光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)與控制研究

索博鵬+陸文俊

摘 要：本研究分析了并網(wǎng)逆變器的工作原理和電網(wǎng)、光伏陣列及用戶對(duì)并網(wǎng)逆變器的要求。要使并網(wǎng)逆變器輸出的電能符合電網(wǎng)的要求，必須做好對(duì)逆變器的控制，這主要通過(guò)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的控制和檢測(cè)電網(wǎng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并做好孤島效益的檢測(cè)和控制。本研究為并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)和控制措施提供了指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；并網(wǎng)逆變器；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.180

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)快速發(fā)展，光伏發(fā)電能力的逐步增強(qiáng)，有效的促進(jìn)了光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。為進(jìn)一步緩解我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理、能源需求緊張的矛盾，發(fā)展分布式光伏發(fā)電成為我國(guó)能源發(fā)展的重要發(fā)展方向。但是，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所需投資大、成本高，并且光電轉(zhuǎn)換效率不高，將制約光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。因此，迫切需要研發(fā)造價(jià)低、性能優(yōu)異的光伏材料、組件，同時(shí)，需要進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率。我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電通常為直流電[1]，但由于負(fù)載端所需電壓各異，無(wú)法確保對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中負(fù)載的兼容，也很難滿足交流負(fù)載的民用需要。另外，要實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)所產(chǎn)電能可被接入電網(wǎng)，要求將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。因此，必須加強(qiáng)交流光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)。

2 并網(wǎng)逆變器的工作機(jī)理和分類

并網(wǎng)逆變器的主要作用是將電池組件輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，同時(shí)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，對(duì)交流電進(jìn)行控制，使其符合并網(wǎng)電壓的需要。逆變器的控制機(jī)理和電路拓?fù)溆嘘P(guān)。逆變器是交流光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分，也是關(guān)鍵部位。并網(wǎng)逆變器作為光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件，其主要工作職能是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換。其運(yùn)轉(zhuǎn)能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，并且影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的使用年限的長(zhǎng)短。逆變器轉(zhuǎn)換效率的高低與其本身能量損失有關(guān)，同時(shí)還會(huì)對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量和相關(guān)組件的配置產(chǎn)生重大影響。因此，逆變器將與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)，同時(shí)，還關(guān)系著系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。做好逆變器的型號(hào)和控制方式的選擇，關(guān)系著并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和運(yùn)行成本控制。

3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)逆變器的選擇要求

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要構(gòu)件之一。作為連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部位，并網(wǎng)逆變器的主要作用是轉(zhuǎn)換產(chǎn)自光伏陣列的電能。逆變器輸出與電網(wǎng)一致的正弦波電流后注入電網(wǎng)。其頻率和相位與電網(wǎng)相同，同時(shí)還可跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率點(diǎn)。

3.1 電網(wǎng)的要求

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換后輸出的正弦波電流要符合電網(wǎng)的要求。也就是說(shuō)，并網(wǎng)逆變器輸出的正弦波其失真度要足夠小。并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率會(huì)影響正弦波的波形失真度，通過(guò)提高逆變器的開關(guān)頻率性能、選擇好逆變器的朱功率元件，可有效減小正弦波的失真度，符合電網(wǎng)要求。同時(shí)，并網(wǎng)逆變器還需具有防孤島效益的保護(hù)作用，在電網(wǎng)因故障、誤操作等原因中斷供電時(shí)，可及時(shí)有效的檢測(cè)出電網(wǎng)的斷電狀態(tài)，并迅速切離?？刹捎米儔浩鱽?lái)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的有效隔離。同時(shí)，要嚴(yán)格國(guó)際規(guī)定做好并網(wǎng)逆變器的接地。

3.2 光伏陣列的要求

光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率易受輻照強(qiáng)度和溫度的影響而發(fā)生變化，因此要求通過(guò)并網(wǎng)逆變器調(diào)節(jié)控制電池組件的輸出電壓。該輸出電壓要接近電池組件最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓，從而確保電池組件的輸出電量達(dá)到最高效率[2]。

3.3 用戶的要求

當(dāng)前我國(guó)光伏發(fā)電成本高企、光電轉(zhuǎn)換效率低。要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，必須提升逆變器的效率。同時(shí)，由于當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要建設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)，為了便于遠(yuǎn)程管理和檢修，可通過(guò)逆變器穩(wěn)妥的電路結(jié)構(gòu)和靈活的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。逆變器要具備多種防護(hù)性能，如當(dāng)遇到交流輸出短路、過(guò)熱過(guò)載時(shí)可以啟動(dòng)防護(hù)性能。由于發(fā)電系統(tǒng)的端電壓隨輻照強(qiáng)度和負(fù)載的不同而變化，在實(shí)際應(yīng)用中，由于多組電池組件串聯(lián)，其直流電壓也較高，并且各組件的功率和電壓各不相同，并且不同的串并聯(lián)組合，這就要求逆變器直流輸入電壓工作范圍要比較寬，同時(shí)，能夠控制輸出穩(wěn)定的交流輸出電壓，符合并網(wǎng)電網(wǎng)的要求。由于并網(wǎng)發(fā)電，所以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)需蓄電池，節(jié)約了成本，減少了損耗，有效提高了效率。逆變器轉(zhuǎn)換效率的大小直接關(guān)系著電池組件的容量，也決定著整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力。同時(shí)，要提高并網(wǎng)逆變器的使用壽命和運(yùn)行可靠性。光伏組件的使用年限需達(dá)到20-30年，在此期間，如果并網(wǎng)逆變器發(fā)生故障，整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，將會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。

4 并網(wǎng)逆變器的控制策略

并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)頻率、相位相同的正弦波和電流，這是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)順利接入電網(wǎng)的基本要求，同時(shí)，輸出電能的質(zhì)量也必須滿足電網(wǎng)要求。要做好滿足這些條件，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。首先要做到對(duì)光伏陣列工作點(diǎn)的有效控制?？刹捎煤汶妷夯騇PPT兩種方式。其中，MPPT主要采用跟蹤光伏陣列最大工作點(diǎn)的方式。其次，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的有效跟蹤控制。由于對(duì)并網(wǎng)逆變器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)防孤島效益的有效保護(hù)。在電網(wǎng)失電時(shí)，逆變器對(duì)電壓、頻率和相位等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)判斷出電網(wǎng)的斷電狀態(tài)，必須迅速切除并網(wǎng)逆變器，確保電網(wǎng)安全。因此必須做好對(duì)孤島效益的檢測(cè)和控制。

5 結(jié)論

發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)，對(duì)于緩解我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理，需求緊張的矛盾有非常重要的意義，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。提升并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換效率以減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的損耗。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出電能滿足接入電網(wǎng)的要求，要求并網(wǎng)逆變器輸出的交流電的波幅和相位等與電網(wǎng)相符合。同時(shí)，要做好對(duì)并網(wǎng)逆變器的有效控制。可通過(guò)對(duì)光伏陣列工作點(diǎn)的控制和跟蹤電網(wǎng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并做好孤島效益的檢測(cè)和控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳維，沈輝，鄧幼俊，舒杰.光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器技術(shù)應(yīng)用及展望[J].電子電力技術(shù)，2006，40（04）：130-133.

[2]王久和，慕小斌，張百樂，張震.光伏并網(wǎng)逆變器最大功率傳輸控制研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（06）：49-56.

作者簡(jiǎn)介：索博鵬（1987-），男，陜西渭南人，本科，助工，主要從事新能源光伏發(fā)電。