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1、第3章 功率调节器,功率调节器是由把太阳能电池的直流电转换成交流电的逆变器和当系统侧出现异常能安全停止装置运行的并网保护装置构成的。本章以并网用功率调节器为中心，介绍它的电路构成、工作原理、最大功率跟踪控制和单独（孤岛）运行防止电路等。还有，对故障时的独立运行系统及并网保护装置概要地进行介绍。,3.1 概要,3.1.1 功能,功率调节器是把太阳能电池输出的直流电转换成交流电并向与交流系统连接的负载供给电力；同时能把剩余电力逆潮流送入电网系统的装置。功率调节器还可以把太阳能电池发出的电能最大限度地取出；同时为了和普通的配电系统并网运行，其具有依据并网技术要求准则运行的功能。并网技术要求准则，使功
2、率调节器和与其并网系统的电气方式基本上保持一致。电气方式有单相二线制、单相三线制及三相三线制（形联结或者Y形联结）等。功率调节器一般也分为单相用和三相用。,我们国家常用的单相供电制式,美国人有用，单相变压器二次绕组电压为240V,自绕组的中点引出中线,电力系统中配电部分，输电线（10KV）由三根（我们常见的那种）进入变压器后出来就是四根了，这其中就有一根我们所谓的零线，这根线是从变压器的中性点引出的，这根线和另外任何三根（火线）中的一根可以构成回路，也就是我们常说的单相220V，而三根（火线）中任何两根也可以构成回路，但他们的电压可是380V。变压器的中性点就是三根火线的公共点（星型接法），一
3、般情况下，中性点的是没有电位的。电力系统高压架空线路一般采用三相三线制，三条线路分别代表a，b，c三相，我们在野外看到的输电线路，三根线可能水平排列，也可能是三角形排列的,光伏低压侧并网结构图,3.1.2 线路方式,功率调节器的线路方式大体有以下三种，均已实现了实用化。工频变压器绝缘方式。(这里的绝缘应该是隔离，主要是防止触电安全，因为变压器两边不供地；二是故障隔离，某边出现故障不会影响另一边。变压器还有一个作用是升压）高频变压器绝缘方式。无变压器方式。工频变压器绝缘方式采用PWM逆变器产生工频交流，再用工频变压器进行绝缘和电压变换。虽防雷性能和抑制噪声性能优良，但因采用工频，故变压器比较重（
4、体积与信号频率的n次方成反比）。高频变压器绝缘方式，虽小型、重量轻，但线路复杂。无变压器方式亦虽小型、重量轻、成本低、可靠性高，但与商用电源没有绝缘。除工频变压器方式外，其他方式均为提高安全性而设置了直流电流检测功能。,3.1.3 无变压器方式的线路构成,该方式在成本、尺寸、重量以及效率方面占优势。这个方式由使太阳能电池的直流电压升至无变压器逆变器所需电压的转换器、把直流电变成交流电的逆变器以及具有并网保护继电器功能的控制线路构成。还有，为并网而设置的机械开关，当出现异常时使逆变器与电网断开。,3.1.4 逆变器原理,逆变器由晶体管和IGBT等开关器件构成，通过开关器件的有规律性的ON-OFF
5、动作，将直流转变成交流。这样由单纯ON-OFF电路产生的逆变器的输出波形中含有很多谐波，它们没有实用价值，为此，运用高频PWM(PulseWidth Modulation，脉宽调制)技术，将正弦波形两边附近的电压脉冲变窄，中间的脉冲变宽，半周期内向同方向多次进行开关动作，形成图3.4历示的脉冲波序列（修正正弦波）。脉冲波经过简单的滤波器后成为如虚线所示的正弦波。,3.2 基本工作,这里就与系统并网的功率调节器如何将太阳能电池产生的电力向系统送出进行阐述。与系统并网的功率调节器如同抽取低水位水的水泵，把太阳能电池产生的电力向上位系统供给。实际上与系统电源同步，通过调整系统侧电压和经过滤波器前的功
6、率调节器输出电压之间的相位差，可以调整电流流向（向电网送电还是从电网取电）和电量。如果功率调节器侧的电压相位比系统超前，那么可以向系统侧送出电力；相反比系统侧（相位）滞后，若在直流侧有蓄电池时，从系统向功率调节器侧送电，致使蓄电池充电。,这里对把功率调节器作为核心的逆变器的输出电力调整方法，以如图3.5所示的电流控制电压型逆变器为例详细讲述。逆变器不断地监视系统电压，如果要想增加输出，则使栅极触发时间提前，目的是把逆变器的输出电压相位比系统电压相位超前。具体地讲，把误差信号的相位超前，如图3.6所示，通过增大系统电压和逆变器输出电压之间的相位角，增大输出电力。,图3.6所示的相量图表示了逆变器
7、的输出电压、输出电流及系统电压之间的关系。电抗器L称为并网电抗器，兼有PWM波形平滑滤波的电抗器的作用。从这个相量图可以知道，逆变器的输出电流ic和系统电压ec始终同相，电抗器的电压降eL比输出电流ic始终超前90。相位。,参照此图，首先求出逆变器的输出功率P,由此公式可以知道，如果控制ec和ei的相位角，就可以控制输出功率（如果相位角是负的，也就是ei的相位滞后ec相位，P为负数，从系统向光伏系统侧送电）。另外，在最大功率跟踪控制中也与这里叙述方法相同，通过一边监视最大功率点一边变化相位角占进行自动控制，使太阳能电池的功率输出为最大。,作业,什么是功率调节器？电气方式有哪几种？画出其相应的系
8、统图功率调节器的线路方式大体有哪三种。并对其工作过程进行简单说明。了解无变压器方式的线路构成说说逆变器工作原理阐述与系统并网的功率调节器如何将太阳能电池产生的电力向系统送出。,3.3 功能,功率调节器不仅可以把直流转换成交流，也可以具有使太阳能电池最大限度地发挥其性能，以及出现异常和故障时保护系统的功能等。,功率调节器功能,为有效地取出受天气变化影响的太阳能电池的输出功率，具有自动运行停止功能及最大功率跟踪控制功能。为保护系统，具有单独（孤岛）运行防止功能及自动电压调整功能。当系统和功率调节器出现异常时，可以安全地分离或使逆变器停止工作。,3.3.1 自动运行停止功能,功率调节器若满足早晨太阳
9、上升而日照强度增大才使太阳能电池输出功率的条件时，它自动开始运行。一旦开始运行，则监视太阳能电池的输出功率，并自动调整。即使在夕阳时分，只要有输出功率就继续运行，日落时运行停止。在阴天和雨天也可以继续运行，但若太阳能电池输出功率很小，功率调节器的输出接近0时，功率调节器就处于待机状态。,3.3.2 最大功率跟踪控制,太阳能电池的输出功率会随着日照强度和太阳能电池表面的温度改变而变化。这种变化使太阳能电池的工作点一直向最大功率点跟踪变化，控制太阳能电池产生最大功率这种控制称为最大功率跟踪(MPPT:Maximum Power PointTracking)控制。,MPPT控制，使功率调节器的直流工
10、作电压在每隔一定时间稍微变动（改变负载可改变工作点），然后测量此时的太阳能电池的输出功率与前一次进行比较，就这样反复进行比较把功率调节器的直流电压控制成使太阳能电池的输出电力始终很大。,在A点将工作电压从V1向V2变化使输出功率变为P1 P2时，即使再把工作电压从V2调回V1，输出功率仍为P1P2，因此工作电压调到V2。如果是在D点工作，相反把工作电压从V4调至V3。这样，MPPT控制监视输出功率的增减，总让系统工作在最大功率点。,单独（孤岛）运行防止功能,太阳能光伏发电系统处于并网状态时在系统侧发生停电的场合，如果负载功率和功率调节器的输出功率相同，那么不改变功率调节器的输出电压和频率，就无
11、法利用电压继电器、频率继电器检测是否停电。因此，太阳能光伏发电系统可以继续向系统供电。这种运行状态称为单独（孤岛）运行。,如果单独（孤岛）运行一起动，太阳能光伏发电系统继续向已与电力公司的配电网断开的电力线供电，这给维护检测人员带来危害。因此，必须停止运行太阳能光伏发电系统。但是单独（孤岛）运行场合，利用的电压继电器(OVR，UVR)、频率继电器(OFR，UFR)不能提供保护。作为其应对措施，系统设置了单独（孤岛）运行防止功能，可以安全停止运行。,功率调节器内置有被动方式和主动方式两种单独（孤岛）运行防止功能。作为被动方式，捕捉从并网到单独（孤岛）运行过渡时的电压波形和相位等变化就可以检测出单
12、独（孤岛）运行。主动方式是经常给逆变器带来变动要素，这种要素在并网运行时没有体现在输出上，而在单独（孤岛）运行时则体现出来的检测异常的方式。,被动方式电压相位跳变检测方式 与系统并网的功率调节器，平时的运行功率因数为1（负载为纯电阻，没有电抗存在，输出功率最大），电压和电流同相位，只供给有功功率。一旦变为单独（孤岛）运行状态，其瞬间开始也包含无功功率，因此电压相位突变。检测这时的电压相位突变的称为电压相位跳变检测方式。主动方式无功功率变化方式 若在一定期间功率调节器的输出电压周期（频率）变动，那么因为平时系统侧的反向功率大，因此输出频率不变化，而作为（体现在）无功功率的变化而显现。由于单独（孤
13、岛）运行状态在一定周期内出现频率的变化，因此迅速检测频率变化进行单独（孤岛）运行的判断。为防止误动作，只有在周期变化时才检测输出变化。,3.3.4 自动电压调整功能,将太阳能光伏发电系统与系统连接进行逆潮流运行的场合，由于电能反向输送，因此受电点的电压升高？，超出电力公司规定运行范围。为了避免这些，要设置自动电压调整功能，防止电压上升。自动电压调整功能有以下两种。但是，小容量的系统电压上升的可能性小，本功能可以省略。,相位超前无功功率控制 与系统并网的功率调节器使系统电压和输出电流的相位一致，平时运行的功率因数为1，并网点的电压上升而超出相位超前无功功率控制的设定电压时，解除功率因数1的控制，
14、使逆变器的电流相位利用系统电压超前。所以从系统侧流入的电流为延迟电流，使并网点的电压下降。相位超前电流的控制截止到功率因数成为0.8，而通过这些抑制电压上升的效果，最大可以提高2%3%。,输出控制 基于相位超前无功功率控制的电压控制达到临界值，且系统电压上升的场合，控制太阳能光伏发电系统的输出，防止并网点的电压上升。特别需要注意的是配电线的电压高的场合输出控制动作，发电量下降。,3.3.5直流检测功能,在功率调节器中，因为利用高频开关控制半导体开关，因此受元件的不平衡等影响，功率调节器的输出有稍许的直流叠加。内置工频绝缘变压器的功率调节器中，直流分量被绝缘变压器阻止，系统侧没有直流流出，但高频
15、变压器绝缘方式和无变压器方式，因为功率调节器的输出直接与系统连接在一起，所以一存在直流分量，对系统侧带来柱上变压器的磁饱和等严重的影响。,为了避免这些，高频变压器绝缘方式或无变压器方式的功率调节器要求将叠加在输出电流的直流分量控制在额定交流电流的1%以下。另外，还需设置抑制直流分量的直流控制功能，以及万一这个功能产生故障的场合停止运行功率调节器的保护功能。,3.3.6直流接地检测功能,在无变压器方式的功率调节器中，因为太阳能电池和系统侧没有绝缘，所以需要针对太阳能电池接地的安全措施。通常在受电点（配电盘）外安装漏电断路器，监视室内配电线路和负载设备的接地，但是，如果太阳能电池一接地，接地电流中
16、叠加有直流成分，因此用普通的漏电断路器不能进行保护。所以功率调节器内部要设置直流接地检测器，作为检测保护的装置。作为本功能的检测水平，电流多设置在lOOmA。,漏电断路器（residual current circuit-breaker）电路中漏电电流超过预定值时能自动动作的开关。常用的漏电断路器分为电压型和电流型两类，而电流型又分为电磁型和电子型两种。漏电断路器用于防止人身触电，应根据直接接触和间接接触两种触电防护的不同要求来选择。,3.4 停电时的独立运行系统,与系统并网的太阳能光伏发电系统，在系统停电时与系统切断的状态下继续运行的动作称为独立运行。因为太阳能光伏发电系统没有机械运动部分，
17、也无需燃料、冷却水的供给，所以在发生灾害等停电时常使用。独立运行系统，分为把全部太阳能电池输出的电能供给负载的无蓄电池系统和夜间或雨天也可以供给电力的带有蓄电池的系统。,并网系统在停电时将功率调节器从系统分离，并从电流控制切换到电压控制，所以作为灾害时的备用电源可以充分利用附加的蓄电池。并网技术要求准则中关于独立运行时的分离点规定：“独立运行的场合，分离通过机械开关2处，或者机械开关1处和手动开关1处进行”。,平时，将配电断路器(MCBl)、电磁接触器(MC1)置于ON并网运行，同时将电磁接触器(MC2)置于OFF，把蓄电池从太阳能电池分离由系统维持充电。停电时，手动将配电断路器(MCB1)置
18、于OFF，那么功率调节器切换到电压控制自动开始运行。如果将电磁接触器(MCB2)置于ON，那么可以并用蓄电池向独立运行负载供电。,另外，还有在指定避难场所使用的太阳能光伏发电系统，即停电时作为备用电源使用的自动切换式带有独立运行功能的并网系统。平时，蓄电池与太阳能电池断开维持充电状态，非常时期则和太阳能电池并联连接使用。在夜间和日照不足时由蓄电池放电，当在太阳能电池输出非常大的白天由太阳能电池充电。由于太阳能电池的充电电能关系，独立运行时的负载多数场合设为设备容量的10%30%,图3.9所示为通过逆变器双向控制，并网时逆变转工作，蓄电池充电时整流器工作，这是在图3.8中不需要充电器的装置，为降
19、低充电时的损失，在夜间用短时间充电的系统是有效的。,3.5 并网保护装置,与系统并网运行的太阳能光伏发电系统，在系统侧和逆变器侧发生异常时，一旦检测到异常，应迅速停止逆变器，确保系统侧的安全。为此，并网技术要求准则中明确规定必须安装并网保护装置（或者具有同等功能的电路）。并网保护装置，一般内置在功率调节器内的情况比较多。,在有逆潮流低压并网系统中，有必要安装过电压继电器(OVR)，欠电压继电器(UVR)，过频率继电器(OFR)，欠频率继电器(UFR)高压并网系统则有必要安装接地过电压继电器(OVGR)。在高压并网系统中安装保护继电器的场合，除接地过电压继电器(OVGR)外，安装点实质上可设在功率调节器的输出点。表3.2中列出了保护继电器的标准整定值和整定时间。,
