分布式光伏发电自动化控制技术分析

分布式光伏发电自动化控制技术分析

王龙

（广州艾博电力设计院有限公司广东广州510080）

摘要：分布式光伏发电是可再生能源利用的重要途径之一，在能源环境日益严峻的今天，分布光伏发电的研究和实施也在不断深化。尤其是近些年，世界各国纷纷制定了分布式光伏发电的建设补贴和电价优惠政策，使得分布式光伏发电建设迎来了春天。我国在2009年推行“金太阳”和光伏建筑工程后，分布式光伏发电项目己初具规模。

关键词：分布式；光伏发电；自动化控制技术

引言

光伏发电除了节能清洁，还有很多优点，这几年，光伏产业在我国迅猛发展，光伏发电系统也得到了很大的发展，出现了容量不同，规模各异的系统，其中，分布式光伏发电常用于中小功率的屋顶光伏发电系统中。在分布式光伏发电系统中，提倡就近原则，就近发电，就近转换，就近并网，就近供电，如此，可以大大提高光伏发电系统的发电量，减少电能损耗。

一、分布式光伏发电系统结构

1、独立发电系统

独立发电系统不与电网相连，可以独立运行，对一些边远地区的电力供应进行补给，例如家庭照明、医院冷藏系统、供水系统等离网供电设备，该系统的利用，有效的解决了这些地区的供电问题，然而，由于该系统受到环境影响较大，当光照强度和环境温度发生变化，太阳能电池的输出特性发生较大改变，系统运行的稳定性较差，且发电设备需要定期维护，费用较高。

2、并网发电系统

光伏阵列通过汇流设备到逆变器，逆变器将光伏所发电能转换为与接入点公用电网一致的电压、频率和相位的电能。该系统中逆变器不但要有转换电能形式功能，还要具有防孤岛、防逆流等并网所需功能。光伏电站按照不同的接入点，可以分为不同电压等级的接入方式和不同用途的发电方式。在控制和设备方面比独立光伏发电系统要求要高，但是并网光伏系统由于把公用电网作为了蓄电池，所以并网光伏系统大大节省了光伏电站的建设成本，适合应用在公用发达地区、城市工厂屋顶等可接入公用电网的地区。

二、分布式光伏并网发电系统的基本原理

1、光伏逆变器

逆变器也叫做逆变电源，通过逆变器可以将直流电能转化成交流电能，是太阳能光伏发电系统的重要部件。按照输出波形、主电路拓扑结构、输出相数等的不同，逆变器及逆变技术有以下几种分类：

（1）根据电压频率的高低：低频逆变器、工频逆变器、中频逆变器和高频逆变器。输出频率为50Hz和60Hz的叫做工频逆变器：频率在400Hz~十几KHz的叫做中频逆变器：输出频率高于500KHZ的叫做高频逆变器。

（2）根据负载是否有源：有源逆变器、无源逆变器。

（3）根据输出交流电相数：单相逆变器、三相逆变器以及多相逆变器。

（4）根据逆变电路中功率开关管的类型：晶间管逆变、电力晶体管逆变、电力场效应晶体管逆变以及绝缘栅双极晶体管逆变。

（5）根据主电路的拓扑结构：单端式、推挽式、半桥式以及全桥式逆变器。

（6）根据直流侧电源性质逆变器：电压型以及电流型逆变器。

（7）根据电路控制方式：脉冲频率调制的逆变器和脉冲宽度调制的逆变器。

（8）根据输出的波形：正弦波输出逆变器以及非正弦波输出逆变器。

2、最大功率点跟踪控制

对光伏阵列的输出功率进行实时检测，使用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗来满足最大功率输出的要求。当光伏电池的温度升高时，阵列的输出功率就会减少下，这种状况下，系统仍然可以在当前工况下进行最佳状态的运行，在最大程度上保证输出电能的大总量。

为了方便理解，将光伏阵列的输出特性绘制成图1所示。

假定图中曲线1和曲线2是两不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线，A点和B点分别是两条曲线对应的最大功率输出点。假定某时刻系统运行处于A点，逐渐增大光照强度，假定光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。这个时候，如果保持负载1不变，系统将运行在A'点，如此就偏离了相应光照强度下的最大功率点。所以，为了保持系统工作处于最大功率点，应该对应的将系统的负载特性由负载1变化至负载2。同样的道理，如果光照强度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2变为曲线1，则相应的最大功率点由B点变化到B'点，应当相应的调整负载2至负载1以保证系统在光照强度变化的情况下始终运行在最大功率点A处。最大功率点跟踪的主要方法有：恒定电压法、电导增量法、扰动观察法、模糊逻辑控制法、滞环比较法、最优梯度法、基于梯度变步长的电导增量法等。

三、分布式光伏发电自动化控制技术

1、综合自动化

综合自动化系统有光伏电站综合自动化以及并网系统综合自动化两种，两者之间既有差异也有联系，前者主要为光伏发电企业服务，后者主要为电力系统调控中心服务，两者的结合点在分布式发电并网接口装置。不仅集成了保护、测控、电能质量分析的功能，还可以进行规约转换、远动，为光伏运行监控主站、调度主站和分布式光伏发电设备之间建立了连接通道，既能够向光伏发电企业运行监控主站和电力系统调度中心上送遥信、遥测、电度、电能质量等信息，还可以接受主站的遥控分合闸、遥调等命令，同时又能对下转发遥调、启停等命令，并接收光伏逆变器控制器上送的相关遥信信号。

2、并网集控

系统按照职能分为如下分区：分布式光伏子站、前置采集子系统、运行监控子系统、高级应用子系统、WEB发布子系统。系统详细考虑了电力二次安全防护的要求：主站和子站之间采用了经国家认证的纵向加密软件进行加密运行监控子系统和WEB、生产管理系统之间采用正向隔离装置进行安全防护WEB、生产管理系统和外网之间加装防火墙进行安全防护运行监控子系统和中调EMS系统之间加装防火墙进行安全防护系统中的SCADA服务器、前置服务器、历史数据服务器、WEB发布服务器均采用双机配置，前期建设的时候考虑到接入容量较小、节约成本，可以先使用单机方式配置，后期可以扩展为双机。

3、计算机监控

计算机监控系统有以下几种类型：开放式分层、分布式结构，主要有站控层、网络层和间隔层。计算机监控系统通过远动工作站跟调度中心进行通讯连接。

站控层：全站设备监视、测量、控制、管理的中心，通过光缆或屏蔽双绞线与间隔层进行相连。主要设备包括以下几种，主机操作员工作站、远动工作站、网络交换机、通信管理机、打印机、GPS时钟等；

间隔层：根据电气设备的不同，将其分别布置在对应的开关柜内，当站控层及网络处于失效状态的时候，间隔层依然能够独立完成间隔层设备的监视以及断路器控制功能。间隔层主要设备有全分散式的智能汇流箱数据采集处理装置、并网逆变器监控单元、环境参数采集仪以及电站一次设备所用的保护、测量、计算等二次设备。

网络层主要设备有网络设备及规约转换接口等；

结语

在能够电网对输出有功功率的条件要求下，系统能够自动对逆变器进行功率输出模式进行控制，根据条件自动选择恒功率模式、恒电流模式、恒电压模式以及最大功率点跟踪模式4种工作模式。以最大限度提高运行经济效益。

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