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        太陽能發電 Ⅵ ——關于光伏并網系統的幾個關鍵問題

        有關伏發電系統逆變器部分的應用拓撲,為了滿足效率和諧波的要求,目前大多廠家都采用三電平的逆變拓撲。今天我們就來聊聊有關光伏并網發電技術的關鍵性的幾個問題:①三電平拓撲和中點電位平衡;②電網的孤島檢測;③電網不平衡條件下的控制方式;④光伏系統的低電壓穿越。

        01三電平拓撲結構和中點電位平衡

        與隔離型光伏并網系統相比,非隔離型光伏并網系統由于不含低頻或高頻變壓器,所以體積較小,重量輕,成本低以及轉換效率高等優勢,因而在國內外得到了廣泛的應用。但是,由于光伏陣列面積很大,其對地的寄生電容也就很大。功率器件的高頻開關導致了高頻共模電壓的產生,從而在光伏電池板寄生電容、逆變器以及電網組成的回路中形成高頻共模電流,我們也稱為漏電流。高頻漏電流不僅會相應地帶來傳導和輻射干擾,增加進網電流地諧波含量和系統損耗,甚至影響設備和人員地安全。所以,共模的抑制也就成為了非隔離光伏系統不可避免的一個問題。NPC三電平拓撲(這里指I型NPC)的逆變器輸入端接光伏陣列時,光伏陣列輸出端對地雜散電容上的電壓是恒定的,不存在共模電壓的問題,即不存在裝置對地漏電流,提高了系統的安全性。

        但是,二極管鉗位三電平拓撲結構存在幾個問題,一個就是中間兩個開關器件的開關次數要多余兩端的開關器件,導致在同一個橋臂內開關器件的損耗不一致。二是中點電壓的波動,中點電壓的波動不僅會使輸出波形發生畸變,嚴重的話會損壞開關器件,甚至影響系統的正常運行。

        針對這些問題,其他的拓撲,例如ANPC、T-NPC也得到了廣泛應用,ANPC的功率損耗分布可以靈活的調節,有利于大功率場合的散熱設計,但是控制比較復雜,器件成本較高;至于選擇怎樣的拓撲,還得看各家的取向和關注點,不可否認的是,兩電平的也還存在著,沒有唯一確定的拓撲。

        關于中點電位不平衡,我們一般將之分為低頻振蕩和電壓偏移兩類。其中當三電平逆變器接非線性負載時,電流的奇次諧波和接線性負載時輸出的負序電流都會引起中點電位的低頻振蕩;當三電平逆變器接非線性負載時,電流的偶次諧波會引起中點電位的偏移。當聯接在直流母線上的上下電容電壓偏差過大時會造成輸出電流波形畸變率增大,同時系統的低次諧波含量也會增大;當然,當不平衡的現象過于嚴重,就有可能造成功率開關器件的失效。

        02電網的孤島檢測

        目前,關于孤島的檢測方法,可以分為逆變器側和電網側兩大類。其中,逆變器側的檢測方法又分為被動式和主動式兩類。

        被動式檢測通過對公共耦合點的 電壓幅值、頻率、相位、諧波含量等進行檢測,看它們是否異常來判斷是否發生孤島。該方法的優點:對電網無干擾,對電能質量沒有影響,僅僅是利用已有的檢測參數來進行判斷,無需增加硬件成本;而且在多逆變器同時并網運行時,檢測效果不會發生變化。缺點:難以確定閾值,檢測盲區較大。主要用于負載頻率變化不大,且逆變器的輸出功率與本地負載不匹配的場合。

        為了克服被動式檢測方法的缺點,主動式的檢測方法得到發展。主動式檢測是指在逆變器運行過程中,通過控制使其輸出存在周期性擾動。當電網正常運行時,由于電網的平衡作用使得逆變器的輸出和電網保持一致,擾動量不起作用;當電網斷開后,這些擾動量將會逐步累計,直至超過并網標準中規定的指,從而檢測出電網發生故障。主動移頻法是最常用的主動式孤島檢測方法,包括主動頻率偏移法、Sanda頻率偏移法以及滑模頻率偏移法等主動式孤島檢測法。

        電網側的檢測法我們也稱之為遠程檢測法,采用無線通信手段來檢測斷路器的開關狀態。通過安裝在光伏系統側的接收器接受來自電網側發生的載波信號,根據這些信號的變化來確定是否發生孤島;當電網斷電時發送孤島狀態信號給并網逆變器使其斷開與電網的連接。該方法的優點:檢測準確可靠,沒有檢測盲區;適合于單臺和多臺逆變器的孤島檢測;其性能和光伏系統的裝置類型無關,不會對電網的正常運行造成干擾。缺點:需要增加設備,實現成本較高,操作復雜。

        最終,孤島檢測的目標是:檢測速度越快越好,在消除檢測盲區的基礎上,盡可能減小檢測方法對逆變器輸出電能質量造成的影響。

        03電網不平衡條件下的控制方式

        分布式發電系統通常呈現弱電網狀態,當出現電網電壓不平衡的情況時,由于常規控制方案不能處理負序分量,這將會影響到系統內并網逆變器的正常工作。為確保系統在電網電壓不平衡且含諧波時逆變器仍能繼續并網工作,必須從優化鎖相環和控制不平衡兩方面入手。

        針對鎖相環,大多是基于不平衡和帶諧波電壓的檢測方法,其中最常用的方法是濾波法和陷波法,這兩種都是以消除二次分量為目的。也有些文章提出延遲法,基本原理是采用對稱分量法和正負序特性分析方法得到正、負序分量,但是響應速度受到引入的延時時間限制。

        此外,當電網電壓不平衡時,由于并網逆變器負序電流和負序電壓的存在,將使得逆變器直流側產生二次紋波電流和紋波電壓,嚴重影響三相逆變器的控制性能。特別是在逆變器需要利用直流母線實現MPPT時,這種紋波產生的跟蹤誤差將影響逆變器的發電效率,為此必須引入不平衡條件下的控制算法。常用的對稱分量分析法可以根據瞬時功率平衡條件求出消除變換器交流側正序、負序指令電流信號,但是其采用的正序旋轉坐標變換中的負序指令電流表現為二次正弦量,采用PI調節器沒有辦法實現對負序電流的無差跟蹤控制,會影響到系統的控制性能。

        04光伏系統的低電壓穿越

        光伏系統的低電壓穿越功能是指在光伏并網點電壓跌落的時候,光伏逆變器能夠保持并網,甚至向電網提供一定的無功功率來支持電網的恢復,直到電網恢復正常的工作狀態,從而"穿越"這個低電壓區域。

        低電壓故障會使傳統控制算法的光伏并網逆變器電網側電壓突降,交流側和直流側存在瞬間功率不匹配,導致直流母線電壓突然增加,同時交流側的并網電流也急劇增大。當電網跌落程度較深時,會造成直流母線電壓超過額定值,交流電流超過額定值,一般這種情況就采取停機保護了,但嚴重時會導致功率開關器件因過流而燒毀。如果光伏并網系統的容量和常規發電廠容量相比較小時,在電網發生故障后,光伏并網系統可以采用脫網的方式來保證系統安全;如果兩者容量相比不能忽視時,在電網發生故障后,光伏并網系統大規模脫網不僅導致系統有功功率大量減少,還會增加整個系統恢復的難度,同時還可能加劇故障,甚至是大規模停電。

        所以,各個國家針對光伏系統并網都會指定相關的標準,否則不允許并網。比如我國國家電網公司推出的《光伏電站接入電網技術規定》指出:①針對小型光伏電站應將光伏系統當作負載來看,在電網電壓發生異常時應盡快切除;②針對大中型光伏電站應將光伏系統當作電源來看,需要具備一定的承受電網頻率和電壓異常的能力,能夠為保持電網穩定性提供支持,要具備一定的低電壓穿越能力。

        今天的內容主要聊了光伏發電系統里面的幾個關鍵性的問題,并沒有展開聊具體的細節,那個就太龐大了,下面可能會具體聊聊三電平拓撲結構的光伏逆變器。希望大家能夠喜歡~

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