5MW太阳能并网发电系统

15MW太阳能并网发电系统1.太阳能并网发电系统简介太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是21世纪最具吸引力的能源利用技术。与离网太阳能发电系统相比，并网发电系统具有以下优点：（1）利用清洁干净、可再生的自然能源太阳能发电，不耗用不可再生的、资源有限的含碳化石能源，使用中无温室气体和污染物排放，与生态环境和谐，符合经济社会可持续发展战略。（2）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池，比独立太阳能光伏系统的建设投资可减少达３５％一４５％，从而使发电成本大为降低。省掉蓄电池并可提高系统的平均无故障时间和蓄电池的二次污染。（3）光伏电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物质资源充分利用发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，并且还使建筑物科技含量提高、增加“卖点”。（4）分布式建设，就近就地分散发供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，并可降低线路损耗。（5）可起调峰作用。联网太阳能光伏系统是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展趋势，市场巨大，前景广阔。2.并网发电系统的原理及组成太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两部分组成。如图1所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。2图1：原理框图2.1太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.6伏左右的电压，远低于实际使用所需电压。为了满足实际应用的需要，需要把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。如一个组件上，太阳能电池的数量是36片串联，这意味着一个太阳能组件大约能产生21.6伏左右的电压。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。2.2直流/交流逆变器将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池发出的是直流电，而一般的负载是交流负载，所以逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。3.5MW太阳能并网发电系统设计3.1设计总方案（1）并网系统可以分为低压并网系统(即局域并网系统)和高压并网系统。低压并网系统特点在于太阳能光伏发电系统通过并网逆变器和一些电力保护装置连接到局域电网的配电盘上,其电力与电网电力混合在一起向负载供电,多余或不足的电力通过局域电网来调节。高压并网系统特点在于太阳能光伏发电系统发的电逆变成交流后通过升压变压器直接被输送到高压电网上,由电网把电力统一分配到各个用电单位,大型太阳能光伏发电站采用这种形式。局域并网系统的优点就是就地发电就地使用,很适合家庭、住宅小区和办公楼太阳能光伏发电,不但节省了长距离大容量的输电线缆和线损,而且故障可以就地解决。这种系统不使用蓄电池,配置比较简单,施工方便,系统自身损耗的电力少,所发电力的收得率可达90%以上，因此采用并网发电方案，如图2所示。3图2：设计总方案（2）考虑到并网系统在安装及使用过程中的安全及可靠性，在并网逆变器直流输入加装直流配电接线箱。（3）并网逆变器采用三相四线制的输出方式。3.2电池组件及方阵支架的设计3.2.1电池组件选用电池片型号为SE-180M，主要参数为：输出功率180Wp、最佳工作电压36V、最佳工作电流5.0A、开路电压48V、短路电流5.3A，共需要27778片。太阳能电池由16块串联成1路，共35路，需要180Wp规格组件560块电池片总功率为：180x16x35=100800Wp。太阳能电池方阵的主要技术参数为：（1）工作电压580V，开路电压768V；（2）工作电流175A，短路电流185A；（3）转换效率大于16%；（4）工作温度-40℃～90℃。太阳能电池方阵的主要特点：（1）采用高效率晶体硅太阳电池片，转换效率高：≥16%；（2）使用寿命长：≥25年，衰减小；（3）采用无螺钉紧固铝合金边框，便于安装，抗机械强度高；（4）采用高透光率钢化玻璃封装，透光率和机械强度高；4（5）采用密封防水的多功能接线盒。3.2.2方阵支架及光电场设计太阳能电池支架采用混凝土标桩、槽钢底框、角钢支架、支架倾角20度。3.3并网逆变器3.3.1并网逆变器要求一般的家庭、办公室、工厂等大多数用交流电源，但太阳能发电是供给直流电。如果要把交流电、太阳能电池、蓄电池联系起来，就必须先把直流变为交流，这类装置称为逆变器。但在实际应用逆变器时，不单纯是个电流变换的问题，还必须同时考虑到频率、电压、电流、相位、同步、有功功率、无功功率、电能质量等问题。因此，这是一个特殊的逆变器，它至少具备如下的控制功能。①系统的自动启动和关闭——应根据日照情况和规定的日照强度，在使太阳能发出电力能有效利用的限制条件下，对系统进行自动启动和关闭。②最大功率点跟踪控制——随着太阳能电池温度变化和日照强度的变化，相应的输出电压、电流也变化。这时应自动控制使太阳能电池的输出功率始终保持最大值。这个环节称为最大功率跟踪控制，又称MPPT控制。这是保证了太阳能发电系统高效工作的最重要环节。③防止单独运行——系统侧虽然已停电，但由于太阳能继续供电，逆变器的输出电压并未改变，此时如不能正确检测出是否停电，一旦再恢复来电就有可能造成事故。这种情况称为单独运行。为保护设备维修人员不受到伤害，系统应设置保护功能。④电压自动调整——太阳能发出的富裕功率要反馈电网，称逆潮流供电。但在某种情况下，逆变输出点的电压上升可能会超过交流电网电压，故应有自动调整装置，使逆潮流电压与市场电网电压相等。⑤事故时的系列关断——系统侧或逆变器本事均有可能出现事故，当检测出不正常信号时，应安全地将系统脱开或完全地关断。3.3.2设计原理图设计原理采用如图3所示的电路。由并网逆变器、MPPT功率控制、工频变压器、电源、同步电压取样、IGBT驱动、智能控制环节、传感器等组成。5图3：并网逆变器主框图并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网。逆变器自带的显示单元可显示太阳能电池方阵电压、电流，逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态、异常报警等各项电气参数。同时具有标准电气通讯接口，可实现远程监控。具有可靠性高、具有多种并网保护功能（比如孤岛效应等）、多种运行模式、对电网无谐波污染等特点。根据以上要求选用德国进口LineBack∑100KW并网逆变器。本逆变器的特征如下：（1）无变压器，实现了小型轻量化。（2）功能模块化，可根据需要制定出合理的安装模块。（3）有自立运行功能。停电时自动进行自立运行，向负荷供电。（4）自立运行或者并网运行时有相同容量的功率。（5）由显示单元，可显示输出功率、累计电量、运行状态及异常等内容。（6）带有通信功能，使用GS标准计量软件，可由PC机计量其电流、电压等值。（7）可全自动运行。（8）主要技术参数为：额定容量：5MVA；直流额定电压：400V，直流额定电流：600A；直流电压输入范围：400V―600V；交流输出功率因数0.99，频率50Hz，三相AC220V；输出电流失真度：THD＜5％，各次THD＜3％；逆变器效率＞95%。3.3.3并网逆变器控制设计：6并网逆变控制器采用图4原理，将来尽可能集成化，采用单片机实现智能控制。图4：并网逆变器控制图3.4最大功率点的跟踪(MPPT)控制3.4.1引言太阳能电池在工作时，随着日照强度、温度的改变，其端电压将发生变化，使输出功率也产生很大的变化。故太阳能电池本身是一种不稳定的电源。如何能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，这就在理论和实践上提出了太阳能电池阵列的最大功率点跟踪问题。在常规的线性系统电气设备中，为了使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可获得最大功率。对于一些内阻不变的供电系统，可以用这种外阻等于内阻的简单方法获得最大输出功率。但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，因而处在不断变化之中。从而不可能用上述的简单方法来获得最大输出功率。目前所采用的方法是在太阳能电池的阵列和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率，来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。最大功率点的跟踪(MPPT)控制是一个自寻优过程，通过控制太阳能电池阵列端电压，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。3.4.2MPPT控制的几种不同算法1.功率扰动观察法扰动观察法的原理是先给你个扰动输出电压信号(UI+ΔU)，再测量其功率变化，与扰动之前功率相比，7若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一(+ΔU)方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则往反(-ΔU)方向扰动，流程如图5所示。此法的最大优点是在于其结构简单，测量参数少，通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大；缺点在于初始值UI以及跟踪步长ΔU的选取对跟踪精度和速度有较大的影响，且有可能在最大功率点附近振荡，导致部分功率损失，有时还会发生程序控制在运行中的失序，出现“误判”现象。图5：功率扰动法流程图2.增量电导法微扰观察法是通过调整工作点电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现太阳能电池最大功率跟踪的。这种方法并不知道最大功率点大致在什么方向。增量电导法避免了微扰观察法的盲目性，可以判断出工作点电压和最大功率点电压之间的关系。它的最大优点是当日照强度变化时，太阳能电池的输出端电压能以平稳的方式追随其变化，其电压的晃动教小。3.滞环比较法这是一种带反馈的PWM控制方式，如图6所示，即每相电流反馈回来与电流给定值经滞环比较器，得出相应桥臂开关器件的开关状态，使得实际电流跟踪给定电流的变化。该方法的优点是电路简单，动态性能好，输出电压不含特定频率的谐波分量。它避免了在扰动法中因太阳日照不会快速变化而引起多余的扰动可能带来的损失的缺陷。8图6：MPPT控制电路4.最大功率跟踪的模糊控制模糊控制的原理是以模糊集合理论、模糊语言及模糊逻辑推理为基础的控制，它是模糊数学在控制系统中的应用，是一种非线性智能控制。它利用人的知识对对象进行控制，通常用“if条件，then结果”的形式来表示，所以又称语言控制。它的核心部分是模糊控制器。其过程是：微机采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E；一般选误差信号E作为模糊量可用相应的模糊语言表示，从而得到误差E的模糊语言集合的一个子集e；再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u。其中u=eR。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u进行非模糊化处理转换为精确量。得到精确数字后，经数模转换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行第一步控制，然后进行第二次采样，完成第二步控制……这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。5.应用人工神经网络进行太阳能电池最大功率点的控制太阳能电池的特性可以用一下四个方程来描述：0[1exp(/)]shcIIIqUAkT(301)/100phshiIIkTc30(/)exp[/(1/1/)]orcrgorcIITTqEBkTT9caTTh以上述的方程为基础，根据检测出的直流电流和质量电压可以测