號(hào),然后利用這一信號(hào)去推動(dòng)功率開關(guān)管,利用工頻升壓器產(chǎn)生220V交流電。這種逆變電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,但由于電路結(jié)構(gòu)本身的缺陷,不適合帶動(dòng)感性負(fù)載,如電冰箱、電風(fēng)扇、水汞、日光燈等。另外,這種逆變電源由于采用了工頻變壓器,因而體積大,笨重,價(jià)格高。20世紀(jì)70年代初期,20kHzPWM型開關(guān)電源的應(yīng)用在世界上引起了所謂的“20kHz電源技術(shù)革命”。這種關(guān)于逆變電源變換方式的思想當(dāng)時(shí)立即被用在逆變電源系統(tǒng)中,由于當(dāng)時(shí)的功率器件昂貴,且損害大,高頻高效逆變電源的研究一直處于停滯狀態(tài)。到了80年代以后,隨著功率場(chǎng)效應(yīng)管工藝的日趨成熟及磁性材料質(zhì)量的提高,高頻變換逆變電源才走向市場(chǎng)。高頻變換逆變電源是通過(guò)提高DC-DC變換頻率,先將低壓直流變?yōu)榈蛪航涣?經(jīng)過(guò)脈沖變壓器升壓后再整流成高壓直流。由于在DC-DC變換中采用了PWM技術(shù),因而可得到穩(wěn)定的直流電壓,利用該電壓可直接驅(qū)動(dòng)交流節(jié)能燈、白熾燈、彩色電視機(jī)等負(fù)載。如對(duì)該高壓直流進(jìn)行類正弦變換或正弦變換,即可得到220V、50Hz正弦波交流電。這種逆變器由于采用高頻變換(現(xiàn)多為20kHz~200kHz),因而體積小、重量輕;由于采用了二次調(diào)寬及二次穩(wěn)壓技術(shù),因而輸出電壓非常穩(wěn)定,負(fù)載能力強(qiáng),性能價(jià)格比較高,是目前可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的首選品。隨著諧振開關(guān)電源的發(fā)展,諧振變換的思想也被用在逆變電源系統(tǒng)中,即構(gòu)成了諧振型高效逆變電源。這種逆變電源是在DC-DC變換中采用了零電壓或零電流開關(guān)技術(shù),因而基本上可以消除開關(guān)損耗,即使當(dāng)開關(guān)頻率超過(guò)1MHz后,電源的效率也不會(huì)明顯降低。實(shí)驗(yàn)證明,在工作頻率相同的情況下,諧振型變換的損耗可比非諧

振

型

變

換

的

損

耗

降

低30%~40%。目

前,諧

振

型

電

源

的

工

作

頻

率

可

達(dá)

到500kHz至1MHz。表91列出了三種逆變電源的性能比較。另外,值得注意的是,逆變電源的研究正朝著模塊化方向發(fā)展,即采用不同的模塊組合,就可構(gòu)成不同的電壓、波形變換系統(tǒng)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所提供的電能成本較高,因而研制高效而可靠的逆變電源就顯得非常重要。要提高逆變電源的效率,就必須減小其損耗。逆變電源中的損耗通常可分為兩類:導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是由于器件具有一定的導(dǎo)通電阻Rds,因此當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一定的功耗。在器件開通和關(guān)斷過(guò)程中,器件也將產(chǎn)生較大的損耗,這種損耗稱為開關(guān)損耗。開關(guān)損耗可分為開通損耗、關(guān)斷損耗和電容放電損耗?，F(xiàn)代電源理論指出,要減小上述這些損耗,就必須對(duì)功率開關(guān)管實(shí)施零電壓或零電流轉(zhuǎn)換,即采用諧振型變換結(jié)構(gòu)。模塊化具有調(diào)試簡(jiǎn)單、配制靈活等優(yōu)點(diǎn),因而在研制高效逆變電源的過(guò)程中,可以采用圖928所示的模塊化結(jié)構(gòu)。用戶可根據(jù)實(shí)際用電要求任意搭配各種模塊,構(gòu)成要求輸入或輸出的高效逆變電源。3.逆變器的主要技術(shù)性能及評(píng)價(jià)和選用1)逆變器的技術(shù)性能表征逆變器性能的基本參數(shù)與技術(shù)條件內(nèi)容很多。這里僅對(duì)評(píng)價(jià)光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器經(jīng)常用到的部分參數(shù)作一扼要說(shuō)明。(1)額定輸出電壓。在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動(dòng)范圍內(nèi),額定輸出電壓表示逆變器應(yīng)輸出的額定電壓值。對(duì)輸出額定電壓值的穩(wěn)定準(zhǔn)確度有如下規(guī)定:①

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),電壓波動(dòng)范圍應(yīng)有一個(gè)限定,例如,其偏差不超過(guò)額定值的±3%或±5%。②

在負(fù)載突變或有其他干擾因素影響的動(dòng)態(tài)情況下,其輸出電壓偏差不應(yīng)超過(guò)額定值的±8%或±10%。(2)輸出電壓的不平衡度。在正常工作條件下,逆變器輸出的三相電壓不平衡度(逆序分量對(duì)正序分量之比)應(yīng)不超過(guò)一個(gè)規(guī)定值,以%表示,一般為5%或8%。(3)輸出電壓的波形失真度。當(dāng)逆變器輸出為正弦波時(shí),應(yīng)對(duì)允許的最大波形失真度(或諧波含量)作出規(guī)定。通常以輸出電壓的總波形失真度表示,其值不應(yīng)超過(guò)5%(單相輸出允許10%)。(4)額定輸出頻率。逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值,通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應(yīng)在±1%以內(nèi)。(5)負(fù)載功率因數(shù)。負(fù)載功率因數(shù)表征逆變器帶動(dòng)感性負(fù)載的能力。在正弦波條件下,負(fù)載功率因數(shù)為0.7~0.9(滯后),額定值為0.9。(6)額定輸出電流(或額定輸出容量)。額定輸出電流表示在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)范圍內(nèi),逆變器的輸出電流。有些逆變器產(chǎn)品給出的是額定輸出容量,其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定輸出容量是當(dāng)輸出功率因數(shù)為1(即純阻性負(fù)載)時(shí),額定輸出電壓與額定輸出電流的乘積。(7)額定輸出效率。逆變器的效率是在規(guī)定的工作條件下,其輸出功率與輸入功率之比,以%表示。逆變器在額定輸出容量下的效率為滿負(fù)荷效率,在10%額定輸出容量下的效率為低負(fù)荷效率。(8)保護(hù)。①

過(guò)電壓保護(hù)。對(duì)于沒(méi)有電壓穩(wěn)定措施的逆變器,應(yīng)有輸出過(guò)電壓的防護(hù)措施,以使負(fù)載免受輸出過(guò)電壓的損害。②

過(guò)電流保護(hù)。逆變器的過(guò)電流保護(hù),應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作,使其免受浪涌電流的損傷。(9)啟動(dòng)特性。啟動(dòng)特性表征逆變器帶負(fù)載啟動(dòng)的能力和動(dòng)態(tài)工作時(shí)的性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下能可靠啟動(dòng)。(10)噪聲。電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)及風(fēng)扇等部件均會(huì)產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運(yùn)行時(shí),其噪聲應(yīng)不超過(guò)80dB,小型逆變器的噪聲應(yīng)不超過(guò)65dB。2)對(duì)逆變器的評(píng)價(jià)為了正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器,必須對(duì)逆變器的技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)逆變

器對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響和光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的性能要求,以下幾項(xiàng)是必

不可少的評(píng)價(jià)內(nèi)容。(1)額定輸出容量。額定輸出容量表征逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶動(dòng)更多的用電負(fù)載。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時(shí),也就是輸出功率小于1時(shí),逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出電容值。(2)輸出電壓的穩(wěn)定度。輸出電壓穩(wěn)定度表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是,輸入直流電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差,這一量值通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時(shí)給出當(dāng)負(fù)載由0%→100%變化時(shí),該逆變器輸出電壓的偏差%,通常稱為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)≤3%,負(fù)載調(diào)整率應(yīng)≤±6%。(3)整機(jī)效率。逆變器的效率值表征自身功率損耗的大小,通常以%表示。對(duì)容量較大的逆變器,還

應(yīng)

給

出

滿

負(fù)

荷

效

率

值

和

低

負(fù)

荷

效

率

值。1kW以

下

的

逆

變

器

效

率

應(yīng)

為80%~85%;1kW級(jí)

的

逆

變

器

效

率

應(yīng)

為85%~90%;10kW級(jí)

的

逆

變

器

效

率

應(yīng)

為90%~95%;100kW級(jí)的逆變器效率應(yīng)超過(guò)95%。逆變器效率的高低對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有著重要的影響。(4)保護(hù)功能。過(guò)電壓、過(guò)電流及短路保護(hù)是保證逆變器安全運(yùn)行的最基本措施。功能完善的正弦波逆變器還具有欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)及越限報(bào)警等功能。(5)啟動(dòng)性能。逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下的可靠啟動(dòng)。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷啟動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全,有時(shí)采用軟啟動(dòng)或限流啟動(dòng)。以上是選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器是缺一不可的、最基本的評(píng)價(jià)項(xiàng)目。其他諸如逆變器的波形失真度、噪聲水平等技術(shù)性能,對(duì)大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏電站也十分重要。3)逆變器的選用在選用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器時(shí),除依據(jù)上述五項(xiàng)基本內(nèi)容外,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)足夠的額定輸出容量和過(guò)載能力。逆變器的選用,首先要考慮的是它要具有足夠的額定容量,以滿足最大負(fù)荷下設(shè)備對(duì)電功率的要求。對(duì)以單一設(shè)備為負(fù)載的逆變器來(lái)說(shuō),其額定容量的選取較為簡(jiǎn)單。當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負(fù)載或者功率因素大于0.9時(shí),選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1.1~1.15倍即可。逆變器以多個(gè)設(shè)備為負(fù)載時(shí),逆變器容量的選取就要考慮幾個(gè)用電設(shè)備同時(shí)工作的可能性,其專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱為負(fù)載系統(tǒng)的“同時(shí)數(shù)”。(2)較高的電壓穩(wěn)定性能。在獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)中均已蓄電池為貯能設(shè)備。當(dāng)標(biāo)稱電壓為12V的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時(shí),端電壓可達(dá)13.5V,短時(shí)間過(guò)充電狀態(tài)可達(dá)15V。蓄電池帶負(fù)電荷放電終了時(shí)端電壓可降至10.5V或更低。蓄電池端電壓的起伏可達(dá)標(biāo)稱電壓的30%左右。這就要求逆變器具有較好的調(diào)壓性能,以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)用穩(wěn)定的交流電壓供電。(3)在各種負(fù)載下具有高效率或較高效率。整機(jī)效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用性逆變器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。10kW級(jí)的通用型逆變器實(shí)際效率只有70%~80%,將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)將帶來(lái)總發(fā)電量20%~30%的電能損耗。光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器,在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意減少自身的功率損耗,以提高整機(jī)效率。這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一項(xiàng)重要措施。在整機(jī)效率方面對(duì)光伏發(fā)電專用逆變器的要求是:kW級(jí)以下逆變器額定負(fù)荷效率為80%~85%,低負(fù)荷效率為65%~75%;10kW級(jí)逆變器額定負(fù)荷效率為85%~90%,低負(fù)荷效率為70%~80%。(4)良好的過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。光伏發(fā)電系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中,因負(fù)載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過(guò)流或短路,是完全可能出現(xiàn)的。逆變器對(duì)外電路的過(guò)電流及短路現(xiàn)象最為敏感,是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此,在選用逆變器時(shí),必須要求它對(duì)過(guò)電流及短路有良好的自我保護(hù)功能。這是目前提高光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。(5)維護(hù)方面。高質(zhì)量的逆變器在運(yùn)行若干年后,因元器件失效而出現(xiàn)故障,應(yīng)屬于正常現(xiàn)象。除生產(chǎn)廠家需有良好的售后服務(wù)系統(tǒng)外,還要求生產(chǎn)廠家在逆變器生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)及元器選型方面,應(yīng)具有良好的可維護(hù)性。例如,損壞的元器件要有充足的備件或容易買到,元器件的互換性要好。在工藝結(jié)構(gòu)上,元器件要容易拆裝,更換方便。這樣,即使逆變器出現(xiàn)故障,也可以迅速得到維護(hù)并恢復(fù)正常。4.光伏電站逆變器操作使用與維護(hù)檢修1)操作使用(1)應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說(shuō)明書的要求進(jìn)行設(shè)備的連接和安裝。在安裝時(shí),應(yīng)認(rèn)真檢查:線徑是否符合要求,各部件及端子在運(yùn)輸中是否有松動(dòng),應(yīng)絕緣的地方是否絕緣良好,系統(tǒng)的接地是否符合規(guī)定。(2)應(yīng)嚴(yán)格按照逆變器使用維護(hù)說(shuō)明書的規(guī)定操作使用。尤其是,在開機(jī)前要注意輸入電壓是否正常,在操作時(shí)要注意開、關(guān)機(jī)的順序是否正確,各表頭和指示燈的指示是否正常。(3)逆變器一般均有斷路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等項(xiàng)目的自動(dòng)保護(hù),因此在發(fā)生這些情況時(shí),無(wú)需人工停機(jī)。自動(dòng)保護(hù)的保護(hù)點(diǎn),一般在出廠時(shí)已設(shè)定好,因此,不用再進(jìn)行調(diào)整。(4)逆變器機(jī)柜內(nèi)有高電壓,操作人員一般不得打開柜門,柜門平時(shí)應(yīng)鎖死。(5)在室溫超過(guò)30℃時(shí),應(yīng)采取散熱降溫措施,以防止設(shè)備發(fā)生故障,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。2)維護(hù)檢修(1)應(yīng)定期檢查逆變器各部門的接線是否牢固,有無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象,尤其應(yīng)認(rèn)真檢查風(fēng)扇、功率模塊、輸入端子、輸出端子以及接地等。(2)逆變器一旦報(bào)警停機(jī),不準(zhǔn)馬上開機(jī),應(yīng)查明原因并修復(fù)后再進(jìn)行開機(jī)。檢查應(yīng)嚴(yán)格按逆變器維護(hù)手冊(cè)的規(guī)定步驟進(jìn)行。(3)操作人員必須經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn),并應(yīng)達(dá)到能夠判斷一般故障產(chǎn)生原因并能進(jìn)行排除故障的水平。例如,能熟練地更換保險(xiǎn)絲、組件以及損壞的電路板等。未經(jīng)培訓(xùn)的人員,不得上崗操作使用設(shè)備。(4)如發(fā)生不易排除的事故或事故的原因不清時(shí),應(yīng)做好相關(guān)的詳細(xì)記錄,并及時(shí)通知生產(chǎn)廠家解決。9.2太陽(yáng)能電池配電系統(tǒng)9.2.1光伏電站交流配電系統(tǒng)的構(gòu)成和分類光伏電站交流配電系統(tǒng)是用來(lái)接收和分配交流電能的電力設(shè)備。它主要由控制電器,保護(hù)電器,測(cè)量電器,以及母線和載流導(dǎo)體組成。交流配電系統(tǒng)按照設(shè)備所處場(chǎng)所,可分為戶內(nèi)配電系統(tǒng)和戶外配電系統(tǒng);按照電壓等級(jí),可分為高壓配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng);按照結(jié)構(gòu)形式,可分為裝配式配電系統(tǒng)和成套式配電系統(tǒng)。中小型光伏電站一般供電范圍較小,采用低壓交流供電基本可滿足用電需要。因此,低壓配電系統(tǒng)在光伏電站中就成為連接逆變器和交流負(fù)載的一種接受和分配電能的電力設(shè)備。9.2.2光伏電站交流配電系統(tǒng)的主要功能和原理由于投資的限制,目前西藏光伏電站的規(guī)模還不能完全滿足當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨?。為增加光伏電站的供電可靠?同時(shí)減少蓄電池的容量和降低系統(tǒng)成本,供電站都配有備用柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源。后備電源的作用是:第一,當(dāng)蓄電池虧電而太陽(yáng)能電池方陣又無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充充電時(shí),可由后備柴油發(fā)電機(jī)組的充電設(shè)備給蓄電池組充電,并同時(shí)通過(guò)交流配電系統(tǒng)直接向負(fù)載供電,以保證供電系統(tǒng)正常運(yùn)行;第二,當(dāng)逆變器或者其他部件發(fā)生故障,光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法供電時(shí),作為應(yīng)急電源,可啟動(dòng)后備柴油發(fā)電機(jī)組,經(jīng)交流配電系統(tǒng)直接為用戶供電。因此,交流配電系統(tǒng)除在正常情況下將逆變器輸出的電力提供給負(fù)載外,還應(yīng)在特殊情況下具有將后備應(yīng)急電源輸出的電力直接向用戶供電的功能。由此可見,獨(dú)立運(yùn)行光伏電站交流配電系統(tǒng)至少應(yīng)有兩路電源輸入,一路用于主逆變器輸入,一路用于后備柴油發(fā)電機(jī)組輸入。在配有備用逆變器的光伏發(fā)電系統(tǒng)中,其交流配電系統(tǒng)還應(yīng)考慮增加一路輸入。為確保逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組的安全,杜絕逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組同時(shí)供電的危險(xiǎn)局面出現(xiàn),交流配電系統(tǒng)的兩種輸入電源切換功能必須有絕對(duì)可靠的互鎖裝置,只要逆變器供電操作步驟沒(méi)有完全排除干凈,柴油發(fā)電機(jī)組供電便不可能進(jìn)行;同樣,在柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)交流配電系統(tǒng)向負(fù)載供電時(shí),也必須確保逆變器絕對(duì)接不進(jìn)交流配電系統(tǒng)。交流配電系統(tǒng)的輸出一般可根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)。通常,獨(dú)立光伏電站的供電保障率很難做到百分之百,為確保某些特殊負(fù)載的供電需求,交流配電系統(tǒng)至少應(yīng)有兩路輸出,這樣就可以在蓄電池電量不足的情況下,切斷一路普通負(fù)載,確保向主要負(fù)載繼續(xù)供電。在某些情況下,交流配電系統(tǒng)的輸出還可以是三路或四路的,以滿足不同的需求。例如,有的地方需要遠(yuǎn)程送電,應(yīng)進(jìn)行高壓輸配電;有的地方需要為政府機(jī)關(guān)、銀行、通信等重要單位設(shè)立供電專線等。常用光伏電站交流配電系統(tǒng)主電路的基本原理結(jié)構(gòu),如圖929所示。圖中所示為兩路輸入、三路輸出的配電結(jié)構(gòu)。其中,K1、K2是兩個(gè)電開關(guān)。接觸器J1

和J2

用于兩路輸入的互鎖控制,即當(dāng)輸入1有電并閉合K1

時(shí),接觸器J1

線圈有電、吸合,接觸器J12將輸入2斷開;同理,當(dāng)輸入2有電并閉合K2

時(shí),接觸器J22自動(dòng)斷開輸入1,起到互鎖保護(hù)的作用。另外,配電系統(tǒng)的三路輸出分別由3個(gè)接觸器進(jìn)行控制,可根據(jù)實(shí)際情況以及各路負(fù)載的重要程度分別進(jìn)行控制操作。9.2.3對(duì)交流配電系統(tǒng)的主要要求1.對(duì)交流配電系統(tǒng)的通用要求(1)動(dòng)作準(zhǔn)確,運(yùn)行可靠;(2)在發(fā)生故障時(shí),能夠準(zhǔn)確、迅速地切斷事故電流,避免事故擴(kuò)大;(3)在一定的操作頻率工作時(shí),具有較高的機(jī)械壽命和電器壽命;(4)電器元件之間在電器、絕緣和機(jī)械等各方面的性能能夠配合協(xié)調(diào);(5)工作安全,操作方便,維修容易;(6)體積小,重量輕,工藝好,制造成本低;(7)設(shè)備自身能耗小。2.對(duì)交流配電系統(tǒng)的技術(shù)要求(1)選擇成熟可靠的設(shè)備和技術(shù)?？蛇x用符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的PGL型低壓配電屏,這是用于發(fā)電廠、變電站交流50Hz、額定工作電壓不超過(guò)380V低壓配電照明之用的統(tǒng)一設(shè)計(jì)產(chǎn)品。為確保產(chǎn)品的可靠性,一次配電荷二次控制回路均采用成熟可靠的電子線路。(2)充分考慮西藏地區(qū)的自然環(huán)境條件。按照有關(guān)電器產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)定,通常低壓電氣設(shè)備的使用環(huán)境都限定在海拔2000m以下,而西藏光伏電站大都位于海拔4500m以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這一規(guī)定。高海拔地理環(huán)境的主要?dú)夂蛱卣魇菤鈮旱?、相?duì)濕度大、溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、空氣密度低。隨著海拔高度的增加,大氣壓力和相對(duì)密度下降,電器設(shè)備的外絕緣強(qiáng)度也隨之下降。因此,在設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)時(shí),必須充分考慮當(dāng)?shù)貝毫迎h(huán)境對(duì)于電氣設(shè)備的不利影

響。按

照

國(guó)

家

有

關(guān)

標(biāo)

準(zhǔn)

的

規(guī)

定,安

裝

在

海

拔

高

度

超

過(guò)1000m(但

未

超

過(guò)3500m)的電氣設(shè)備,在平地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),其外部絕緣的沖擊和工頻試驗(yàn)電壓U應(yīng)當(dāng)?shù)扔趪?guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的試驗(yàn)電壓U0再乘以一定的系數(shù),即U=1.667U0。3.交流配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求(1)散熱。高海拔地區(qū)氣壓低,空氣密度小,散熱條件差,對(duì)低壓電器設(shè)備影響大,必須在設(shè)計(jì)容量時(shí)留有較大的余地,以降低工作時(shí)的溫升。充分考慮到西藏地區(qū)的環(huán)境條件,按照上述設(shè)計(jì)要求,交流配電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上對(duì)低壓電器元件的選用都留有一定的余地,以確保系統(tǒng)的可靠性。(2)維護(hù)與維修。交流配電柜應(yīng)為開啟式的雙面維護(hù)結(jié)構(gòu),采用薄鋼板及角鋼焊接組合而成。柜前有可開啟式的小門,柜面上方有儀表盤,可裝設(shè)各種指示儀表。總之,配電柜應(yīng)便于維護(hù)和維修。(3)接地。交流配電柜應(yīng)具有良好的接地保護(hù)系統(tǒng),主接地點(diǎn)一般要焊接在機(jī)柜的下方的骨架上,儀表盤也應(yīng)有接地點(diǎn)與柜體相連,這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的接地保護(hù)電路,以便可靠地防止操作人員觸電。4.交流配電柜的保護(hù)功能交流配電柜應(yīng)具有多種線路故障的保護(hù)功能。一旦發(fā)生保護(hù)動(dòng)作,用戶可根據(jù)情況進(jìn)行處理,排除故障,恢復(fù)供電。(1)輸出過(guò)載與短路保護(hù)。當(dāng)輸出電流有短路或過(guò)載等故障發(fā)生時(shí),相應(yīng)斷路器會(huì)自動(dòng)跳閘,斷開輸出。當(dāng)有更嚴(yán)重的故障發(fā)生時(shí),甚至?xí)l(fā)生熔斷器燒斷。這時(shí),應(yīng)首先查明原因,排除故障,然后再接通負(fù)載。(2)輸入欠壓保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓降到電源額定電壓的70%~35%時(shí),輸入控制開關(guān)自動(dòng)跳閘斷電;當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓低于額定電壓的35%時(shí),斷路器開關(guān)不能閉合送電。此時(shí)應(yīng)查明原因,使配電裝置的輸入電壓升高,再恢復(fù)供電。交流配電柜在用逆變器輸入供電時(shí),具有蓄電池變壓保護(hù)功能。當(dāng)蓄電池放電到一定程度時(shí),由控制器發(fā)出切斷負(fù)載的信號(hào),控制配電柜中的負(fù)載繼電器動(dòng)作,切斷相應(yīng)的負(fù)載?；謴?fù)送電時(shí),只需進(jìn)行按鈕操作即可。(3)輸入互鎖保護(hù)。光伏電站交流配電柜最重要的保護(hù),是兩路輸入的繼電器及斷路器開關(guān)雙重互鎖保護(hù)?；ユi保護(hù)功能是當(dāng)逆變器輸入或柴油發(fā)電機(jī)組輸入只要有一路有電時(shí),另一路繼電器就不能閉合,即按鈕操作失靈。也就是說(shuō),斷路器開關(guān)互鎖保護(hù),是只允許一路開關(guān)合閘通電,此時(shí)如果另一路也合閘,則兩路將同時(shí)掉閘斷電。9.2.4高壓配電系統(tǒng)大型光伏電站有時(shí)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離送電。當(dāng)送電距離超過(guò)1km時(shí),必須采用高壓輸配電系統(tǒng),以確保送電質(zhì)量。高壓輸配電系統(tǒng)至少包括一個(gè)升壓變壓器、若干個(gè)降壓變壓器、高壓斷路器、高壓電桿及電纜等。目前西藏安多、班戈光伏電站由于電站規(guī)模較大,送電距離較遠(yuǎn),都采用10kV高壓輸配電系統(tǒng),送電效果良好。高壓配電系統(tǒng)中,無(wú)論是升壓變壓器還是降壓變壓器,工作時(shí)都可以達(dá)到10kV的電壓。所以在需要對(duì)高壓輸配電系統(tǒng)進(jìn)行檢修時(shí),一定要確保逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài),并在交流配電柜上懸掛“嚴(yán)禁供電”的指示牌。10.1電網(wǎng)對(duì)光伏電站接入的承載能力

10.2光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

10.3風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)要求

10.4電網(wǎng)大規(guī)模接入風(fēng)光電的適應(yīng)性10.1電網(wǎng)對(duì)光伏電站接入的承載能力10.1.1大規(guī)模光伏、

風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響1.負(fù)荷峰谷光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不具備調(diào)峰和調(diào)頻能力,這會(huì)對(duì)電網(wǎng)的早峰負(fù)荷和晚峰負(fù)荷造成沖擊。因?yàn)楣夥?、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加的發(fā)電能力并不能減少電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的擁有量或冗余,所以電網(wǎng)必須為光伏。風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)備相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用[1][3]機(jī)組來(lái)解決早峰和晚峰的調(diào)峰問(wèn)題。光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電是以機(jī)組小時(shí)數(shù)下降為代價(jià)的。這當(dāng)然是發(fā)電商所不愿意看到的。2.晝夜變化,東西部時(shí)差以及季節(jié)的變化由于陽(yáng)光和負(fù)荷出現(xiàn)的周期性,光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電量的增加并不能減少對(duì)電網(wǎng)裝機(jī)容量的需求。3.氣象條件的變化當(dāng)一個(gè)區(qū)域的光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模時(shí),如果地理氣象出現(xiàn)大幅變化,電網(wǎng)將為光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的區(qū)域性旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組和無(wú)功補(bǔ)償容量,來(lái)控制和調(diào)整系統(tǒng)的頻率和電壓。在這種情況下,電網(wǎng)將以犧牲經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式為代價(jià)來(lái)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4.遠(yuǎn)距離光伏電能輸送當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電遠(yuǎn)距離輸送電力在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上成為可能時(shí),由于光伏并網(wǎng)發(fā)電沒(méi)有旋轉(zhuǎn)慣量、調(diào)速器及勵(lì)磁系統(tǒng),它將給交流電網(wǎng)帶來(lái)新的穩(wěn)定問(wèn)題。如果光伏并網(wǎng)發(fā)電形成規(guī)模,采用高壓交直流送電,將會(huì)給予光伏發(fā)電直流輸電系統(tǒng)相鄰的交流系統(tǒng)帶來(lái)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題不論采用高壓交流或直流送出,光伏并網(wǎng)發(fā)電站都必須配備自動(dòng)無(wú)功調(diào)壓裝置。至于對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響,目前還未見到光伏發(fā)電在電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中的數(shù)學(xué)模型。5.降耗問(wèn)題光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可替代礦物燃料的消耗。由于光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電增加了發(fā)電廠發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)備用或者是熱備用,因此,光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際降耗比率應(yīng)該扣除旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組或熱備用機(jī)組損失的能量。光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的降耗效率應(yīng)該考慮到由于光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供的電力導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)降低帶來(lái)的效率損失。由于電力系統(tǒng)是作為一個(gè)整體來(lái)運(yùn)行的,光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電向電網(wǎng)輸送電力將侵害其他發(fā)電商的利益,這是作為政府制訂者需要考慮的問(wèn)題。不僅僅水電廠要擔(dān)任旋轉(zhuǎn)備用,電網(wǎng)還要在考慮安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。因此,系統(tǒng)中總的光伏、風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電量所等效的理論降耗標(biāo)煤量前應(yīng)該乘以一個(gè)小于1的系數(shù),并且等比例的減去旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組的廠用電損耗。因此,太陽(yáng)能、風(fēng)能資源開發(fā)過(guò)程中,電網(wǎng)開展新能源規(guī)劃是十分必要的,新能源發(fā)展規(guī)劃的任務(wù)是研究新能源長(zhǎng)期發(fā)展的規(guī)模及其速度,是以某個(gè)省、某個(gè)地區(qū)甚至是全國(guó)范圍未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為基礎(chǔ),以自然資源和其他經(jīng)濟(jì)資源為條件,測(cè)算出用戶對(duì)電力、電量的需求,進(jìn)而對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)行一定的指導(dǎo)和幫助10.1.2區(qū)域電網(wǎng)對(duì)光伏電站接入的承載能力隨著化石性燃料的日益消耗,能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界所面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題,開發(fā)和利用可再生能源成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。在諸多的可再生能源利用中,風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的可再生能源發(fā)電方式之一,并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站也越來(lái)越受到重視并得到較快的開發(fā)和利用。然而,作為一種不同于常規(guī)電源的新的發(fā)電方式,光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)什么樣的影響,目前各省電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃是否能夠適應(yīng)大規(guī)模光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)的接入,電網(wǎng)規(guī)劃是否需要做出相應(yīng)調(diào)整等問(wèn)題,都是保障電網(wǎng)與光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電協(xié)調(diào)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。本章以青海省為例說(shuō)明青海省電網(wǎng)2010年和2015年的光伏接納能力。1.光伏電站出力特性及其與負(fù)荷相關(guān)性分析首先分析青海地區(qū)的太陽(yáng)能資源特性,并根據(jù)青海省擬建光伏電站場(chǎng)址格爾木2008年的光照和溫度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究光伏電站出力及其變化特性,統(tǒng)計(jì)分析其出力的概率分布;并根據(jù)青海電網(wǎng)的負(fù)荷數(shù)據(jù),討論光伏電站出力與青海電網(wǎng)負(fù)荷變化的相關(guān)性問(wèn)題。1)太陽(yáng)能資源特征分析(1)青海省地區(qū)輻照分析。青海省位于青藏高原東北部,地處東經(jīng)89°35'—103°04',31°39'—39°19'之間。東西長(zhǎng)約1200km,南北寬800km,面積為72萬(wàn)平方千米,與甘肅、四川、西藏、新疆毗鄰,是連接西藏、新疆與內(nèi)地的紐帶。青海全省地貌復(fù)雜多樣,五分之四以上的地區(qū)為高原。東部多山,海拔較低,西部為高原和盆地,全省平均海拔高度3000m以上。青海省地處中緯度地帶,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大,光照時(shí)間長(zhǎng),年總輻射量可

達(dá)5800~7400MJ/m2,其中直接輻射量占總輻射量的60%以上,僅次于西藏,位居全國(guó)第二。青海省總輻射空間分布特征是西北部多,東南部少,太陽(yáng)資源特別豐富的地區(qū)位于柴達(dá)木盆地、唐古拉山南部,年太陽(yáng)總輻射量大于6800MJ/m2;太陽(yáng)資源豐富地區(qū)位于海南(除同德)、海

北、果

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為6200~6800MJ/m2;太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)主要分布于海北的門源、東部農(nóng)業(yè)區(qū)、黃南州、果洛州南部。西寧市以及海東地區(qū),年太陽(yáng)總輻射量小于6200MJ/m2。青海海西地區(qū)平均海拔在3000m以上,大氣層薄而清潔、透明度好、緯度低、日照時(shí)間長(zhǎng),年日照小時(shí)數(shù)3200~3600h,年太陽(yáng)總輻射量為6390~7418MJ/m2。格爾木地處青藏高原腹地,位于青海柴達(dá)木盆地中南部格爾木河沖積平原上,平均海拔為2780m。柴達(dá)木盆地是我國(guó)輻射資源最豐富的地區(qū)之一,年太陽(yáng)總輻射量在6618.3~7356.9MJ/m2之間,高于我國(guó)東部同緯度地區(qū),太陽(yáng)輻射資源的空間分布由西向東逐漸遞減,各地太陽(yáng)總輻射量普遍超過(guò)6800MJ/m2,最高達(dá)7356MJ/m2,平均年太陽(yáng)總輻射量為7000MJ/m2。柴達(dá)木盆地晴天多、利用期長(zhǎng),年日照小時(shí)數(shù)在3000h以上,是青海省日照小時(shí)數(shù)最長(zhǎng)的地區(qū),也是青海省日照百分率最大的地區(qū)。格爾木市平均每天日照時(shí)間接近8.5h,年均日照時(shí)數(shù)為3096.3h,年太陽(yáng)總輻射量為6600~7100MJ/m2,是柴達(dá)木盆地太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)之一。圖101為大唐格爾木光伏電站。(2)格爾木地區(qū)輻照數(shù)據(jù)分析。青海省規(guī)劃光伏電站場(chǎng)址區(qū)位于格爾木市東出口郊區(qū),選擇位于離場(chǎng)址最近的氣象站、格爾木氣象站作為氣象數(shù)據(jù)采集點(diǎn),格爾木氣象站位于格爾木市區(qū),距離規(guī)劃光伏電站場(chǎng)址相距約30km,雖然格爾木市近幾年發(fā)展較快,城市人口增長(zhǎng)較多,但由于城市總體規(guī)模較小,城市化特征不明顯。因此由城市化帶來(lái)的局部小氣候變化對(duì)太陽(yáng)輻射的影響幾乎沒(méi)有,格爾木氣象站與規(guī)劃光伏電站場(chǎng)址所在地的氣候環(huán)境基本一致,由于光伏電站場(chǎng)址與格爾木市氣象站地理位置接近,均位于格爾木市域范圍內(nèi),屬同一氣候帶,且氣候環(huán)境一致。兩地的太陽(yáng)高度角、大氣透明度、地理緯度、日照時(shí)數(shù)及海拔均很接近。因此,研究選擇格爾木氣象站作為太陽(yáng)輻射研究的氣象數(shù)據(jù)采集站,并將該站太陽(yáng)輻射資料作為光伏電站處理研究的依據(jù)。2)光伏電站輸出特性分析根據(jù)輻照度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、太陽(yáng)位置模型以及光伏電池模型可以計(jì)算光伏電站輸出,下面將分析某250MW裝機(jī)光伏電站的輸出特性,典型晴天輸出曲線如圖102所示。從圖中可以看出,晴朗天氣光伏電站處理形狀類似正弦半波,非常光滑,輸出時(shí)間時(shí)間集中在6:00~18:00之間,中午時(shí)分達(dá)到最大,而多云天氣由于受到云層遮擋,輻照度數(shù)據(jù)變化大,導(dǎo)致光伏電站輸出短時(shí)間波動(dòng)大。光伏電站每天開關(guān)機(jī)時(shí)間。假定輻照度大于120W/m2時(shí),光伏電站才開始輸出,光伏電站每天輸出時(shí)間集中在7:00~20:00,冬季輸出時(shí)間短,夏季輸出時(shí)間長(zhǎng),最大輸出時(shí)間為中午14:00(北京時(shí)間)左右。3)光伏電站輸出和負(fù)荷變化相關(guān)性分析(1)光伏電站年輸出與年負(fù)荷的關(guān)系。光伏電網(wǎng)上光伏電站輸出與負(fù)荷變化的相關(guān)性不強(qiáng),有些月份光伏電站的輸出與負(fù)荷變化相反,使得網(wǎng)內(nèi)等效負(fù)荷的峰谷差增大。光伏電站輸出最大和負(fù)荷最大,取決于電站位置和用戶位置及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展情況。以青海電網(wǎng)工業(yè)用電占主導(dǎo),2008年由于金融危機(jī)影響,工業(yè)用電大大減少,導(dǎo)致冬季負(fù)荷出現(xiàn)低谷,而多年運(yùn)行結(jié)果表明,青海電網(wǎng)冬季屬于負(fù)荷高峰期,總體上光伏電站輸出與月初負(fù)荷變化的相關(guān)性不強(qiáng)。(2)光伏電站輸出與日負(fù)荷變化的相關(guān)性。前面分析了年平均光伏電站輸出和負(fù)荷變化的相關(guān)性,給出了一個(gè)宏觀的概念。光伏電站的輸出和負(fù)荷的日變化特性更具有實(shí)際的應(yīng)用意義,對(duì)于其他電源調(diào)度曲線的安排有一定的參考價(jià)值。(3)結(jié)論及建議。①

青海省太陽(yáng)能資源非常豐富,年太陽(yáng)總輻射量可達(dá)5800~7400MJ/m2,規(guī)劃光伏電站場(chǎng)址位于格爾木地區(qū),每年日照小時(shí)數(shù)在3000h以上。由于格爾木氣象站距離規(guī)劃光伏電站場(chǎng)址非常近,而且氣候環(huán)境基本一致,兩地的太陽(yáng)高度角、大氣透明度、地理緯度、日照時(shí)數(shù)及海拔均很接近。因此,選擇格爾木氣象站作為太陽(yáng)輻射研究的氣象數(shù)據(jù)采集站,并將該站太陽(yáng)輻射資料作為光伏電站輸出研究的依據(jù)。②

格爾木地區(qū)水平面總輻照度夏季最高,而直射輻照度沒(méi)有明顯季節(jié)性,全年一半以上天數(shù)的最大直射輻照度超過(guò)1000W/m2,由于空氣透明指數(shù)好,散射輻射也很大,總體上格爾木地區(qū)太陽(yáng)能資源非常好。③

地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn),太陽(yáng)位置相對(duì)地平面來(lái)說(shuō)時(shí)刻在變,水平面和傾斜面的輻照度受太陽(yáng)赤緯角、時(shí)角和緯度的影響。對(duì)于傾斜表面,太陽(yáng)入射線和傾斜面法線之間的夾角入射角受傾斜面角度、太陽(yáng)高度角以及傾斜面方位角的影響。④

光伏電站具有間歇性、隨機(jī)性和明顯周期性。由于夜間光伏電站輸出一直為零,按全年時(shí)刻統(tǒng)計(jì),結(jié)果中小于10%峰值輸出的占很大比率,不考慮夜間輸出為零的情況下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示光伏電站輸出范圍很廣,從40%~90%峰值用電的概率都在10%以上;光伏電能日輸出最大值,集中在12:00~15:00之間(北京時(shí)間),這段時(shí)間輸出超過(guò)150MW(75%輸出)的累計(jì)概率達(dá)到60%,因此正午時(shí)刻光伏電站輸出百分比非常高,這是由當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射條件決定的;通過(guò)統(tǒng)計(jì),格爾木地區(qū)大輸出的晴天數(shù)占大多數(shù),光伏電站利用率很高,每天輸出時(shí)間集中在7:00~20:00(北京時(shí)間),冬季輸出時(shí)間短,夏季輸出時(shí)間長(zhǎng),最大輸出時(shí)間為14:00(北京時(shí)間)左右。電池板安裝角度按全年最佳安裝角度,光伏電站全年日最大輸出出現(xiàn)在3月、6月、7月由于陰雨比較多,日最大輸出受限,12月和次年1月日最大輸出最低。⑤

由于電網(wǎng)負(fù)荷的固有特性以及光伏電站輸出直接受輻照數(shù)據(jù)的影響,光伏電站輸出和青海負(fù)荷的日變化相關(guān)性和月均變化相關(guān)性都不強(qiáng)。2.區(qū)域電網(wǎng)的調(diào)峰能力及光伏承載能力分析光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和周期性的特點(diǎn),目前還不能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),光伏發(fā)電電力尚不能參與電力平衡進(jìn)入發(fā)電計(jì)劃安排。光伏發(fā)電電力的接納,只能按《可再生能源法》的要求,并網(wǎng)后由電網(wǎng)公司全額收購(gòu)。光伏發(fā)電只在白天發(fā)電,夜間輻照度為零,輸出也為零;日出后太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng),到中午時(shí)分達(dá)到高峰,光伏電站也隨著輻射增強(qiáng)而輸出增加,中午時(shí)分輸出達(dá)到最大,在光伏電站有輸出時(shí),電網(wǎng)中其他電源需要調(diào)整輸出,讓出負(fù)荷由光伏發(fā)電供電;當(dāng)云層飄過(guò)時(shí),光伏電站輸出迅速下降,其他電源的輸出必須相應(yīng)增加,補(bǔ)充光伏發(fā)電減少造成的電力缺額。這一天然特點(diǎn)決定了光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),必須由其它常規(guī)電源為其有功輸出提供補(bǔ)償調(diào)節(jié),以保證對(duì)用電負(fù)荷持續(xù)、可靠、安全地供電。這種對(duì)光伏發(fā)電有功輸出的補(bǔ)償調(diào)節(jié),可以看成對(duì)負(fù)的負(fù)荷波動(dòng)的跟蹤,對(duì)光伏發(fā)電的“調(diào)峰”。光伏發(fā)電準(zhǔn)備的可調(diào)容量,是電網(wǎng)接納光伏發(fā)電能力的考核條件之一。光