分布式光伏发电技术及应用

太阳能资源无处不在，除了在荒漠地区建立大型集中式光伏发电基地外，更广泛的利用太阳能的方法是分布式光伏发电，诸多学者对光伏发电系统的各个方面展开了深入的研究［41～51］。与建筑物相结合的光伏发电系统成为太阳能资源规模化推广应用的关键。中国太阳能发电发展“十二五”规划明确提出将发展分布式光伏发电作为未来国内光伏市场应用的重要领域，到2015年，分布式光伏装机容量达1 000万kW，约占太阳能发电的50%；到2020年，分布式光伏装机达2 700万kW，占太阳能发电总装机量的54%。分布式光伏发电并网方式可分为：①光伏发电站直接接入配电网；②光伏发点经微网接入电网；③家庭光伏能源系统。

17．4．2．1 分布式光伏发电站直接接入配电网

我国的中、低压配电网主要是小电流接地系统，采用单侧电源辐射型供电网络。光伏电源接入配电网，使配电系统从放射状结构变为多电源结构，潮流和短路电流的大小、流向以及分布特性均发生改变，原有的调压方案不能满足接入分布式电源后的配电网电压调节要求，在线路发生故障后，继电保护以及重合闸的动作行为都会受到光伏发电系统的影响。电网发生故障后，可能由光伏电源形成非正常孤岛运行，将引发一系列安全问题，如线路维护人员的人身安全、与孤岛电网相连的用户供电质量、孤岛内部的保护装置的协调、电网供电恢复时的同期问题、孤岛电网与主网非同步重合闸造成的操作过电压等。光伏发电通过电力电子逆变器并网，将产生谐波、三相电流不平衡；输出功率随机性易造成电网电压波动、闪变。针对上述问题，电网公司已经从5个方面规范了光伏发电站的接入行为，形成了接入准则。这5方面是：①光伏电源准入原则和并网电压等级；②并网点与公共连接点的技术要求；③保护及安全自动装置；④通信与检测；⑤电能计量。

17．4．2．2 并网光伏发电微网系统

微网概念的提出与发展是基于大量分布式发电入网的需求而产生并得到推广的。光伏微网系统是指将光伏发电、其他稳定电源（如微型燃气轮机、柴油发电机、储能装置等）、用户负荷及控制装置集成起来，形成一个单一可控的单元并入电网（依据交换容量的大小决定并入低压网或中压配网），向用户供给电能减少对电网的冲击。对电网来讲，它相当于一个可控单元，可以在数秒内动作相应电网的需求；对用户来讲，它相当于可定制的电源，可满足用户多样化的要求，如提高供电可靠性、降低馈线损耗、支持就地电压及提高用能效率。它可以工作在并网运行和孤岛自治运行两种模式。微网控制系统及其能量管理模块是这一系统的技术关键，控制系统实现微网工作模式的无缝切换、节点电压控制、电能质量监控等；能量管理模块是一种架构在微网控制系统之上的高级应用，用于优化微网有功功率分布、协同各发电单元出力和用户需求实现微网经济运行等。

17．4．2．3 家庭光伏能源系统

伴随着全球光伏产业的持续升温以及各国对中小功率光伏发电系统直接并网的许可，光伏发电系统在住宅及楼宇等场所应用越来越多。家庭光伏能源系统是并离网一体光伏发电系统，它既可并网运行，亦可离网运行，当其应用于住宅或者楼宇时，相对并网系统安全性更高，当公共电网发生故障时，可离网给本地负载供电。同时，可以选择性地并网以减缓对电网的冲击，减小三相电网的不平衡。

家庭光伏能源系统由光伏电池、锂电池以及单相公共电网共同组成一个多端口供电网络，保证家庭负载的不间断供电。光伏发电系统优先满足用户的自身电力需求。在光伏发电量盈余或者不足的情况下，首先由锂电池来平抑功率波动。当光伏电池和锂电池都达到限制条件时，再由公共电网支撑进行能量管理。

1）系统构架

家庭光伏能源系统拓扑结构如图17．6所示。整个系统由三级变流器组成：光伏电池通过Boost升压变流器接入公共直流母线，锂电池通过Buck－Boost变流器接入直流母线，光伏电池和锂电池通过挂接在公共直流母线上的全桥逆变器并入公共电网或者独立逆变成交流电给家庭交流负载供电。

图17．6　家庭光伏能源系统拓扑图

根据工况不同，光伏电池侧变流器工作在MPPT（最大功率点跟踪）模式或者恒压模式（控制中间直流母线电压恒定）；锂电池侧变流器工作在Buck（锂电池充电控制）模式或者Boost（维持中间直流母线电压恒定）模式；负载侧全桥逆变器工作在并网模式或者独立逆变模式。本文的核心即根据光伏电池、锂电池以及家庭负载的实际情况判断系统运行工况，通过配合各级变流器实现相应控制目标，保证整个系统高效、稳定运行，实现家庭负载不间断供电。

2）工况控制

通过检测光伏电池出口电压uPV，锂电池荷电状态（state of charge，SOC），光伏电池输出功率pPV以及家庭负载功率pload，可以将系统工作模式分为4种工况：

工况1（光伏发电）：光伏侧变流器工作在MPPT模式；锂电池侧变流器工作在Boost模式；全桥逆变器工作在独立逆变模式。

在光伏电池有能量输出的情况下，此时光伏发电系统优先满足用户的自身电力需求。在发电量盈余的情况下，对储能部分的锂电池进行充电。当发电量不足以给家庭负载供电时，由光伏电池和锂电池联合供电。光伏侧变流器工作在MPPT模式以最大限度地获取太阳能；锂电池侧变流器工作在Boost模式来稳定直流母线电压恒定。在这种工况下，锂电池充放电功率完全由光伏电池输出功率以及负载功率决定。锂电池可能工作在充电状态，也可能工作在放电状态，通过检测锂电池电流可以进一步判断。

工况2（并网馈能）：光伏侧变流器工作在MPPT模式；锂电池侧变流器工作在Buck模式；全桥逆变器工作在并网模式。

在光伏发电系统能够满足用户的自身电力需求，并且锂电池已处于满充状态的情况下，锂电池侧变流器工作在Buck模式，控制锂电池工作在恒压浮充状态；全桥逆变器控制中间直流母线电压，将盈余的电量回馈给公共电网。在这种工况下，回馈给电网的功率完全由光伏电池输出功率以及负载功率决定。

工况3（电池供电）：光伏侧变流器不工作；锂电池侧变流器工作在Boost模式，全桥逆变器工作在独立逆变模式。

在光伏电池无法供电的情况下，此时变流器自动切换供电模式，由锂电池来满足用户的电力需求。光伏侧变流器不工作；锂电池侧变流器工作在Boost模式来稳定直流母线电压恒定。在这种工况下，锂电池放电功率完全由负载功率决定。

工况4（电网供电）：光伏侧变流器不工作；锂电池侧变流器不工作；全桥逆变器不工作。

当光伏电池和锂电池都无能量输出时，变流器自动切换供电模式，从公共电网获得电能。在这种工况下，三种变流器都不工作。负载直接由公共电网供电。

图17．7给出了家庭光伏能源系统的四种工况状态图，从图中可以清楚地看出各种工况下的变流器工作模式和系统中的能量流动。

图17．7　家庭光伏能源系统工况（a）工况一：光伏发电　（b）工况二：并网馈能　（c）工况三：电池供电　（d）工况四：电网供电(www.xing528.com)

3）变流器控制策略

光伏侧变流器可以工作MPPT模式或者恒压模式。图17．8给出了该变流器的控制框图。当变流器工作在恒压模式时，控制目标是维持直流母线电压恒定，采用直流母线电压外环，光伏侧电感（L1）电流内环的双闭环来完成控制目标；当变流器工作在MPPT模式时，目标是最大限度地获取光伏电池电能，目前常用的MPPT策略包括：恒压法、扰动观察法和电导增量法。本案例选用扰动观察法。

图17．8　光伏侧Boost电路控制框图

锂电池侧变流器可以工作Boost模式或者Buck模式。图17．9给出了该变流器的控制框图。当电路工作在Boost模式时，控制目标是维持直流母线电压恒定，采用直流母线电压外环，锂电池反向电感（L4）电流内环的双闭环来完成控制目标；当电路工作在Buck模式时，采用锂电池电压外环，锂电池电感电流内环的双闭环来完成控制目标。当锂电池出口电压小于给定值时，电压外环输出饱和，设定电压外环输出饱和值为恒流充电电流给定值，使得锂电池开始阶段恒流充电，等到锂电池电压达到给定值后，电压外环退饱和，开始起到调节作用，维持锂电池出口电压恒定，此时电池充电转化为恒压浮充阶段。

图17．9　电池侧Buck－Boost电路控制框图

图17．10　负载侧全桥逆变器控制框图

负载侧变流器采用双极性调制的全桥逆变器结构。图17．10给出了该逆变器的控制框图。当全桥逆变器工作在独立逆变模式时，控制目标是输出220V交流电压给家庭交流负载供电，采用输出电压有效值外环，输出电压瞬时值中间环，输出滤波电感（L2，L3）电流内环的三闭环控制。当全桥逆变器工作在并网模式时，采用中间直流母线电压外环，输出滤波电感电流内环的双环控制，在调制前加入电网电压前馈控制以减轻PI调节器负担。

4）能量管理

相关功率的限制条件：

光伏最大输出功率小于锂电池最大充电功率，以免当光伏以最大功率给锂电池充电时，锂电池充电功率过大影响电池寿命。

锂电池最大放电功率大于家庭负载总功率，保证单独由锂电池供电时可以满足家庭负载需要。

系统运行时，通过检测光伏电池出口电压uPV，锂电池荷电状态SOC，光伏输出功率pPV以及负载功率pload来确定表17－1中的事件类型，再结合图17．11中的状态机切换图，控制系统运行到相应的工况。

表17－1　事件表

图17．11　能量管理状态图

当系统运行在光伏发电工况时，若检测到锂电池SOC达到上限值，则说明锂电池已充满，事件1发生，系统自动切换到并网馈能工况；若检测到光伏电池出口电压低于下限值，则说明阳光不足，光伏无能量输出，事件3发生，系统自动转换到锂电池供电工况；若检测到锂电池SOC低于下限值，则说明锂电池电量不足，光伏电池不足以给家庭负载供电，事件5发生，系统自动转换到公共电网供电工况。

当系统运行在并网馈能工况时，若检测到光伏输出功率小于负载功率，则说明此时系统并没有多余的能量反馈给电网，事件2发生，系统自动转换到光伏发电工况。

当系统运行在锂电池供电工况时，若检测到光伏电池出口电压大于下限值，则说明此时光伏有能量输出，事件4发生，系统自动转换到光伏发电工况；若检测到锂电池SOC低于下限值，则说明锂电池电量不足，事件5发生，系统自动转换到公共电网供电工况。

当系统运行在公共电网供电工况时，若检测到光伏电池出口电压大于下限值，则说明此时光伏有能量输出，事件4发生，系统自动转换到光伏发电工况。