【正文】 在頻率擾動(dòng)法當(dāng)中，主動(dòng)頻率偏移法 (AFD)是目 前受到關(guān)注 的方法之一。使 24 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能檢測(cè)到并與市電解除并聯(lián)。 主動(dòng)式檢測(cè)方法 主動(dòng)式檢測(cè)方法是在并網(wǎng)逆變器的控制信號(hào)中加入很小的電壓、頻率或相位的擾動(dòng)信號(hào)，然后檢測(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出，當(dāng)逆變器向電網(wǎng)正常輸送電能時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)的作用很小 ；當(dāng)孤島效應(yīng)發(fā)生情況時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)將造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，即使是在發(fā) 電輸出功率與負(fù)載功率平衡的狀態(tài)下，也會(huì)通過(guò)擾動(dòng)破壞功率平衡狀態(tài)，造成系統(tǒng)的電壓、頻率有明顯變動(dòng) 。因電流控制型逆變器主要參考信號(hào)為電網(wǎng)電壓，當(dāng)逆變器向電網(wǎng)正常輸送電能時(shí)，逆變器的輸出電壓不會(huì)有太大的諧波含量 ；當(dāng)電網(wǎng)斷電時(shí)，由于沒(méi)有了電網(wǎng)這個(gè)電壓源，并網(wǎng)逆變器的輸出電流可能產(chǎn)生失真的電壓波形，而此失真的電壓波形被反饋回來(lái)成為逆變器輸出電流的參考波型，即會(huì)造成逆變器輸出電壓將含有較大的諧波成分，因此可以判斷孤島效應(yīng)的發(fā)生。依參考的電力參數(shù)不同，可分成以下幾種方法 ： 23 此方法通過(guò)檢測(cè)逆變器與電網(wǎng)連接點(diǎn)的電壓幅值與頻率是否正常來(lái)判斷孤島效應(yīng)是否發(fā)生 [18]。被動(dòng)檢測(cè)是指主要依靠系統(tǒng)被動(dòng)地監(jiān)控電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，如電壓幅值、頻率等參數(shù)來(lái)判斷電網(wǎng)是否停電 ；主動(dòng)式檢 測(cè)是指系統(tǒng)主動(dòng)、定時(shí)地對(duì)電網(wǎng)施加一些干擾信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)輸出電壓的幅值、頻率以及相位等指標(biāo)來(lái)判斷是否發(fā)生了孤島效應(yīng)。在我國(guó)， 2021 年 3 月份，由國(guó)家科技部能源研究所制定的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)要求中對(duì)反孤島效應(yīng)也有了詳細(xì)的 規(guī)定，具體是 ：光伏系統(tǒng)除設(shè)置過(guò) /欠壓保護(hù)、過(guò) /欠頻保護(hù) 作 為防孤島效應(yīng)后備保護(hù)外，還應(yīng)該設(shè)置至少各一種主動(dòng)和被動(dòng)方式防孤島效應(yīng)保護(hù)。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的孤島效應(yīng)的防止 孤島效應(yīng)的含義及其危害 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，并網(wǎng)逆變器 不僅向本地負(fù)載供電，而且還會(huì)將剩余電力輸送至電網(wǎng)。 電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。通過(guò)光伏 陣列 PU曲線可知最大值 maxP處的斜率為零，所以有 maxP U I?? (225) m a x 0dP dIIUdU dU? ? ? ? (226) dI IdU U?? (227) 式 (227)為達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值 時(shí)，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。較好的 折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的工作點(diǎn)選擇合適的步長(zhǎng)，例如，當(dāng)己經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近時(shí)采用小步長(zhǎng)。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這種方法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩，因此會(huì)造成一定的功率損失 ；而光照發(fā)生快速變化時(shí)，此跟蹤方法 可能會(huì)失效，判斷得到錯(cuò)誤的跟蹤方向。O) 擾動(dòng)觀察法 (Pamp。 圖 28 太陽(yáng)電池伏 安特性曲線 為克服使用場(chǎng)合環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響，在 CVT 方法的基礎(chǔ)上可以采取以 下集中折衷解決方法： 手工調(diào)節(jié)： 通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器按季節(jié)給定不同的 maxU ，這種方法使用較少，需要人工 維護(hù)。只需從生產(chǎn)廠商處獲得 maxU 數(shù)據(jù)并使陣列的輸出電壓鉗 位于值 maxU 即可，這樣實(shí)際上是把 MPPT 控制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制。 IPUm a xPm a xUI UP U 圖 27 太陽(yáng)電池的輸出特性曲線 最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)控制方法 MPPT 的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)對(duì)陣列當(dāng)前輸出的電壓與電流檢測(cè)，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻陣列功率相比較，舍小存大，再檢測(cè)，再比較，如此不停的周而復(fù)始，可使陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。 光伏陣列輸出特性 光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。通常當(dāng)控制度 Q= 時(shí)，數(shù)字控制器和模擬控制器的控制效果相當(dāng)；當(dāng)控制度Q= 時(shí)，數(shù)字控制器比模擬調(diào)節(jié)器的控制質(zhì)量差。 l)預(yù)選一個(gè)足夠短的采樣周期 T，具體說(shuō)就是選擇采樣周期為被控對(duì)象純滯后時(shí) 間的 1/10 以下。 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以有各種不同的搭配，用不同的整定參數(shù)有可能得到同樣的控制效果，只要被控過(guò)程主要指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可。如果系統(tǒng)沒(méi)有靜差或靜差已小到許可范圍內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿(mǎn)意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)可由此確定。但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。理論計(jì)算要求已知各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，計(jì)算比較繁瑣； 工程整定法是在實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的方法，簡(jiǎn)單、方便，工程實(shí)際中廣泛采用。 第 k1 時(shí)刻 PI 算式為： 11 0( 1 ) ( 1 ) ( )kPI ju k K e k K e j??? ? ? ? ? (220) 式（ 219）減式（ 220）則有： 11( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( )PIu k u k K e k e k K e k? ? ? ? ? ? (221) 則遞推 PI 算式為： 11( ) ( 1 ) [ ( ) ( 1 ) ] ( )PIu k u k K e k e k K e k? ? ? ? ? ? (222) 1 1 0 1( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )u k u k q e k q e k? ? ? ? ? (223) 其中： 0 [1 ]P I P ITq K K K T? ? ? ? 1 PqK?? 在按式 (223)編寫(xiě) PI 工算式程序時(shí)，可以根據(jù)預(yù)先確定的 PK 、 IK 的值，計(jì)算出 0q 、 17 1q 的值，并將其存入內(nèi)存中固定的存儲(chǔ)單元， 并設(shè)置初始值 ( ) ( 1 ) ( 2) 0e k e k e k? ? ? ? ?。 積分時(shí)間界的物理意義 ：對(duì)輸入進(jìn)行累計(jì)，達(dá)到比例作用大小所需時(shí)間。 由式 (213)得 ： 1 24 1( 2 ) 2 ()() ()P W M P W MP W M P W M sT T z T T UzGz T k z T k U z??? ? ?? ? ?? ? ? ? (214) 等效差分方程為 22 22( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )P W M P W MssP W M P W MT T T Tu k u k u k u kT k T k??? ? ? ? ? ??? (215) 數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PI 算法 數(shù)字 PI 控制是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PI 控制，即把模擬 PI 控制規(guī)律數(shù)字化。 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 ： 3 () pIk s kGs s?? (28) 其中， Pk 稱(chēng)為比例系數(shù)， Ik 為積分系數(shù)， /I P Ik k T? ， IT 為積分時(shí)間。 定 時(shí) 器 P W M 圖 24 比較單元和 PWM電路產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的 PWM波形 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)以上分析，為了實(shí)現(xiàn)以上的控制方法，下面建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 DSP 可以產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的 PWM 波形，也可以產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的 PWM 波形。當(dāng)?shù)诙纹ヅ洚a(chǎn)生或周期結(jié)束時(shí)，相關(guān)引腳會(huì)產(chǎn)生另一 個(gè)變化 (從高到低或從低到高 )。此方法實(shí)現(xiàn) PWM 控制有硬件實(shí)現(xiàn)方式和軟件實(shí)現(xiàn)方式，由于硬件電路相對(duì)復(fù)雜，本文選取了軟件編程方式。這 樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把 i? 控制為最小量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該方法不足是，補(bǔ)償電流的跟隨誤差不固定。 目前，跟蹤型 PWM 控制方法主要有兩種，即滯環(huán)比較方式 和三 角波比較方式。 要使光伏發(fā)電系統(tǒng)能輸出電流則 IU 必須大于 SU ，且逆變器本身提供了有功功率 二來(lái)補(bǔ)充電路中的損耗，而電網(wǎng)電壓 SU 與電流 I 同相，因?yàn)榫€路中電抗器 X 的存在，使得逆變器輸出電網(wǎng)電壓 IU 與電網(wǎng)電壓 SU 不再是同相，而存在一個(gè)相位差 ? ，改變這個(gè)相位差，并且改變 IU 的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，光伏發(fā)電裝置流入電網(wǎng)的有功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。光伏發(fā)電正常工作時(shí)就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，它可以被等效地視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過(guò)電抗器并電網(wǎng)。本文中采用的就是電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。典型的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)如圖 16 所示，直流側(cè) 采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能，在交流側(cè)經(jīng)沖電感接入電網(wǎng)母線。并網(wǎng)逆變器除了可將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還可對(duì)轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無(wú)功、同步、電能品質(zhì) (電壓波動(dòng)、高次諧波 )等進(jìn)行控制。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成光伏陣列。當(dāng)太陽(yáng)光 (或其他光 )照射到 光伏電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對(duì)，在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的累積，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應(yīng)” [10]。 9 2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成 下面介紹戶(hù)用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。 U dV T 1V T 3V T 2V T 4U o 圖 110 單相全橋逆變器電路拓?fù)鋱D 8 綜上所述，根據(jù)本文的研究需要，本文將選用目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)相對(duì)也是最成熟的單相全橋式的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 110 所示），因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、控制方便的優(yōu)點(diǎn)。它包括兩個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān) （ IGBT） VTVT2，一 個(gè)升壓變壓器組成。它包括兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件 VT VT2和兩個(gè)儲(chǔ)能元件電容 C C2。負(fù)載上的電壓幅值和相位取決于負(fù)載阻抗大小和性質(zhì)。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值 mU 僅僅為 2dU ,且直流側(cè)需要兩個(gè)電容串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。通常將 DC－ AC 變換電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路組成的 DC－ AC 逆變電源稱(chēng)為逆變器（ Inverter）。在蓄電池充滿(mǎn)電且又有光照的情況下，則應(yīng)由光伏電池直接給負(fù)載供電或是并入電網(wǎng)。我國(guó)現(xiàn)在多數(shù)是非逆潮流系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電多見(jiàn)于城市供電系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)的電力需求通常比 PV系統(tǒng)的輸出電力大，是城市電網(wǎng)的補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)用電時(shí)段的消峰填谷。獨(dú)立型光伏發(fā)電多用于邊遠(yuǎn)山區(qū)，因?yàn)檫@些地方需要的電能容量小，建變電站成本昂貴，宜用獨(dú)立型光伏發(fā)電。對(duì)逆變器建立模型并進(jìn)行分析，采用先進(jìn)的控制策略對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能是必不可少的。近幾年來(lái)，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)己經(jīng)具有了一定的市場(chǎng)潛力和市場(chǎng)吸引力，但光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備主要依靠進(jìn)口，光伏并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)更是剛剛起步，因此，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的造價(jià)高，依賴(lài)性強(qiáng)，制約了并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和推廣。 我國(guó)在 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池，于 1971 年首次成功應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星。隨著對(duì)太陽(yáng)能和可再生能源的廣泛的大規(guī)模的利用，全球的能源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生根本性的變化。自上世紀(jì) 80 年代以來(lái)，其他發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，也紛紛制定了光伏發(fā)展計(jì) 劃，并投入了大量資金進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。 PV系統(tǒng)的容量是標(biāo)準(zhǔn)太能能電池陣列輸出功率來(lái)表示的。 因?yàn)樘?yáng)能電池單元本身產(chǎn)生的電壓約低于 ，所以 使用時(shí)必須串聯(lián)接作為電池組件使用。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理。受 20 世紀(jì) 70 年代的石油危機(jī)和 90 年代的環(huán)境污染問(wèn)題影響，人們對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷提高，光伏發(fā)電越來(lái)越受到各國(guó)政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵(lì)和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策也不斷出臺(tái) [2]。但比計(jì)算機(jī)和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)畸變。由于沒(méi)有活動(dòng)的部分，故可以長(zhǎng)時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。 太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。簡(jiǎn)單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為 房屋提供照明，并為電網(wǎng)供電。 幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)一般有方波和正 弦 波兩種控制方式，方波輸出的逆變電源電路簡(jiǎn)單，成本低，但效率低，諧波成份大。其原因可能是人們對(duì)信息的追求特別強(qiáng)烈，而常規(guī)能源還能滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)能源的需求。 太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。 太陽(yáng)能功能電池組件就是將數(shù)十個(gè)太陽(yáng)能電池單元進(jìn)行耐候性封裝。太陽(yáng)能電池鎮(zhèn)流是有太陽(yáng)能電池組件集合體的太陽(yáng)能電池組件串、防止逆流元件、旁路元件和接線箱等構(gòu)成的。 PV系統(tǒng)的輸出功率受輻射照度的強(qiáng)烈影響，也受太陽(yáng)能電池組件內(nèi)的太陽(yáng)能電池單元的溫度影響，因此用在日照強(qiáng)度為 21kwm 、單元 溫度為 25 攝氏度的標(biāo)準(zhǔn)條件下的最大輸出功率表示標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率。近年來(lái)世界太陽(yáng)能光伏一直保持著快