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太陽能光伏發(fā)電與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究
[ 通信界 | 魏運(yùn)軍 劉釗 汪建軍 | www.6611o.com | 2024/3/23 19:34:38 ]
 

魏運(yùn)軍,劉 釗,汪建軍

(中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,湖南 長沙 410000)

0 引 言

能源是社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心,促進(jìn)光伏發(fā)展系統(tǒng)研究,加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)光伏領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)控制優(yōu)化,這是目前可持續(xù)化生產(chǎn)應(yīng)用的重點(diǎn),主要研究太陽能儲存能量的技術(shù),以提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)[1]。通過分析太陽能光伏與儲能系統(tǒng)的配對應(yīng)用,開發(fā)高效的儲能設(shè)備,改善能量的存儲方式和釋放效率,提高能源的利用率,促進(jìn)可再生能源的利用和發(fā)展。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 太陽能光伏技術(shù)

1.1.1 光-熱-電轉(zhuǎn)換方式

光伏電池也稱為太陽能電池,由半導(dǎo)體材料制成,是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。常見的光伏電池類型包括單晶硅、多晶硅和薄膜電池等。光-熱-電轉(zhuǎn)換方式通常使用太陽能集線器吸收能量,將工作蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能,然后為渦輪發(fā)電機(jī)供電。光伏(光電)轉(zhuǎn)換指利用光伏效應(yīng)將太陽光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池使用半導(dǎo)體材料,當(dāng)太陽光照射到光伏電池時(shí),光子被吸收并激發(fā)出電子,形成電流,用來供電或充電。常見的光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)包括太陽能熱發(fā)電和太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)電利用聚光系統(tǒng)將太陽光聚焦到一個點(diǎn)上,產(chǎn)生高溫?zé)崮�,然后通過熱機(jī)或蒸汽渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。太陽能熱水系統(tǒng)則利用太陽能熱集熱器將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能,供暖、供熱水或進(jìn)行工業(yè)加熱過程。

1.1.2 光-電直接轉(zhuǎn)換方式

光-電直接轉(zhuǎn)換方式根據(jù)光電效應(yīng),直接將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能[2]。太陽能電池是一種半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)陽光照在光電二極管上時(shí),它會將來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為電能,在外部電路中創(chuàng)造電流。通常使用的太陽能電池板是由幾個太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián),以獲得更大的功率輸出。與核能和熱能相比,太陽能光伏發(fā)電無污染、清潔。太陽能光伏技術(shù)利用光伏效應(yīng),通過光伏電池將太陽光轉(zhuǎn)換為直流電,再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電,供應(yīng)給電網(wǎng)或用于自給自足的電力系統(tǒng)。

1.2 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能電池板通過半導(dǎo)體中的光電節(jié)點(diǎn)工作,太陽能光伏發(fā)電依靠光電效應(yīng),光電效應(yīng)意味著當(dāng)物體暴露在光線下時(shí),內(nèi)部電荷的分布會改變,產(chǎn)生電動勢和電流。固體和液體材料都有光電效應(yīng),但在光照下,固體會更有效地轉(zhuǎn)化,尤其是半導(dǎo)體設(shè)備。光伏電池的發(fā)電原理如圖1 所示,光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池組是光電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和中心組成部分[3]。

圖1 光伏電池的發(fā)電原理

1.2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

光電系統(tǒng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,使用諸如太陽能電池板等輔助設(shè)備。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示,完整的光電系統(tǒng)通常由太陽能、控制器、直流/交流逆變器以及電池等組成。

圖2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,并獨(dú)立運(yùn)行,不依賴于傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。它既可以提供直流電,也可以提供交流電,兩種供電方式的差別是系統(tǒng)在提供交流電時(shí)需要在負(fù)載和蓄電池組之間加入直交流(Direct Current/Alternating Current,DC/AC)逆變器。該系統(tǒng)可為獨(dú)立的建筑、設(shè)備或區(qū)域提供電力。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示,它是一種自動供電系統(tǒng),通過太陽能電池板充電所需的能量。當(dāng)太陽能電池板的輸出能力無法滿足電荷需求時(shí),它就會被電池抵消。當(dāng)輸出功率超過充電要求時(shí),剩余功率存儲在蓄電池組中。如果系統(tǒng)中有直流電,可以使用DC/AC 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電源。光電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,通常由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組、直流/直流(Direct Current/Direct Current,DC/DC)轉(zhuǎn)換電路、DC/AC 逆變器、直流負(fù)載以及交流負(fù)載組成。

圖3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指將光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)連接起來,通過電網(wǎng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能注入到公共電力網(wǎng)絡(luò)中。這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相互交互,可以實(shí)現(xiàn)雙向的能量傳輸。

1.1 一般資料 2018年1月至 2018年6月,在海軍軍醫(yī)大學(xué)(第二軍醫(yī)大學(xué))東方肝膽外科醫(yī)院泌尿外科行后腹腔鏡下腎部分切除術(shù)治療的腎臟腹側(cè)腎腫瘤患者 15例,術(shù)中應(yīng)用自制簡易腹膜反折懸吊裝置。其中男 9例、女 6例,平均年齡為(62.5±9.2)歲,腫瘤平均最大徑為(2.9±1.0)cm,腫瘤位于右腎 7例、左腎 8例,均為位于腎臟腹側(cè)的單發(fā)腫瘤,腫瘤分期均為 T1N0M0 期,R.E.N.A.L 評分為 6~10 分。無淋巴結(jié)、腎靜脈或下腔靜脈癌栓及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。

2 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)

2.1 光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為交流電,并與電網(wǎng)進(jìn)行雙向的能量傳輸。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的自用和余電上網(wǎng),為用戶提供可靠的電力供應(yīng),并實(shí)現(xiàn)電力的分布和共享。其中,逆變器開關(guān)頻率和主功率開關(guān)裝置的選擇對輸出波形失真影響較大,常用的主要功率開關(guān)器件有絕緣柵雙極晶體管(Insulate-Gate Bipolar Transistor,IGBT)、雙極轉(zhuǎn)換器晶體管、雙極性結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT)等晶體管,通常使用低容量、低電壓、低傳動功率以及高開關(guān)頻率的晶體管[4]。隨著電壓水平的增加,IGBT 經(jīng)常被用于高壓和高容量系統(tǒng)。在平行光電控制系統(tǒng)中,三重逆變電能是將太陽能電池產(chǎn)生的直流轉(zhuǎn)化為交流電流,直接為公共電網(wǎng)供電。

2.2 并網(wǎng)逆變器的工作原理

并行網(wǎng)絡(luò)逆變器是并行光電系統(tǒng)的中心組件和技術(shù)密鑰,并行網(wǎng)絡(luò)逆變器和獨(dú)立逆變器的區(qū)別在于它不僅可以將太陽能電網(wǎng)產(chǎn)生的恒定電流轉(zhuǎn)化為可變電流,控制轉(zhuǎn)換電流的性能,還可以將太陽能產(chǎn)生的永久能源轉(zhuǎn)化為交流電,類似于電網(wǎng)、頻率和相位的電壓,然后轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)。并行網(wǎng)絡(luò)的三相逆變器控制系統(tǒng)可以被看作是一個平衡系統(tǒng),在一次側(cè)和二次側(cè)的變化過程中,整個并入逆變器性能有所改善,從而實(shí)現(xiàn)高頻交流在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的設(shè)計(jì)。高頻電壓逆變器系統(tǒng)的電路原理如圖4 所示。

圖4 高頻電壓逆變器系統(tǒng)的電路原理

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,為使并網(wǎng)光伏逆變器輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的正弦波電流與公共電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同,光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)了太陽能光伏電能的高效轉(zhuǎn)換和安全并網(wǎng),為用戶提供了可靠的電力供應(yīng),促進(jìn)了能源的再生利用和可持續(xù)發(fā)展[5]。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略

3.1 PI 控制方式

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)是一種常用的電子調(diào)節(jié)技術(shù),用于調(diào)整電路中的輸出信號的平均功率或電壓。在PWM 中,信號的幅值保持不變,僅通過改變脈沖的寬度來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)�?刂崎_關(guān)器件如晶體管或MOSFE 的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間,使輸入信號在一個固定周期內(nèi)以不同的脈沖寬度進(jìn)行開關(guān)。當(dāng)脈沖寬度較大時(shí),平均電壓或功率較高;當(dāng)脈沖寬度較小時(shí),平均電壓或功率較低。由于逆變器三相橋臂有6 個開關(guān)點(diǎn)位,研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時(shí)的電壓矢量特定開關(guān)函數(shù)Sx(x=a,b,c),此時(shí)逆變電路圖如圖5 所示,其中V1、V2、V3、V4、V5以及V6為6 個開關(guān)點(diǎn)位。6 個開關(guān)點(diǎn)位非零電壓矢量為U0(001)、U1(002)、U2(003)、U3(004)、U4(005)以及U5(006)。開關(guān)狀態(tài)與線電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。其中,Uab、Ubc、Uca表示不同開關(guān)組合時(shí)的線電壓,Udc表示母線上的直流電壓。

表1 開關(guān)狀態(tài)與線電壓的對應(yīng)關(guān)系

圖5 逆變電路圖

在應(yīng)力控制模式下,逆變器會產(chǎn)生電壓不匹配,電網(wǎng)的相位周期很短。但在短路后,逆變器只能測量網(wǎng)絡(luò)中的電壓,而不能有效控制輸出電壓變化的范圍。例如,并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電流控制方式,只需控制逆變器產(chǎn)生的正弦電流跟隨電網(wǎng)電壓,即可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。電流控制方式比電壓控制方式簡單,應(yīng)用廣泛[6]。

3.2 電流滯環(huán)瞬時(shí)比較方式

通過比較實(shí)時(shí)電流輸出I的指數(shù)來比較Di電流(Di表示電流誤差,I表示電流變化的微小量),修正后的I作為輸入信號。如果錯誤信號的值大于介質(zhì)的寬度,則該信號對應(yīng)于任何產(chǎn)品上的滯后開關(guān)PWM 信號,即要求逆變器增加或減少輸出電流,直到發(fā)出錯誤信號。這為在給定的電流曲線周圍的平行逆變器提供了實(shí)際的輸出。這是一種實(shí)時(shí)控制方式,電流反應(yīng)迅速精確,輸出電壓不包含特定的亞諧波,但由于電燈開關(guān)的頻率沒有記錄,電流譜更寬,有間接的諧波干擾。

3.3 定時(shí)比較方式

定時(shí)比較方式將誤差信號Di輸入給定的時(shí)鐘比較器,評估每小時(shí)Di的偏差。電流控制的缺點(diǎn)是跟蹤電流的不穩(wěn)定性和控制的低精度�;鶞�(zhǔn)電壓為

式中:Uc為基準(zhǔn)電壓;Ud為瞬時(shí)電壓。

采用傳統(tǒng)變壓器并網(wǎng)的典型風(fēng)電系統(tǒng)潮流控制電壓調(diào)節(jié)、沖擊抑制和暫態(tài)穩(wěn)定是目前電力系統(tǒng)面臨的主要問題。例如,靜態(tài)無功補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)這樣的無功補(bǔ)償裝置對調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)(Point of Common Coupling,PCC)電壓有很好的效果。固態(tài)變壓器(Solid State Transformer,SST)也稱為智能變壓器,是一種現(xiàn)代的電能設(shè)備,可提供雙向功率流。SST 如果將以上幾個功能集成到一個設(shè)備上,就可以大大提高設(shè)備的使用效率,這提供了潛在的可能性和代表性。對于風(fēng)能系統(tǒng),SST 用于連接風(fēng)能和電力網(wǎng),其中的變壓器、電容器組和靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能性集成,并將替換為一個電源,以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的風(fēng)電場系統(tǒng)采用交流/交流(Alternating Current/Alternating Current,AC/AC)變換器,最大限度利用感應(yīng)電動機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),只有傳統(tǒng)變壓器和STATCOM 被相同的SST 替換,其中的直接驅(qū)動式同步風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)使用了全功率轉(zhuǎn)換裝置,因此AC/AC 變換器、2 個常規(guī)變壓器和STATCOM 都可以被1 個SST 替換。

3.4 正弦波脈寬調(diào)制電流跟蹤方式

正弦波脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)是一種常見的電力電子調(diào)制技術(shù)。在SPWM 中,電流跟蹤方式通常有2 種。第一,基波電流跟蹤。在基波電流跟蹤方式下,控制系統(tǒng)會跟蹤交流電流的基波成分,即與電源頻率相同的正弦波信號。通過測量電流的幅值、相位和頻率等參數(shù),并與期望的基波電流進(jìn)行比較,控制系統(tǒng)可以調(diào)整PWM 信號的脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤。第二,零序電流跟蹤。在某些應(yīng)用中,除了跟蹤基波電流,還需要控制交流電流的零序分量,即其平均值為0 的部分。零序電流跟蹤方式會檢測交流電流的零序成分,并將其保持在一個期望的值附近。這通常通過引入額外的控制回路來實(shí)現(xiàn),采用三相電流檢測電路和控制算法,對零序電流進(jìn)行測量和控制。

電流跟蹤方式的選擇取決于具體的應(yīng)用需求�;娏鞲櫴亲畛R姷姆绞�,適用于普通的交流電壓或電流控制。而零序電流跟蹤則在需要限制電流的零序成分時(shí)使用,例如用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減小諧波產(chǎn)生或滿足特定的電網(wǎng)要求等情況下。然后向SPWM 提供輔助信號電流。實(shí)時(shí)測量與連接到第一個網(wǎng)絡(luò)的電流信號,放大接收到的信號到放大器,最后將其與三角形載波信號進(jìn)行比較。此外,主要是使用比例或比例積分放大器,其參數(shù)直接影響電流跟蹤性能,以確保電路控制系統(tǒng)的快速反應(yīng),這種管理方法在逆向電路中廣泛使用。

3.5 空間矢量脈寬調(diào)制

空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)是一種用于交流電機(jī)驅(qū)動的高級調(diào)制技術(shù)。它是一種基于三相坐標(biāo)系的脈沖寬度調(diào)制方法,通過控制電壓矢量的變化來實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的精確控制。根據(jù)系統(tǒng)需要,選擇一個合適的參考矢量,通常為位于正六邊形內(nèi)部的一個點(diǎn)。將所選的參考矢量根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到三相坐標(biāo)軸上,并確定該矢量所對應(yīng)的PWM 周期數(shù)。根據(jù)定位矢量計(jì)算得到2 個相鄰的空間矢量,一個用于產(chǎn)生正向電壓,另一個用于產(chǎn)生負(fù)向電壓。根據(jù)電機(jī)電流的需求,對2 個相鄰的空間矢量進(jìn)行加權(quán),得到最終的輸出矢量。將輸出矢量轉(zhuǎn)換為脈沖信號,并通過PWM 技術(shù)控制開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間,產(chǎn)生合適幅度的電壓輸出,驅(qū)動交流電機(jī)�;赟PWM 的流控制主要調(diào)節(jié)逆變波的輸出,由于主電源單元的開關(guān)頻率低,很難獲得良好的輸出輸出。SVPWM 具有高效率、低諧波失真以及更好的電機(jī)動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),通過精確控制輸出矢量的方向、幅值和頻率,可以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和位置等參數(shù)的高精度控制。因此,SVPWM 廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域中的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。

4 太陽能光伏發(fā)電與節(jié)能技術(shù)控制發(fā)展方向

太陽能光伏技術(shù)一直在不斷的創(chuàng)新和提升,研究人員致力于開發(fā)更高效的太陽能電池技術(shù),以提高能源轉(zhuǎn)換效率。太陽能發(fā)電受到日照時(shí)間和天氣條件的限制,因此儲能技術(shù)是解決間歇性發(fā)電的關(guān)鍵。太陽能光伏發(fā)電與節(jié)能技術(shù)未來的發(fā)展方向包括更高效的電池儲能系統(tǒng)、熱儲能和化學(xué)儲能等。通過智能化控制系統(tǒng)優(yōu)化光伏發(fā)電的管理和運(yùn)行,包括實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)測與調(diào)度,并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的有效互聯(lián)。

5 不同的控制策略對發(fā)電效率的影響

不同的控制策略可以對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。以下是幾種常見的控制策略及其對太陽能光伏發(fā)電效率的影響。

5.1 最大功率點(diǎn)跟蹤策略

最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)通過調(diào)整太陽能電池陣列的工作點(diǎn),使其輸出功率達(dá)到最大值。MPPT 算法根據(jù)太陽能電池陣列當(dāng)前的電壓和電流情況,實(shí)時(shí)調(diào)整工作點(diǎn),最大限度地提取太陽能的能量。采用更高級的MPPT 算法可以提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率,并提高能源利用率。

5.2 溫度控制策略

太陽能電池的工作溫度對其效率有顯著影響。過高或過低的溫度都會降低太陽能電池的效率。因此,采取合適的溫度控制策略,如散熱設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償?shù)�,可以有效提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

5.3 并網(wǎng)控制策略

對于與電網(wǎng)連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),通過監(jiān)測和調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率等參數(shù),以確保太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接,并最大限度地將發(fā)電功率注入電網(wǎng)。

5.4 多級變換策略

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流到交流變換環(huán)節(jié)也會影響系統(tǒng)的效率。采用多級變換策略,如采用多級逆變器或微逆變器,可以有效降低能量損耗,提高能量轉(zhuǎn)化率。

6 結(jié) 論

太陽能光伏發(fā)電具有清潔、可再生和低碳排放的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于居民住宅、商業(yè)建筑和大型太陽能電站等各種規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)。將太陽能電網(wǎng)產(chǎn)生的恒定電流轉(zhuǎn)化為交流電,滿足市政電網(wǎng)的需求,并連接到公共網(wǎng)絡(luò),是光電并行系統(tǒng)中能量和控制轉(zhuǎn)換的中心部分。為了積極發(fā)展和推廣光電系統(tǒng),必須特別注意光電電網(wǎng)逆變器技術(shù),發(fā)展太陽能光伏,在經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境保護(hù)等方面具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

 

188作者:魏運(yùn)軍 劉釗 汪建軍 來源:通信電源技術(shù) 編輯:顧北

 

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