基于戶用型太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)設備研究

張鵬

（無錫新世紀太陽能電力有限公司，江蘇 無錫 214108）

引言

隨著太陽能光伏技術的開發(fā)和應用，采用SPWM 技術的并網(wǎng)控制逆變器裝置在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)領域獲得了廣泛應用。與傳統(tǒng)整流器相比，這種逆變器裝置的主電路采用可關斷的全控器件，可以實現(xiàn)電能的雙向傳輸。這種逆變器裝置不僅具有受控的AC/DC 整流功能，而且還具有DC/AC的逆變功能。通過數(shù)字控制技術在并網(wǎng)逆變器交流側(cè)可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行和正弦化電流波形，在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中采用PWM 并網(wǎng)逆變器可以在向電網(wǎng)饋送能量的同時，減少裝置對電網(wǎng)的污染，實現(xiàn)高質(zhì)量的并網(wǎng)發(fā)電。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板(即光伏陣列)，并網(wǎng)逆變器，濾波電抗器和DSP控制電路構成。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成

由圖1 可見光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，再利用并網(wǎng)逆變器的受控電流源特性，控制逆變器運行在發(fā)電狀態(tài)，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電饋送電網(wǎng)。整個系統(tǒng)能量的變換和傳遞過程，是利用IPM 模塊構成的并網(wǎng)逆變器電路來實現(xiàn)的，而并網(wǎng)逆變器的控制則是通過DSP 生成驅(qū)動主電路的PWM 信號來完成。

針對光伏發(fā)電并網(wǎng)設備的研究內(nèi)容，包括：

①系統(tǒng)總體方案設計

●整個控制系統(tǒng)采用不可調(diào)度式，無需蓄電池等儲能裝置，免除了由于存在蓄電池而帶來的運行和維護費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。

●整個系統(tǒng)分為控制和逆變兩部分。

●研究重點包括PWM 控制器、驅(qū)動電路、DC/DC 變換器、MPPT 技術及逆變器部分。

②系統(tǒng)控制技術的研究開發(fā)

●并網(wǎng)控制方法與策略研究，包括：最大功率點控制、波形跟蹤和控制方法。

●通過比較多種PWM 控制方式，確定適合該系統(tǒng)的控制策略。

●并網(wǎng)系統(tǒng)保護裝置的研究。

●能量管理策略的研究。

③系統(tǒng)逆變技術的研究開發(fā)

●逆變器并網(wǎng)方式研究開發(fā)。

●DC/DC 變換器控制系統(tǒng)研究開發(fā)。

●逆變效率分析、"孤島"檢測保護、主功率元件的選擇等研究。

④系統(tǒng)整機技術的研究開發(fā)

●整機穩(wěn)定性及效率分析、電流傳感器和電壓傳感器研究。

●系統(tǒng)工作參數(shù)計算機仿真，通過仿真技術應用，尋找最佳工作參數(shù)。

2 并網(wǎng)設備關鍵技術研究

①基于BOOST 升壓電路的光伏陣列MPPT 跟蹤技術和單級式正弦逆變與最大功率點跟蹤統(tǒng)一結構的主電路拓撲技術，使得MPPT控制、逆變控制、相位同步等控制目標在一個變換環(huán)節(jié)中的得到實現(xiàn)，保證輸出電流呈連續(xù)狀態(tài)，達到簡化系統(tǒng)組成，提高系統(tǒng)運行可靠性的目的。

②運用太陽能最大功率點跟蹤技術，實現(xiàn)最大功率輸出，充分利用太陽能的能量，使裝置效率≥96%。

通過對太陽能陣列的功率輸出采樣，將其與前一時刻的功率相比較，舍小取大，根據(jù)比較的結果，控制陣列電壓、電流的增大或減小，而后再比較，如此不停的周而復始自主尋優(yōu)，確定系統(tǒng)工作點。

③建立先進的并網(wǎng)逆變控制方法Deadbeat 無差拍PWM 技術、瞬時無功控制理論，在一個控制周期內(nèi)，實現(xiàn)電網(wǎng)無功和諧波的無差拍補償，達到高水平柔性輸配電裝置的控制效果。

能量管理和控制策略采用雙閉環(huán)控制：

A、電流環(huán)：提取參考電流，計算補償電流、無功電流。

B、功率環(huán)：實現(xiàn)最大功率跟蹤，控制功率流向。

PWM 方式比較：

-滯回比較PWM，電流變化小時會使電流相對誤差過大，電流變化大時，可能使器件的開關頻率過高。

-定步長PWM，電流跟隨最大相對誤差不確定。

-三角波比較PWM，輸出含有載波頻率段的諧波。

-優(yōu)化PWM，運算量大，不適于變化環(huán)境的計算。

-無差拍PWM。單周期，開關頻率固定，動態(tài)響應快。

在電網(wǎng)電源和負載之間并聯(lián)了GCPV，負載消耗的有功功率并不需要由電網(wǎng)完全提供，因此電網(wǎng)輸出的電流明顯小于通過負載的電流，有效值約為2.26A。

在matlab 環(huán)境下，對基于瞬時無功理論的諧波和無功電流的檢測進行了仿真，仿真使用的負載為整流橋并聯(lián)阻容負載，在負載的進線端串聯(lián)了三個電抗器，目前市場上大量的整流負載都安裝了輸入濾波電抗器，同時這三個電抗器也提供無功功率的消耗，其信號流程處理的方法完全按照瞬時無功的檢測方法。采用瞬時無功的基波電流提取算法，使GCPV 能夠?qū)崟r補償電網(wǎng)電流中的諧波和無功成分。

根據(jù)三相電壓源型PWM 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，可知并網(wǎng)逆變器通過控制三相電壓源型逆變器橋臂輸出電壓來控制輸出電流，在控制輸出電流得同時，為提高光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)發(fā)電量，充分利用在同等光照條件的光伏陣列所能提供的最大功率，在相應的光伏并網(wǎng)逆變器裝置控制系統(tǒng)中引入了最大功率點跟蹤(MPPT)技術。

④采用包含孤島效應等在內(nèi)的光伏并網(wǎng)保護控制策略，極大地改善了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

⑤采用基于正反饋有功干擾的孤島檢測方法，避免對公共電網(wǎng)的電力污染。保護響應快、可靠性高。

綜上所述，采用以上關鍵技術研究形成的5kW 太陽能發(fā)電并網(wǎng)設備，從輸出波形圖可以看出，三相系統(tǒng)具有較好的正弦輸出電流波形，且三相電流保持平衡。

3 結束語

本文比較完善的闡述了基于DSP的光伏并網(wǎng)設備的組成及其關鍵技術。設計的并網(wǎng)設備能夠有效實現(xiàn)光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電功能。在并網(wǎng)逆變器裝置設計過程中，利用高速的數(shù)字信號處理器和智能功率模塊硬件集成度高、保護功能強大、性能可靠等特點簡化了并網(wǎng)設備的硬件設計和成本，同時提高了設備運行的可靠性。

展望光伏逆變控制技術的發(fā)展，必將伴隨電力電子技術、控制技術、計算機技術、新型功率器件及應用、模塊電源技術的發(fā)展，其核心目標就是要求逆變控制系統(tǒng)的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。由此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)未來的技術發(fā)展與創(chuàng)新就是：新型電路拓撲結構的設計、智能控制技術的應用，神經(jīng)網(wǎng)絡技術的結合、高頻開關技術、軟開關技術、智能監(jiān)測與保護技術、模塊化技術的應用與改進、電磁兼容性更好等。

[1]李俊峰，王仲穎主編，《中華人民共和國可再生能源法解讀》[M]，化學工業(yè)出版社，2005

[2]沈輝，曾祖勤主編，《太陽能光伏發(fā)電技術》[M]，化學工業(yè)出版社，2005

[3]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強主編，《太陽能光伏發(fā)電及其應用》[M]，科學出版社，2005