光伏模拟电源（精选7篇）
光伏模拟电源 篇1
摘要：鉴于传统双级式光伏阵列模拟电源结构复杂,功率小等问题,提出了基于PWM整流器的大功率光伏特性模拟电源。新型光伏阵列模拟电源以PWM整流器SVPWM双环控制为基础,对id,iq解耦控制,以电流环取代电压外环,以电流前馈补偿实现无静差控制。同时,给出光伏阵列模拟电源特性简单的测试电路,通过Matlab/Simulink仿真研究得到了P-V以及I-V特性曲线,实现了光伏特性曲线的模拟,满足工程应用的需要,进而证明了原理的可行性。
关键词：光伏阵列,数学模型,PWM整流器,大功率,模拟电源
随着光伏产业的迅速发展,光伏逆变器的地位愈加突出,光伏逆变器MPPT性能是很关键的指标,直接关系到光伏电站的发电量和投资回报,而MPPT研究很大程度上受到试验条件和测试设备的制约,尤其是光伏阵列模拟电源,而大功率的光伏阵列模拟电源价格昂贵,用于试验研究不经济。因此,研制光伏阵列模拟电源作为光伏发电系统相关研究的辅助条件具有一定的现实意义。
光伏阵列模拟电源不仅可以缩短光伏逆变器的研发周期,而且通过人为对温度、光照参数的控制,摆脱了环境因素带来的随机影响,增加了科学研究的可靠性。
1 光伏电池工程数学模型
根据图1规定的电压、电流参考方向,建立太阳能电池输出特性方程,如下式:
式中:Iph为光生电流;Io为二极管反向饱和电流;q为电子电荷;V为光伏电池输出电压;I为光伏电池输出电流;Rs为光伏电池的串联电阻;Rsh为光伏电池的并联电阻;n为二极管特性因子;T为光伏电池温度;k为波尔兹曼常数。
由式(1)知,光伏输出特性方程复杂,其参数与电池温度、光强有关,不易确定,不适于工程设计应用,故做如下简化:
1)通常Rs很小,Iph≈Isc;
2)Rsh非常大,对I影响很小,故(V+IRs)/Rsh可忽略。因此,光伏电池可简化模型为
2 光伏阵列模拟电源系统结构
目前,光伏阵列模拟电源主要有模拟式和数字式。模拟式一般只能实现中小功率的模拟;数字式,以DC/DC拓扑结构为功率电路,为满足大功率光伏系统的调试和研发要求,需要并联多个DC/DC环节以增大输出功率,不仅成本高,可靠性差,而且控制复杂。本文舍弃传统的AC-DC,DC-DC双级模式,采用单级AC-DC,研究了基于PWM整流器的大功率模拟电源,系统的拓扑结构如图2所示,其交流输入线电压为270 V。
3 光伏阵列模拟电源的控制原理
本设计通过光伏阵列数学模型,由给定的温度和光照,得到光伏特性曲线,以此作为模拟参考数据,其控制框图如图3所示。
基于PWM整流器SVPWM双环控制,以直流电流环代替电压外环,采样直流侧电压,经过数学模型得到参考电流idc_ref,由于系统器件为非理想器件,如IGBT有开通及关断损耗,为避免系统静差,加入直流电流idc的前馈补偿,经交直流侧功率等值换算,得出指令电流id_ref,进而达到控制目的,id_ref的换算公式如下。
不考虑系统损耗
将式(3)与式(4)代入式(2),可得
4 仿真及分析
4.1 光伏电池数学模型仿真
光伏电池关键参数为:Vm=583.2 V,Im=254.8 A,Voc=734.4 V,Isc=283.8 A。
由给定的4个参数,测试其分别在光照强度1 000 W/m2,900 W/m2,800 W/m2时的P-V、I-V曲线,如图4、图5所示。
4.2 光伏阵列模拟电源静态特性测试
模拟电源的静态特性仿真电路如图6所示,电容C=20 000μF,输出侧为线性电阻。光照强度为1 000 W/m2,温度为25℃,测试电阻R=2.3Ω时的输出电流波形,仿真时长为2 s。当t=1 s时,光照强度由1 000 W/m2迅速变到800 W/m2,结果如图7所示。由于模拟电源直流侧电压有一定的超调量,引起模拟电源产生尖峰电流,按光伏特性,光伏阵列数学模型随着电压的突增,电流迅速减小。t=1 s时光照强度突变,由于PWM整流器存在自然延迟[1],模拟电源输出电流缓慢减小。由图7可以看出,模拟电源输出电流能快速地跟踪由数学模型得到的指令电流,实现无静差输出。
4.3 光伏阵列模拟电源动态特性测试
为测试动态输出特性,文献[1]中给出了I-V曲线的测试电路,但该电路实质上测得的是PWM整流器的输出特性,并不能直接反映其I-V特性。本文给出简单的仿真测试电路如图8所示,电容C=20 000μF,输出侧为电阻与受控电压源的串联,电阻阻值R=0.8Ω,受控电压源电压从0 V逐渐增加到734 V,可等效为随时间变化的非线性电阻,测试温度为25℃,光照强度1 000 W/m2。图9、图10分别为其P-V,I-V曲线。图11为当t=0.7 s,光照由1 000 W/m2突变为800 W/m2时的I-V曲线。
由图9~图11可以看出,模拟电源对光伏电池阵列数学模型实现了稳定的跟踪,具有良好的动态特性。由于PWM整流器等效于一个升压电路,其直流输出电压大于网侧电压峰值382 V,因此电压输出范围受限在382~734 V,但对于MPPT等研究已经满足需求。
5 结论
本文基于光伏电池阵列数学模型,提出利用PWM整流器模拟大功率光伏阵列输出特性,并设计了控制系统,为光伏逆变器的研究提供支持,降低了研究成本;通过Simulink建立测试电路并进行仿真,基本实现了P-V,I-V曲线的复现,实现了电流的无静差输出,动态快速跟随,进而证明原理的可行性。
参考文献
[1]He Mingzhi,Liu Hongliang,You Xiaojie,et al.Research on Photovoltaic Array Simulator Based on the PWM Rectifier[C]∥IEEE ECCE,2009,9:302-306.
[2]冯玉,周林,傅望,等.光伏阵列模拟器综述[J].电气传动,2011,41(11):3-7.
[3]杜柯,段善旭,刘飞.基于Matlab的一种光伏阵列模拟器的研究[J].通信电源技术,2006,23(3):8-10.
[4]范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真[J].电气传动自动化,2009,31(3):19-21.
[5]廖志凌,阮新波.任意光强和温度下的硅太阳电池分线性工程简化数学模型[J].太阳能学报,2009,30(4):430-435.
[6]茆美琴,余世杰,苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J].系统仿真学报,2005,17(5):1248-1251.
[7]张兴.PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥:合肥工业大学,2003.
[8]陈裕云.光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法的研究[D].沈阳:东北大学,2009.
[9]周昶.光伏电池阵列模拟电源的研究与设计[D].上海:复旦大学,2010.
[10]王爽.数字式太阳能电池阵列模拟器的研究与设计[D].南京:南京航空航天大学,2011.
面包板太阳能光伏片电源 篇2
面包板电子制作, 如使用普通电池供电, 将会产生大批废旧电池;而且这些电池垃圾也将会对环境造成污染。随着太阳能电池日益普及, 能否在面包板制作和实验使用太阳能电池取代一次性电池呢?本文介绍一种用于面包板电路实验的太阳能光伏片电源装置, 电路如图1所示。
太阳能电池也叫太阳能光伏片, 它是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件, 也是一种半导体光电二极管。目前市场上的太阳能光伏片一般为硅太阳能电池, 转换效率约在10%左右。
业余条件下有多种太阳能光伏片可以选用。本电路电源主要用于面包板实验电路, 要求输出电压3~6V, 输出电流一般在10mA左右;故选用一种9V电压、标称100mA电流的光伏片供电。
电源的原理是将太阳能转换成电能, 储存起来, 以备进行电路实验时所用。一般可用蓄电池充电。考虑到本电路主要用于面包板电路实验, 所以采用电容器储存电能。
超级电容器简称超级电容, 也叫法拉电容、黄金电容, 是一种专门用于储能的特种电容器, 具有法拉级的超大电容量 (0.1~5000F) 。本电路采用一种耐电压5.5V, 容量1F的电容器。超级电容与电池比较, 主要优点是:阻抗低;寿命长, 充放电大于40万次, 没有“记忆效应”;充电速度快, 充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;电源电路简单, 不需要维护和保养。
电路输出3~6V直流电压, 为什么使用9V、100mA的光伏片呢?这主要是考虑到本机主要在室内使用, 光线较弱;为了能够在白天靠近窗户充电, 夜间在电灯光下充电, 使用输出电压较高的光伏片才能够满足所需。
超级电容的耐压为5.5V, 为了不至于在光线强的情况下长时间充电造成电压超过电容的耐压上限, 电路采用了稳压措施。电路在光伏片两端并联接入了两个串联的蓝色LED灯。蓝色LED的工作电压为3.3V, 两只串联则为6.6 V;这个电压通过二极管D1加到超级电容上, 可使充电电压上限稳定在6V左右;虽然超出超级电容器的耐压约0.5V, 但不影响电路的正常使用。
电路可提供的电流与供电时间成反比, 电流越大, 供电时间越短。如采用2F的储能电容, 那么放电电流为10mA, 放电电压从6V降到3V, 可以供电多长时间呢?可以用以下公式进行计算:
时间T=C (U1-U2) /I
其中, T为时间, 单位为s;C为电容器容量, 单位为F;U1为电容放电开始的电压, 单位为V;U2为电容放电结束时电压, 单位为V;I为放电电流, 单位为A。于是有:
时间T=2 (6-3) /0.01=600 (秒) =10 (分钟)
答案是可以供电10分钟。要注意, 以上是假设电路中放电电流保持在10mA不变的情况下的结果;如果实际情况不同, 放电时间要根据各种因素进行修正。
尽管超级电容可以给负载提供瞬时大电流, 但是它的直流内阻还是比较大的;如果用于交流电路, 应加旁路电容;电路中电解电容C3的作用可以改善超级电容电源的交流性能。
二、组装
组装面包板太阳能光伏片电源, 应选用一种圆柱型超级电容器, 它带有两个并列的引脚, 可直接插在面包板上, 如图2所示。
业余条件下可选用一种90mm×42mm的光伏片。其背面有两块敷铜板, 上面标有电池的极性。在太阳能光伏片的背面用红色、黑色两根引线分别焊接在电池的正极、负极电极上, 然后用双面胶把光伏片粘贴在一个KT板上。
根据所安装元器件的大小, 使用1/4的面包板即可;将面包板裁好, 并保留一个带有燕尾钩的下边条, 粘贴在KT板上的适当位置上。如图3所示。
稳压管用两只3mm的发光二极管, 按照电路将面包板太阳能光伏片电源组装好。然后将它置于太阳光下照射, 几分钟之后, 会发现蓝色的发光二极管变亮, 表示正在充电;可根据发光二极管的亮度判断充电程度。本装置在阳光下照射5分钟左右, 即可完成充电。
三、应用实验
将已经组装成功的面包板电路用燕尾槽与太阳能光伏电源装置固定在一起, 然后用面包插线从太阳能光伏片电源连接到实验面包板上, 就可以进行太阳能光伏片电源供电的实验了。
太阳能光伏片电源供电的实验电路如图4所示。工作电流为3mA左右, 本装置可以提供约40分钟的实验。这与计算结果基本相符。如果要增加光伏片电源的供电时间, 可以加大电容器的容量。
使用中发现, 本装置连续工作时间不能与电池相比, 但是它可以随时在日光或灯光下进行充电。目前太阳能光伏片电源的缺点是比较昂贵。
四、光伏片测量
如果拿到一个标称9V、100mA的太阳能光伏片, 可用电表测量出它的输出电压和短路电流。电压可用电压表的直流挡直接测量。短路电流则可用200mA挡测量。一组实测结果为:在晴天中午, 将光伏片垂直于阳光, 短路电流最大为55mA。光伏片的最大工作电流一般稍小于短路电流, 但相差不多;短路电流是设计太阳能光伏电源的重要依据。
太阳能光伏电源的研究与优化设计 篇3
太阳能光伏发电被誉为21世纪最具潜力的绿色产业之一, 在全球能源供需紧张、生态环境遭到严重破坏、环境质量急剧恶化的大背景下, 随着人们环保意识增强以及国家政策扶持等利好因素的推动下, 具有独特优势和巨大开发利用潜力的太阳能光伏发电以其建站周期短、维护简便、无须消耗燃料、能量取之不尽用之不竭等特点, 越来越受到人们的青睐。然而目前在降低成本、提高效率方面仍是非常值得我们研究的课题。本文拟从逆变器的拓扑结构、蓄电池容量和最大功率点跟踪几个方面对其进行系统的分析和设计。光伏系统的基本组成如图1所示。
1 逆变器的拓扑结构设计
1.1 升压环节拓扑结构比较
升压环节实际上是DC-DC开关电源, DC-DC变换器的拓扑很多, 但我们采用的DC-DC变换器是作为逆变电源的直流升压环节, 需要有电气隔离。
(1) 正激式。电路拓扑简单, 但是这种拓扑结构有许多不足之处。首先只能适合低压输入电路。其次, 主功率管一般采用占空比小于0.5。再次, 变压器工艺水平的高低将直接影响到电路的性能。
(2) 推挽式。电路结构简单, 但电路必须有良好的对称, 适合低压大电流场合。
(3) 全桥式。功率器件较多, 控制及驱动较复杂, 适合大功率场合。
(4) 反激式。电路形式与正激式变换器相似, 主功率管的承受的电压也相同, 只是变压器的接法不同。从输出端看, 反激式是电流源, 不能开路。
综合本文选择推挽变换方式。推挽电路结构简单, 适用于低压大电流的场合, 满足独立光伏系统的要求。
1.2 光伏发电逆变电源的系统结构
如图2为逆变电源系统结构图。输入的直流信号经过直流升压后滤波, 得到高压直流, 再经过逆变电路输出交流。直流升压采用推挽电路, 工作频率在50k Hz, 升压变压器采用高频磁芯材料, 因而体积小、重量轻;高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电, 再经高频整流滤波电路得到350V高压直流电。后级采用单相全桥逆变电路, 采用SPWM控制, 再通过滤波电路得到220V/50Hz交流输出。
2 控制电路设计
升压环节主电路如图3所示。由推挽逆变电路、输出整流滤波电路、控制电路以及保护电路构成。
本系统的推挽变换器中选择电流型控制方案。电流控制型具有快速的瞬态响应和高度的稳定性。此外, 电流控制型变换器还具有抑制变压器偏磁饱和的能力。
2.1 变压器设计
变压器设计的步骤是根据总的输出功率初步选定磁芯。本文先初步选定特定的磁芯、峰值磁通密度和工作频率, 然后来计算输出功率。如果输出功率不足, 则增大磁芯, 然后重新计算直到得到所需的输出功率。选定磁芯后, 计算原副边匝数, 确定绕线规格。
要求:
输入22V~28V
工作频率为50k Hz
输出功率为1000W
输出电压350V
额定负载时变换效率90%
输出电压纹波<200m V
过载过载110%能工作
2.2 功率的选择
推挽电路中开关管承受的最高稳态电压为两倍的最大输入电压VDs Mmax=2×28=56V, 考虑到变压器漏感引起的电压尖峰的影响, 一般要考虑一个系数k, 这里取为1.3, 即选择的MOSFET的电压必须大于1.3×56=72.8V。一般在低压时选择MOSFET。一般允许电压峰值时的电流峰值为最大值的3倍, 即为55.56×3=166.7A。查资料选用IXYS公司的IXFN230N10, 其参数如下:VDSS=100V, ID=230A, RDS=0.00652, to<250ns
3 蓄电池选择与设计
太阳能光伏系统的储能装置主要是蓄电池, 且蓄电池通常工作在浮充状态下, 其电压随发电量与用电量的变化而变化, 考虑到发电量、环境温度及光照天数等的影响, 目前广泛采用的是铅酸免维护蓄电池。
蓄电池的容量设计:
目前常用的蓄电池容量计算方法有以下两种:
(1) 电压控制法
按事故状态下直流负荷消耗的安时值计算容量, 并按事故放电末期或其他不利条件下检验直流母线电压水平。
(2) 电流换算法
按事故状态下直流负荷电流和放电时间来计算容量。该方法相对于电压控制法, 考虑了大电流放电后负荷减小的情况下, 电池具有恢复容量的特性, 该算法不需对电池容量进行电压校验。
本文采用容量换算法计算容量, 取电压系数为0.885, 则计算单个电池的放电终止电压为:
因此, 蓄电池容量的计算公式为:
式中CS为事故放电容量;KCC为容量系数;Krel为可靠系数, 一般取1.40。
4 最大功率跟踪设计
影响光伏逆变效率的两个主要原因:一是在将直流电流转换成交流正弦波时, 功率半导体发热会导致产生损失, 但通过改进开关电路的设计, 可使这一损失减至最低。二是凭借逆变器的控制经验来提高效率。本文采用恒定电压跟踪法
因光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压, 这就把MPPT控制简化为稳压控制, 这就构成了CVT式的MPPT控制。
CVT控制的优点是:控制简单, 易实现, 可靠性高;系统不会出现振荡, 有很好的稳定性;可以方便地通过硬件实现。控制流程图如图4所示:
5 结论
本文从理论上分析了太阳能光伏电源的普遍特性, 并针对性地进行了优化设计, 在实际应用过程中, 光伏电源的设计还要求考虑到实际需要来合理的选择太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、控制器和汇流盒等部件, 才能更充分的体现节能与环保。
摘要：针对目前太阳能光伏电源普遍存在的成本高, 效率低的现状, 本文针对性地从逆变器的拓扑结构、蓄电池容量设计和最大功率跟踪等几个方面进行了详细分析, 并完成了系统性的优化设计。
关键词：光伏电源,拓扑结构,逆变器
参考文献
[1]师宇腾.太阳能光伏阵列模拟器综述[J].电源技术, 2012, 2.
[2]刘志强.10k W光伏并网逆变器的研制[D].北京:北方工业大学, 2011.
[3]赵玉文.太阳能光伏技术的发展概况[C]//第五届全国光伏技术学术研讨会论文集.1998.
[4]林安中, 王斯成.国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景[J].太阳能学报, 增刊, 1999:68-74.
[5]汪海宁.光伏并网功率调节系统及其控制的研究[D].合肥:合肥工业大学, 2005.
光伏模拟电源 篇4
美国国家半导体董事长兼首席执行官Brian Halla表示：“50年来，美国国家半导体一直致力于开发稳定可靠的电源管理模拟芯片技术，而且凭借多年的技术优势成功地进入了太阳能光伏市场。SolarMagic电源优化器的问世促成了太阳能光伏产业的一次革新。SolarMagic技术不仅可以减少系统发电量的下跌，而且也可以协助太阳能系统厂商设计出外型更加美观的太阳能电池板，同时还可以提高太阳能发电装置的可预测性，并延长其使用寿命。此次SolarMagic创新技术的巨大潜力被业界认可，获得Intersolar大奖，我们深感荣幸。”
SolarMagic电源优化器
SolarMagic电源优化器充分利用了美国国家半导体的模拟电源管理芯片技术，旨在提升太阳能光伏电池板的发电量。该优化器利用分立式元器件将电能馈送至太阳能发电系统的各个组件，利用先进的算法及混合信号技术，一方面使每片电池板以最大功率点(MPP)运行，另一方面，SolarMagic可以智能地管理每片电池板，改善电池板中的电流流向，监察并优化每片电池板的发电量，确保其提升至最高水平。即使太阳能发电系统受制于阴影、碎片遮蔽以及电池板失配等实际环境因素的影响，这款电路仍可最大程度地降低发电量的下跌幅度。现场测试显示，SolarMagic芯片可将损失的发电量挽回57%以上。
对太阳能系统零售商而言，SolarMagic技术可以带来如下收益：
·令太阳能电池板的设计更具灵活性;
·全面提高太阳能光伏系统的稳定性;
·为现有的太阳能光伏系统添加增值功能;
·促进太阳能光伏系统的市场开拓 (SolarMagic技术使得适宜安装太阳能光伏系统的场所增加了25%) 。
对此，AEE Solar公司首席执行官David Katz评价：“美国国家半导体SolarMagic芯片的面世不但解决了阴影、不规则电池板设计等困扰太阳能光伏系统的问题，而且还消除了许多家庭对太阳能系统安装的顾虑，极大地拓展了太阳能光伏系统的市场。采用SolarMagic技术后，太阳能系统零售商不仅可以更加灵活地进行系统设计，无需墨守成规，而且还可以提高太阳能系统的发电效率。SolarMagic芯片的优点同时吸引了那些已经安装太阳能系统的客户采用这种新技术来提高原有的系统性能。因此，经销商们应考虑在现有的太阳能系统中嵌入这款新芯片，以便提升系统性能，满足客户的要求。”
HaWi公司首席执行官Hans Wimmer表示：“自太阳能发电技术面世以来，电池板失配的问题便一直困扰开发太阳能系统的公司，SolarMagic电源优化器为业界提供了一个创新的解决方案。这款电路的特别之处在于它可以方便地融入系统设计。我们在欧洲的太阳能系统零售商可以方便地在任何全新或现有的太阳能发电系统中嵌入SolarMagic芯片。”
携手尚德提升太阳能发电效率
美国国家半导体公司与全球最大的晶体硅光伏发电模块生产商尚德电力有限公司 (Suntech Power Holdings Co.Ltd.) 签署了一份技术合作备忘录。根据该备忘录，尚德公司将对美国国家半导体的SolarMagic TM技术进行评估，希望通过合作携手推动这项技术并开发新一代的解决方案。
美国国家半导体重要市场及业务开发部高级副总裁Michael Polacek表示非常荣幸能够与全球最大的晶体硅光伏发电模块生产商尚德公司合作：“尚德公司与美国国家半导体拥有同一愿景，即推动太阳能应用的普及。美国国家半导体拥有先进的模拟及电源管理技术，这些技术优势将有助于我们在太阳能市场的发展，从而不断开发出各种创新技术。”
尚德公司系统研发部副总裁Dr.Cai表示：“在太阳能领域，创新技术的成功开发有赖于多方的合作。我们很高兴能够有机会将美国国家半导体的SolarMagic技术应用于尚德的高效率太阳能电池板中。这种创新技术预计可大幅提高太阳能系统的发电量，进而推动太阳能系统的应用普及。”
基于SolarMagic技术的太阳能光伏发电系统
美国国家半导体公司与北美最大的太阳能服务供应商SunEdison LLC携手启动一系列现场测试，旨在提升太阳能系统的发电效率。
SunEdison公司采用美国国家半导体的SolarMagic TM电源优化器在加州对太阳能系统进行了一系列现场测试。测试结果显示，美国国家半导体的SolarMagic电源优化器可以确保单个电池板不受同组其他电池板的影响，独立实现最高发电效率。
美国国家半导体董事长兼首席执行官Brian Halla表示很高兴能与SunEdison公司合作：“该公司通过业内领先服务架构，为客户提供稳定可靠的电力服务。用户通过该公司高效的服务节省了大量电费开支。我们相信美国国家半导体的SolarMagic电源优化器可以进一步增强SunEdison公司的服务水平。”
SunEdison公司美洲区总经理Brian Jacolick表示：“SolarMagic技术可以大幅提升太阳能系统的发电效率，从而帮助我们的客户节省更多电费开支。我们将秉承SunEdison的优良传统，继续为客户提供更优质的太阳能服务，而美国国家半导体的先进模拟及电源管理技术可以进一步增强我们的竞争优势。”
光伏模拟电源 篇5
全球能源危机与环境污染引发了人类寻求新能源的迫切愿望。作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源, 太阳能愈发受到人们的关注。光伏发电利用光伏阵列将太阳能直接转化成电能。根据光伏发电是否和公共电网并网, 可以将光伏发电系统分为光伏独立发电系统和光伏并网发电系统。本文主要研究光伏并网发电系统的设计。
本文对一种单相两级式光伏逆变器进行了研究, 它由前级Boost DC/DC升压电路和后级逆变电路组成。为了缩短开发时间与提高可靠性, 逆变电路选用了三菱公司的IPM模块PS21265, 加上太阳能电池板、LCL滤波电路、驱动保护电路、AD采样电路、过零点比较电路、内部辅助电源供电电路等, 构成了光伏并网发电系统。文中给出了各个电路的设计以及重要元器件的参数选取方法, 最后设计制作了一台600W的光伏并网发电系统, 对样机进行试验测试, 结果符合设计标准要求。
1 单相光伏并网发电逆变系统的组成
光伏并网发电逆变器就是把光伏电池输出的直流电转化为交流电供给用户使用并接入国家电网的器件。此系统一般由主电路和控制电路组成。光伏并网发电逆变系统框图如图1所示。
本系统选用TI公司的TMS320F2812 DSP作为主控芯片, 在DC/DC环节实现追寻最大功率跟踪控制, 在DC/AC环节实现输出稳定的正弦交流电压[7]。其工作过程为:由光伏阵列送来的直流电经过DC/DC Boost电路升压, 进入全桥逆变主回路, 经逆变器转换为交流方波, 再经LCL滤波器滤波成为工频50Hz正弦电压。
设计采用单相两级式光伏并网逆变拓扑结构, 主电路结构如图2所示。
2 逆变电源硬件设计
本系统所选用的光伏阵列在白天正常日照的情况下, 输出电压范围为80V~120V。Boost电路输出电压约为350V, 驱动Boost电路的PWM波占空变化范围约为0.57~0.77, 频率为20k Hz。后级逆变电路输出额定功率为600W, 电压为工频50Hz的正弦交流电220V, 逆变器驱动PWM波频率为15k Hz。
2.1 前级DC/DC电路设计
光伏阵列输出特性为非线性, 而且受光照强度和环境温度等的影响较大。为使其能够最大程度地向外提供电能, 系统需要设计MPPT控制。系统通过调节Boost电路的占空比来实现光伏阵列的最大功率输出。在选用Boost电路中的开光管时, 考虑到MOSFET适用于低压、高频、小容量的条件下, 正好符合此次设计要求, 考虑到开通时寄生电感和电容振荡电压, 因此挑选了较为合适的SPW20N60C3型号的MOSFET。该芯片耐压为650V, 额定电流为20.7A。同时由于Boost电路中输出二极管D需要承受和输出电压等值的反向电压, 以及传导负载所需要的最大电流, 为此选用了耐压为600V的超快速整流二极管MUR3060。
2.2 后级DC/AC电路设计
智能功率模块IPM是由高速低功耗的IGBT管芯、优化的门极驱动电路以及快速保护电路组成的。不仅仅把功率开关器件及其驱动电路集成在一起, 而且还内装有欠压、过流及过热等故障检测电路。采用IPM模块作为逆变桥可以减少器件数目、缩短开发周期、减小系统体积、提高可靠性, 因而被广泛的应用。由于逆变电源的最大输出功率为P=600W, 输出电压有效值为220V, 考虑过载系数KA=1.5, 则输出的峰值电流为:
前级Boost的输出最大电压为Udc=350V, IPM耐压需超过350V, 根据上述参数计算结果, 考虑一定的安全系数, 留出充足的余量, 本逆变系统采用三菱公司的IPM模块:PS21265, 其最大耐压为600V, 额定电流为20A, 完全能满足本系统设计要求。
2.3 输出电压、电流采样电路设计
由于DSP的A/D转换输入电压范围为0~3.3V, 所以采样进来的模拟信号, 必须经过处理将其转化为0~3.3V。采用霍尔电压传感器LV25-P将输出电压变换为-2.75V~+2.75V交流电压, 经过跟随器隔离前后级, 然后再叠加上一个+2.75V的直流偏置, 得到0~5.5V电压, 再经过同相比例缩小到原来的1/2, 从而得到0~2.75V的直流电压, 该信号经过RC低通滤波送到DSP的A/D转换通道。
2.4 过零点比较电路设计
电网电压经过霍尔电压传感器LV25-P电路从有效值为220V的交流电变为有效值为3V的交流电, 经过由芯片LM324组成的电压跟随电路, 限压电路, 然后经过由芯片LM339组成的过零点比较电路, 最后输出占空比为50%、阈值电压为3.3V的PWM信号波形, 由于TMS320F2812 DSP处理器I/O口额定电压为3.3V, 正好将此输出信号接入DSP处理, 使系统输出电流波形实现同频同相跟踪电网电压波形。图3为过零检测电压频率跟踪电路原理图。
3 光伏逆变电源控制策略及软件控制流程
3.1 前级MPPT控制策略
常用的MPPT控制方法有:恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制法、最优梯度法等。考虑到设计的复杂性、周期性等, 本文所设计的逆变器的最大功率点跟踪控制采用的是测量参数少、实用性强的改进的变步长扰动观察法。
k时刻扰动变化步长ΔD (k) 的计算方法为:
ΔD (k) 为k时刻的扰动占空比变化步长, ΔP (k) 为k-1时刻到k时刻的光伏阵列输出功率变化量, ΔU (k) 为k-1时刻到k时刻的光伏阵列输出电压变化量, α为扰动步长因子, 是一常数, 可设为0.001。其中Um为光伏电池在标准测试条件下的最大功率点电压, 取Um=0.78 Uoc, Uoc为开路电压, ε为一较小的常量, 根据经验可设为0.5。其软件流程如图4所示。
3.2 倍频单极性SPWM脉宽调制策略
倍频单极性SPWM调制是通过把一个完整的单相全桥逆变器拆分成左右两个相同的半桥逆变器, 然后用两个极性互为相反的正弦调制波和双极性三角载波进行比较, 把比较后得到的SPWM功率管驱动信号分别控制这两个半桥逆变器。从而使逆变器桥的输出电压的脉动频率为功率管的开关频率的两倍, 这相当于使逆变器的输出电压产生倍频的效果。
正弦调制波ur与三角波载波uc的交点决定左桥臂上下两个功率管的通断时刻。当ur﹥uc时, 左桥臂的上管ug1导通, 下管ug2关闭, 结合图5所示, 可知此时A点电压uA=udc;当ur﹤uc时, 左桥臂的上管ug1关闭, 下管ug2导通, 此时A点电压uA=0。同理, 由正弦调制波-ur与三角波载波uc的交点决定右桥臂上下两管的通断时刻, 当-ur﹥uc时, 右桥臂的上管ug3导通, 下管ug4关闭, 此时B点电压uB=udc;当-ur﹤uc时, 右桥臂的上管ug3关闭, 下管ug4导通, 此时B点电压uB=0;输出电压uAB=uA-uB, 且输出电压的载波频率为功率开关管频率的2倍。倍频单极性SPWM脉宽调制原理如图5所示。
虽然采用此原理的调制方式对直流电压的利用率与常规SPWM相同, 但在相同的开关频率下, 此方式所产生的调制波的输出电压脉动频率增加了一倍, 其谐波含量减少了一半, 输出滤波电感的纹波电流频率增加了一倍。在随后的滤波环节中, 采用数值相对较小的电感和电容器件就能得到理想的滤波效果, 提高了系统的性能, 减少了设计的成本。本次设计正是采用此种倍频单极性SPWM脉宽调制方式。
3.3 并网电流与电网电压同频同相控制策略
电网电压同步信号捕获中断子程序流程如图6所示, 捕获中断子程序主要完成过零处的并网控制、相位的同步检测功能。根据图3的过零点检测硬件图, 当出现高电平的时候, 是正弦波的下半波形, 当出现低电平的时候, 是正弦波的上半波形。因此, 在软件设定时, 采用CAP2的下降沿触发, 捕获中断定时器T2设定频率为10k Hz。
当DSP的捕获单元两次捕获到经过过零点检测电路后的脉冲信号下降沿时, 计算电网频率, 使产生SPWM调制波时使用的定时器T1计数周期T1PR改变, 使并网电流频率与电网电压频率相同。同时, 使计数寄存器T1CNT初始化, 正弦表指针归零, 实现相位跟踪。这样可以实现并网电流与电网电压同频同相控制。
3.4 电压、电流双闭环反馈控制策略
本文全桥逆变电路采用输出电容电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈控制策略。电压、电流双闭环反馈控制框图如图7所示。双闭环反馈控制的主要工作原理是:外环采用的是输出电压环, 将输出电压反馈值Uf与DSP程序内的参考正弦电压Uref相比较, 其误差信号经电压外环比例积分 (PI) 调节器后的输出iref作为内环电感电流环的参考给定值;经电感电流采用电路得到的反馈值if与电流参考给定值iref比较, 其电流误差信号作为内环电流比例 (P) 调节器的输入量, 电流调节器的输出信号再与三角载波交截后产生SPWM开关信号, 控制逆变器中的功率管的开通与关断。
电压电流双闭环反馈控制传递函数框图如图8所示。图中, kif、kuf分别为电感电流iL、输出电压u0的反馈系数。ku、T分别为外环电压控制器的比例常数和积分常数, ki为内环电流控制器的比例常数。
4 实验结果与分析
本工作组设计了一台600W户用型单相光伏并网发电逆变器样机, 并对样机进行测试, 利用Tektronix DPO2024型号的数字示波器观察测试结果。由于该示波器无法显示220V工频电压波形, 因此采用Tektronix P5200A高压探头衰减波形来观察。
图9 (a) 为逆变器输出波形与滤波器输出波形图, 从图中可以看出经过全桥逆变器后的脉冲波又经过LCL滤波器成为工频正弦波, 效果很好。
图9 (b) 为电网电压波形与过零点检测输出波形图, 电网电压经过霍尔电压传感器LV25-P变换输出电压为-2.75V~+2.75V交流电压, 经过过零点检测电路变为占空比为50%的脉冲波, 然后将此脉冲波输入给DSP进行同频同相跟踪。由图可以看出, 所得到的脉冲波波形良好。
图9 (c) 为并网电流与电网电压频率相位跟踪过程波形图。系统从开始运行到稳定经历了几个过渡波形来实现同频同相功能与电压、电流双闭环反馈控制等系统调节, 从图中可清楚地看到并网电流与电网电压频率相位跟踪过程, 最终实现两者的同频同相。
图9 (d) 为并网电流与电网电压同频同相波形图。这是最终实现稳定后的并网电流与电网电压同频同相图, 从图中可以看到本设计的效果良好, 达到设计要求。
从波形中可看出, 此次设计的光伏并网电源工作稳定, 性能良好, 满足设计要求。
5 结束语
本文提出了一种基于TMS320F2812 DSP的光伏并网发电逆变电源的设计方法, 分析了整个系统的结构与原理, 详细介绍了逆变电源的硬件设计方法与控制策略。通过采用倍频单极性SPWM调制方式能够极大地改善逆变电路的谐波特性, 通过过零点检测硬件电路与软件的配合实现了并网电流与电网电压的同频同相功能, 通过PI双闭环控制策略提高了系统的稳定性、可靠性等。工作组设计制作了样机, 其测试结果表明文中系统的设计方案的正确性与可行性。
参考文献
[1]刘永梅, 王金宇, 盛万兴.光伏发电概述[J].新能源, 2011, 8 (3) :55-56.
[2]刘迪, 陈国联.单相两级式非隔离型光伏并网逆变器的研制[J].电源学报, 2011, 3 (2) :29-33.
[3]肖鹏, 陈国呈, 吴春华.一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略[J].上海大学学报:自然科学版, 2008, 14 (6) :633-636.
[4]程军照, 吴夕科, 李澍森, 等.采用Boost的两级式光伏发电并网逆变系统[J].高电压技术, 2009, 35 (8) :2048-2052.
[5]李琛.基于倍频单极性SPWM调制的逆变电源系统研究[J].宁夏工程技术, 2009, 8 (3) :197-200.
[6]王耀北, 闫英敏, 胡玉贵.DSP控制的IPM正弦逆变电源系统硬件电路设计[J].集成电路, 2005, 215 (24) :103-105.
[7]靳海亮, 付周兴.基于DSP的光伏最大功率跟踪技术的研究[J].电子器件, 2013 (1) :90-93.
[8]石昆, 章坚民, 李阳春, 等.基于DSP的三相光伏并网逆变器控制系统设计与实现[J].电子器件, 2011 (3) :273-277.
[9]杨帆, 彭宏伟, 胡为兵, 等.太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨[J].电子器件, 2008 (4) :1081-1084.
[10]靳亚丽, 郑恩让, 张晓娟.基于TMS320F2812光伏并网SVPWM逆变系统的设计[J].电子器件, 2012 (6) :731-735.
[11]Gonzalez R, Lopez J, Sanchis P, et al.Transformerless Inverter for Single-Phase Photovoltaic Systems[J].IEEE Trans.On Power Electronics, 2007, 22 (2) :693-697.
光伏模拟电源 篇6
1发展太阳能住宅前景广阔
我国很多地区日照时间较长, 是太阳能资源较丰富的地区, 造就了大力开发利用太阳能的先天条件。房地产业作为一个能源消耗的大户, 迫切需要从传统的开发模式进行改变, 就是大量地、尽可能地利用太阳能。这种能源的利用可以为社会和消费者节省更多的能源方面的支出, 也能从实际上落实构建和谐社会的要求。因此, 房地产贯彻节能住宅的思想其中一条最重要的就是采用节约能源, 除了通过对建筑应用有效的手段节能外, 节能的重要渠道是开发利用太阳能。
随着生活水平的提高, 人们对生活环境的舒适度的需求也越来越高, 其中空调、采暖和热水是3个主要方面。这3方面目前消耗着大量常规能源, 并严重污染环境, 同时由于城市中采用常规空调越来越多, 排出大量热气而形成热岛效应, 对城市气候也产生不良影响。
2太阳能光伏电源在住宅工程上的应用
2.1太阳能光伏电源在照明系统中的应用
在这里我们着重介绍下独立光伏发电系统。独立光伏发电系统是以太阳电池作为主供电源, 由太阳能电池方阵、接线箱、控制器、逆变器、输出配电柜、蓄电池组和支架等组成的可完全独立运行的交流电源系统。太阳能光伏电源系统为固定安装, 供电可用率99.9% 以上。太阳能光伏电源系统的设计计算主要依据现场实际情况, 为满足符合能量的需求, 在系统设置地点的日照条件和环境温度等情况下, 优选出合适的太阳能电池方阵和蓄电池容量, 并使系统中所有设备相互匹配, 保证系统的合理性和适用性。一个完善的太阳能光伏电源系统需要考虑多种因素进行设计, 如电气性能设计、热力设计、机械结构设计等, 对地面应用的独立电源系统来说, 最主要的是根据使用要求, 决定太阳能电池方阵和蓄电池规模, 以满足正常工作的需求。
太阳能光伏电源系统总体设计原则是在保证满足负载用电量需要的前提下, 确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量。通过技术经济分析, 合理确定太阳能电池组件数量和蓄电池容量、包括安全性、可靠性等诸多方面的要求。系统配置的设计主要考虑2种因素: (1) 根据负荷需求, 环境参数和太阳能光伏电源系统部件的电气参数, 选择不同的系统部件。 (2) 需要确定的数据主要包括:安装地点的日照辐射、太阳能电池方阵倾斜面的日照辐射、环境温度参数。系统电压、负荷能量需求, 最大和平均的放电电流。控制器、逆变器调节特性与参数, 太阳能电池组件和蓄电池的特征参数和系统供电可靠性和供电电源可用率。
下面就北京某个住宅小区进行阐述, 小区建有40～50 m高塔楼6座, 南北楼间距20～40 m。在相邻建筑物之间将无法获得有效日照时数或有效日照时数将大打折扣。因此社区内的照明灯具除将采用太阳能集中供电方式, 即在建筑屋顶安装太阳能光伏电站, 以便使照明灯具获得充足的电力供应。系统配置:太阳能电池方阵, 该社区内太阳能光伏电源系统总装机容量4 560Wp, 选用保定天威英利新能源公司生产的120 (17) D优质单晶硅电池组件38块。该组件采用高效率晶体硅太阳电池片, 转换效率≥14%;使用寿命≥20年, 衰减小;采用无螺钉紧固铝合金边框, 便于安装, 抗机械强度高;采用高透光率钢化玻璃封装, 透光率和机械强度高;采用密封防水的多功能接线盒;具有良好的耐候性, 防风。防雹;可有效抵御湿气和盐雾的腐蚀, 不受地理环境影响。太阳能充电控制器:该太阳能光伏发电系统选用德国Steca公司生产的Power-Tarom2140控制器2台。Power Tarom系列充电控制器, 均带有直流输出功能, 可为直流负载供电。可以详细反映蓄电池的状态, 以此调整充电电压和电流, 使其完全符合蓄电池充电的实际需要, 提高充电效率, 达到快速、平稳充电的目的。
采用该套太阳能充电器, 为以后系统的扩容打下了基础;同时, 该控制器还可以存储光伏发电系统的各项运行数据, 这为评估系统的各项性能提供了可靠的依据。1) 逆变器:直流12 V/24 V输入, 交流220 V输出;纯正正弦波输出 (THD≤4%) , 输入与输出完全隔离设计, 效率高达88%～94%;指示灯显示输入电压与负载功率, 兼具多种保护功能, 负载控制风扇冷却。2) 蓄电池:蓄电池组选用广东叵达蓄电池总厂TOYO单体, 12 V 200AH阀控式铅酸蓄电池。密封阀控免维护铅酸蓄电池与传统的敞开型电池比较, 具有以下优点: (1) 密封程度高, 电解液不会轻易流动, 所以电池可以横放; (2) 密封阀控免维护铅酸蓄电池的极板栅采用无锑铅合金, 电池的自放电系数很小; (3) 电池的正负极板完全被隔离板包围, 有效物质不易脱落, 使用寿命长; (4) 密封阀控免维护铅酸蓄电池的体积比老式的电池小, 而容量却比老式敞开型电池高; (5) 电池在长期运行中无需补充任何液体, 同时在使用过程中不会产生酸雾、气体、维护工作量极小; (6) 电池的内阻很小, 大电流放电特性好。
设计安装实例:屋顶一体化太阳电池方阵的结构, 具体结构参见图1。
方阵支架方位角的设计:一般情况下, 太阳能电池方阵应面向正南安装, 固定式支架倾角设计:根据年发电量计算结果, 倾角定为38°。安装方式设计:固定式、结构简单, 安全可靠, 安装调试及管理维护都很方便。蓄电池组的安装方式:蓄电池组由单体蓄电池、蓄电池支架、连接线及铜母排等组成。蓄电池组安放在蓄电池室内, 同时要求与电池组件有较近的直流传输距离。安装蓄电池的地点应干燥、清洁, 必须有良好的通气、排风条件, 电池远离热源或易产生火花处, 其安全距离要大于2 m, 避免阳光直射。根据电池安装面积以及电池极限负荷重量, 选择相应的电池组安装方式 (地面安装或叠层安装) 。
避雷、防雷及接地保护的设置场地防雷;方式为避雷带。将金属导体沿被保护物顶部轮廓敷设, 并保持适当距离, 消引雷电荷, 避免直接雷击。直流侧的防雷:控制器内部有防雷击保护;系统接地保护:雷电保护系统的接地电阻应符合DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的要求 (一般不应大于10 Ω) ;线路接地系统应符合DL/T62—1997《交流电气装置的接地》的要求, 以及DL499—92《农村低压电力技术规范》的技术要求 (一般不应大于4 Ω) 。
电源控制柜的安装:光伏系统的效率分析及发电量预测光伏阵列效率:光伏阵列在1 000 W/m2太阳辐射强度下, 实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换与传输过程中的损失包括:1) 组件匹配损失:对于精心设计、精心施工的系统, 约有4%的损失;2) 太阳辐射损失:包括组件表面尘埃遮挡及不可利用的低、弱太阳辐射损失, 取值5%;3) 偏离最大功率点损失:如温度的影响等, 取值4%;4) 直流线路损失:按有关标准规定, 应小于3%。计算得:η1=96%×95%×96%×97%=85%。逆变器的转换效率:逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比对于进口逆变器, 可取η1=87%;控制器以及逆变后交流线路损失, 取值3%。系统的总效率等于上述各部分效率的乘积:η=η1×η2×η3=85%×97%=72%。4 560Wp光伏系统发电量预测依据:北京地区太阳辐射量、系统组件总功率为4 560Wp、系统效率为72%。光伏阵列倾角等于38°, 固定式安装;年发电量约6 657 kW·h;20年的总发电量约为119 826 kW·h, 年平均发电5 991 kW·h (按20年输出衰减10%计算) 。20年节电119 826 kW·h, 按每kW·h燃煤0.4 Kgce计算, 减少燃煤47.930 tce, 减少煤灰、CO2, SO2等排放244 975 kg, 发挥了一定的环保效益。
2.2房太阳能光伏电源的采暖与供热技术
大力推动建筑结构设计中加入太阳能利用技术, 既考虑对太阳能的“光电应用”, 也考虑“光热应用”。太阳能供暖/生活热水系统的工作原理图, 如图2所示。
其一就是利用现在的太阳热水器的分体技术, 设计以太阳能真空管为组件的屋顶和外挂墙壁, 进行热水供应。其二是生产以太阳能集热保温板为主的供暖系统。在一些示范大楼上, 这些技术已经得到良好的应用, 北京某住宅集太阳能制冷、供暖、热水、发电于一体, 空调、采暖和制冷都可以靠太阳能来实现, 住宅的太阳能空调制冷、采暖和热水综合系统主要由管式真空管集热器、溴化锂吸收式制冷机、储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、开水箱、冷却塔、风机盘管、自动控制系统等组成。夏季, 真空管集热器向溴化锂制冷机提供高达88 ℃左右的热水, 通过制冷机产生8 ℃左右的冷水, 冷水流经风机盘管向房间提供冷风。冬季, 集热器将水加热到40～60 ℃, 再通过风机盘管向房间提供热风。大楼内还局部使用了地板采暖系统。楼上集热器提供的热水, 直接流经预置在地板下的管路, 为房间供暖。过渡季节, 这个系统作用太阳热水器可提供大量生产和生活用水, 同时, 这个系统可全年提供开水。该系统经近半年的试运行, 各方面正常, 冬季室温保持在22 ℃左右, 满足规定的采暖高于18 ℃的需求。
3国外太阳能住宅发展现状
鉴于太阳能住宅明显的节能效果和不污染环境的优点, 国外很多地方开始建造太阳能住宅。在德国巴伐利亚州的雷根斯堡地区已经开始了整栋居民楼共建太阳能供暖系统的行动。德国建造了很多太阳能住宅。目前在德国, 不仅小型楼房可以使用太阳能供暖供水, 而且集体住宅和多户型的别墅也能使用太阳能。最近又有报道说, 慕尼黑市的一家城市居民住房公司已经开始用太阳能住房取代传统住房。这意味着无力自建住房或购买住房的租房群体和低收入家庭, 也开始逐步享受免费的太阳能暖气供应和热水供应。慕尼黑市政府的做法是, 改造先从便宜的租房开始, 因为那里的住户是享受国家住房补贴的人群。
对这些住房改造的投资, 实际上是为国家减轻负担。否则国家要拿出相当一部分资金补贴他们的供暖和供水。
4结语
当前我国房地产市场的竞争已经进入品质竞争时代。依托技术进步, 全力提升住宅的性能、功能、环境乃至物业管理水平, 是开发商在市场竞争获胜的法宝。因为唯有高品质的住宅才能让人们真正享受到环保、节能、安全、舒适的健康生活。
发展节能省地型住宅既是我国国情决定的, 也是近两年国家极力倡导的产业政策。综上所述, 这项住宅产业政策能否得以顺利推广和全面实施, 既取决于各级政府推广和扶持的力度, 更取决于开发商的思想觉悟和对住宅产业发展所肩负的社会责任的认知程度。
参考文献
[1]庄惟敏.建筑策划导论[M].北京:中国水利水电出版社, 2000.
[2]罗伯特.G.赫仕伯格.建筑策划与前期管理[M].汪芳, 李天骄, 译.北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[3]庄惟敏, 李道增.建筑策划论——设计方法学的探讨[J].建筑学报, 1992 (7) :429.
[4]庄惟敏.从建筑策划到建筑设计[J].新建筑, 1997 (3) :28-31.
光伏模拟电源 篇7
由于太阳能资源地理分布的差异性[1],大规模光伏发电集中式接入电力系统是我国光伏并网的重要形式[2,3]。 这种并网形式是通过专用的送出线路将大中型光伏电站接入电网中。 人们对光伏系统的故障电流特性已有一定的认识[4,5,6],但仍未见针对光伏电站送出线路故障特性的研究,针对风能、太阳能等新能源接入电网引起的电网特性问题的分析还有待进一步完善[7,8,9,10,11,12]。 由于光伏电站的故障电流受到光伏逆变器低电压穿越(LVRT)控制的限制[13],且单个光伏电站的容量占所接入系统容量的比例很低,光伏侧的故障电流受限是该线路不同于常规线路的最大特性,该特性会对送出线路现有继电保护的动作特性产生严重影响。
光伏电站送出线路配备快速动作的主保护和线路两侧的后备保护。 根据现行规定,一般情况下,专线电网接入公用电网的光伏电站宜配置光纤电流差动保护作为主保护[14],10 k V和35 k V送出线路配置阶段式电流保护作为后备保护,而110 k V送出线路的后备保护一般为距离保护和零序电流保护[15]。
目前尚未见到关于光伏电站送出线路继电保护的分析与研究。 因此,本文分析送出线路继电保护的动作性能,考察现有保护配置是否存在问题,并利用光伏发电系统电磁暂态模型进行仿真验证,提出保护配置的建议,具有一定的实际意义。
1光伏送出系统故障特征分析
电网故障期间,为保证光伏逆变器具备LVRT能力,控制环节必须对电流进行限幅,以保护电力电子开关器件不过流。 限制故障时电流的大小一般不超过逆变器额定负载电流的1.1倍[16],即故障期间电流不会显著增大,这会对依靠电流大小门槛值来识别故障的保护造成严重的影响。 当送出线路故障时流过光伏送出侧保护安装处的故障电流与故障前的正常电流接近,故电流保护Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常动作,电流保护Ⅲ段元件按常规方法整定也难以可靠动作,而流过系统侧保护安装处的故障电流与光伏电源特性无关,故系统侧电流保护可以正常动作因此,送出线路的光伏侧电流保护在区内故障时拒动,而系统侧电流保护可以正常动作。
一般情况下,光伏电站所接入系统的短路容量至少为光伏电站额定容量的20~30倍,故送出线路故障时系统提供的短路电流一般至少为额定负荷电流的20~30倍。 因此,系统与光伏电站提供的故障电流大小相差悬殊,光伏电站的弱电源特性十分显著。
图1为某110 k V光伏电站送出线路故障示意图,保护1和保护2分别为光伏侧和系统侧的距离保护,Rg为过渡电阻,Ipv和Is分别为光伏电站和系统提供的故障电流。
设Is滞后Ipv的相位角 θ [-180°,180°],两者倍数比M为:
θ 与光伏逆变器的LVRT控制方式和故障严重程度密切相关。
a. 当逆变器在故障期间发送无功 ( 规程要求光伏电站在故障期间提供无功支撑)时,一般有 θ<0° 发送的无功功率越多,Ipv的无功电流分量越大,则Ipv的相位越滞后,θ 越小。
b. 当逆变器在故障期间仅发送有功 (实际运行的光伏电站在故障期间往往无功支撑能力不足)时, 一般有 θ>0°。 这是由于光伏电站的送出变压器和各光伏发电单元的升压变压器都要消耗无功,而光伏电站的无功补偿装置(电容器、动态无功补偿装置等) 受母线电压下降和装置响应速度不够快的影响,在故障期间补偿的无功功率不足,光伏电站要从外界吸收一定的无功。 光伏电站从系统吸收的无功越多,则Ipv的相位越超前,θ 越大。
c. 故障后Ipv的相位变化要经历一个暂态过程, 导致 θ 变化不定。 这是由于逆变器的控制器中锁相环的响应有暂态过程。 锁相环的作用是提取逆变器出口处的电压相位作为控制器的参考信号。 故障越严重,锁相环的暂态响应波动越剧烈;当故障特别严重时,逆变器出口电压降得很低,锁相环的输入信号太小,其响应难以达到稳态,θ 在-180°~180° 范围内变化。 故障的严重程度受过渡电阻、故障点位置和故障类型的影响。
而M约等于系统短路容量与光伏电站额定容量的比值。 光伏电站容量占接入系统的容量比例越小, 则M越大,一般至少为20~30,比一般线路大得多。
设光伏侧保护1的测量电压为Um,保护安装处到故障点的线路压降为Uk,过渡电阻上的压降为Ug, 其中光伏侧和系统侧的故障电流在过渡电阻上产生的压降分别为U′g和Ug″,则上述电压 、电流之间的关系为:
由式(1)、(2)不难看出:
其中,U″g和U′g分别为U″g和U′g的幅值。 由于M很大,所以U″g比U′g大得多,因此,过渡电阻上的压降Ug主要由系统故障电流Is产生的压降U″g形成,则光伏侧测量电压Um主要是过渡电阻上的电压。
特别强调,光伏电站的上述弱电源特性主要体现在非接地故障中。 从图1可以看出,光伏电站本身在不接地方式下运行,零序网络仅包含送出变压器和送出线路。 当送出线路发生接地故障时,光伏侧的零序阻抗是变压器的零序阻抗,与光伏电站无关,其大小远小于正、负序阻抗,因此零序电流较大,这使得两侧电流幅值比M比不接地故障时小得多。
参考西北地区某110 k V光伏电站实际参数在PSCAD / EMTDC上搭建图1所示光伏送出系统的模型。 该光伏电站电源接入容量为50 MW,系统短路容量Sk= 1 500 MV·A(取最小运行方式 ),送出线路长度L=15 km,线路阻抗z1= 0.132 + j 0.385 Ω / km。 经计算,送出线路的额定负荷电流IN= 262.4 A。
给定该光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式,光伏电站出力为额定功率的80%。 当送出线路中点K1处发生过渡电阻为3 Ω 的三相短路故障时,Ipv和Is的幅值分别为245 A和5 204 A,得M = 21.2,同时测得 θ 达到稳态后为 -62.5°。 而Um、Uk、Ug的幅值分别为9.30 k V 0.15 k V和9.21 k V,由此可见,Uk幅值很小,Ug是Um的主要分量。 A相Ipv和Is的瞬时值如图2所示。
将光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略改为故障期间发送定有功电流的方式,其他条件不变,故障期间Ipv和Is的相角差 θ 变为105°,其变化范围比一般线路大得多。 该故障条件下2种控制策略下的变化如图3所示。
将故障类型改为单相接地故障,其他条件不变测得相应故障回路的两侧电流幅值比M=5.9。 受零序电流的影响,与非接地故障时相比,单相接地故障下的M要小得多。
2光伏送出线路保护动作性能分析
2.1电流差动保护
当光伏送出线路故障时,电流差动保护所采用的两端故障电流分别由光伏电站和系统提供。 光伏电站送出线路配置的是分相电流差动保护,采用两端电流的相量和作为动作量,在理论上不受电源类型、过渡电阻和运行工况的影响,可瞬时切除区内故障。 图4为电流差动保护的动作特性(k为斜率),动作方程如式(4)所示。
其中 , 差动电流; 制为最小启动电流 。
当送出线路发生区内故障时,由于光伏电站的弱电源特性,系统侧故障电流幅值Is远大于光伏侧故障电流幅值Ipv,Ipv几乎可以忽略。 送出线路的故障类似于单端电源线路故障,差动保护的灵敏度(差动电流与制动电流的比值)很低,故弱电源特性降低了电流差动保护的灵敏度。
2.2距离保护
由于系统提供的故障电流远大于光伏电站提供的故障电流,下面分析故障位置不同时距离保护因过渡电阻影响可能产生的问题。
a. 区内故障可能拒动。
区内故障时,距离保护因没有耐受过渡电阻能力而可能拒动。 图5为送出线路中点K1处(见图1) 发生区内相间故障时,光伏侧距离保护拒动的示意图。 图中,Zm为测量阻抗,Zk为保护安装处点Op到故障点K1的线路阻抗,测量电流Im= Ipv;实线圆为距离保护Ⅰ段的方向圆动作特性,虚线圆为Zm可能的取值组成的轨迹。 各物理量的关系满足式(5)。
由图5可知,当线路中点K1处发生区内故障时, 尽管过渡电阻Rg很小,但由于M(M= ︱Is/ Ipv︱)很大, 故偏移矢量的模值可能比故障线路阻抗的模值还要大 , 则测量阻抗Zm可能落在动作区外 , 导致距离保护元件拒动 。
此外,由于受故障条件和光伏逆变器LVRT控制方式的影响,光伏侧故障电流Ipv的相角不确定。 因此,两侧故障电流的相角差 θ 也不确定。 测量阻抗Zm落在以点A为圆心、MRg为半径的圆轨迹上。
显然,一般线路的距离保护虽然也受到过渡电阻的影响,但由于M较小,θ 也较小且固定,Zm的偏移一般不会过大,偏移方向较固定,可通过改善距离保护元件的动作特性来提高其耐受过渡电阻能力。 然而,对于光伏电站送出线路,由于两侧故障电流的幅值比M很大、相角差 θ 不确定,测量阻抗Zm受过渡电阻的影响远比一般线路的距离保护要大。 由图5可知,不论 θ 的大小和变化情况,只要M较大, 距离保护元件就极易在区内故障时拒动。
b. 区外故障可能误动。
下级线路区外故障时,距离保护元件因没有耐受过渡电阻能力而可能误动。 图6为送出线路下级出口K2处(见图1)发生区外相间故障时,光伏侧距离保护误动的示意图,图中各物理量含义与图5相同。
由图6可知,当下级出口K2处发生正方向区外故障时,尽管过渡电阻Rg很小,但由于系统侧与光伏侧故障电流的幅值比M很大且相角差 θ 不确定, 偏移矢量的模值很大 、 方向不确定 , 测量阻抗Zm落在以点C为圆心 、MRg为半径的圆轨迹上 。 测量阻抗Zm很有可能落在动作区内 , 导致距离保护元件误动 。
此外,系统侧距离保护在K2处故障时也可能发生反方向故障的误动,参考图6便可作出其动作特性图,在此不再赘述。
由图6可知,距离保护元件在区外故障时的误动发生在 θ > 0° 时;当 θ < 0°,距离保护元件可能拒动, 但不会误动。 因此,距离保护元件误动发生在严重故障后的暂态过程中或逆变器在故障期间仅发送有功的条件下。
由以上分析可知,光伏电站送出线路距离保护在光伏侧极易发生拒动和误动,在系统侧极易发生反方向故障的误动。 显然,这些误动和拒动均是由于距离保护的测距原理未考虑对端故障电流受过渡电阻的影响而造成的,一般均假设保护安装处电流与故障电流同相位,通过改进保护的动作区域提高耐受过渡电阻能力。 而在光伏送出线路中,系统侧故障电流与光伏侧故障电流间较大的幅值比M与不确定的相角差 θ 严重放大了原理性误差的影响,导致很小的过渡电阻也会造成距离元件的不正确动作。
c. 接地距离保护元件的耐受过渡电阻能力大于相间距离保护元件。
由第1节的分析可知,送出线路接地故障中的零序阻抗远小于正、负序阻抗,故零序电流成为故障电流的主要分量,缩小了两侧故障电流幅值的差距,M比不接地故障时小得多。 因此,接地故障时,测量阻抗因过渡电阻产生的偏移较小,接地距离保护元件比相间距离保护元件可耐受更大的过渡电阻。
综上所述,光伏电站提供的故障电流远小于系统提供的故障电流,导致送出线路距离保护耐受过渡电阻能力差,易发生误动与拒动。
3仿真算例
用图1所示的模型对光伏电站送出线路的保护动作性能进行仿真验证。 光伏侧和系统侧距离保护 Ⅰ段均为方 向圆特性 , 定值均为 线路阻抗 的85 % (5.189∠71.1° Ω)。 设定图1中光伏电站模型的逆变器的LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式。
送出线路电流差动保护的动作情况见表1。 在不同的故障类型和过渡电阻下,区内故障时均可靠动作,区外故障时均可靠不动作,动作的准确性完全不受光伏故障电流特性的影响。
然而,由于故障中Is比Ipv大得多,Ipv可忽略不计,则ID≈Is、 IB≈Is。 尽管电流差动保护可正确判断区内外故障,但由于光伏电站的弱电源特性,光伏侧故障电流很小,差动电流ID与制动电流IB接近,故差动保护的灵敏度降低。
表2和表3分别为送出线路中点K1处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。 表2、3中BCG故障取BG回路测量阻抗 ,ABC故障取BC回路测量阻抗;某些严重故障情况下测量阻抗没有稳态值,单下划线表示暂态过程中某一时刻对应的测量阻抗值,而其余测量阻抗均为稳态值;双下划线表示该动作结果不正确,后同。
由表2和表3知,当无过渡电阻时,测量阻抗准确反映了保护安装处到故障点K1的线路阻抗Zk,两侧距离保护元件均正确动作。 当过渡电阻为0.5 Ω 时,系统侧的测量阻抗几乎未发生偏移,而光伏侧测量阻抗偏移到了动作区外。 当过渡电阻为5 Ω 时,系统侧的测量阻抗在某些类型的故障下也偏移到了动作区外。 由此可见,光伏侧距离保护元件在区内故障时耐受过渡电阻能力极差,很小的过渡电阻便会引起很大的测量误差,造成保护拒动。 系统侧的距离保护耐受过渡电阻能力较强,在送出线路全长阻抗只有6.105 Ω 的情况下仍可耐受几欧姆的过渡电阻。
由表2和表3还可以看出,光伏侧距离保护的耐受过渡电阻能力在接地故障时强于相间故障时,但仍然比系统侧距离保护弱。
需要指出,两相短路接地故障的2个接地回路比相间回路耐受过渡电阻能力强,原因是接地故障回路中主要分量为零序电流,两侧测量电流幅值比M较小。 以表2中过渡电阻为0.5 Ω 的BCG故障为例, BG和CG回路的保护可以动作 ,但BC回路的测量阻抗为11.546∠-22.4° Ω,BC回路的保护显然拒动。
将光伏电站模型的逆变器LVRT策略改为故障期间发送定有功电流的方式,表4和表5分别为送出线路的下级出口K2处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。
表4中,该故障对于光伏侧距离保护而言是正方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗落在了动作区内,即发生了稳态超越。 因此,光伏侧距离元件在正方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生稳态超越,引起误动。 表5中,该故障对于系统侧距离保护而言是反方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗却朝反方向增大, 落在动作区内。 因此,系统侧距离保护在反方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生反方向故障的误动。
需要特别指出的是,弱电源特性对距离保护元件耐受过渡电阻能力的影响问题在光伏送出线路上表现得尤为突出,但其影响不仅仅限于光伏送出线路而是涉及到所有的弱电源送出线路。 一侧故障电流受限会极大地降低距离保护的耐受过渡电阻能力。
4保护配置建议
上述分析揭示了光伏电站送出线路现有保护受弱电源特性的影响性能下降的问题,需要改进保护配置方案,以满足送出线路安全运行的要求。
送出线路的主保护仍应采用电流差动保护。 由于电流差动保护在光伏电站送出线路上可正确动作,故除了110 k V送出线路之外,现有规程要求在10 k V或35 k V的低压光伏电站送出线路上也要配备电流差动保护,以取代不能正确动作的电流保护和距离保护作为主保护。 唯一需要注意的是,光伏电站故障特性降低了差动保护的灵敏度,因而应按单电源线路对送出线路差动保护进行整定。
送出线路的后备保护应重新配置如下。
a. 对于接地故障,仍采用现有的零序电流保护从图1可以看出,零序网络仅包含送出变压器高压侧和送出线路,零序电流保护与光伏电站的电源特性无关,仍然可正确动作。
b. 对于相间故障,系统侧仍可采用电流保护 ,而光伏侧可考虑配置低电压保护。 由于光伏电站为电网的弱电源端,当故障发生时,相应故障回路的电压显著降低。 低电压保护的配置原则是:当送出线路发生区内故障时,应动作于跳闸;当电网或光伏电站内部故障时,应可靠不动作。 低电压保护的时间整定值应能躲过系统中发生的区外故障。 当系统中发生区外故障时,其动作延时应与下级线路后备保护的动作时间相配合。 此外,光伏侧保护应加装方向元件避免光伏电站集电线路或送出变压器故障时发生反方向误动。
5结论
本文就弱电源特性对光伏电站送出线路继电保护的影响进行了详细的分析和仿真验证,得出以下结论。
a. 弱电源特性使光伏送出侧电流保护在区内故障时不可用。
b. 弱电源特性不影响电流差动保护的正确动作,但降低了差动保护的灵敏度。
c. 弱电源特性使相间距离元件耐受过渡电阻能力极差,在实际中不可用;接地距离元件耐受过渡电阻能力也较差。