光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)研究

呂宗水 衣春龍

【摘 ?要】隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們對(duì)能源提出了更高的要求，開(kāi)發(fā)和利用新的能源是人類當(dāng)前亟待解決的重大課題。太陽(yáng)能以其清潔、無(wú)污染，并且取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)得到了人們的極大關(guān)注。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電，并且實(shí)現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的一個(gè)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】光伏并網(wǎng);太陽(yáng)能;逆變器

二十世紀(jì)以后，隨著電力普遍的使用，電力的高負(fù)荷增長(zhǎng)，是國(guó)家的輸電系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的大型發(fā)電廠單一的供電方式，已經(jīng)嚴(yán)重顯現(xiàn)出投資大，事故影響大的特點(diǎn)，分布式供電網(wǎng)絡(luò)尤其是太陽(yáng)能供電越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注和歡迎[1]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不消耗燃料，不排放包括溫室氣體在內(nèi)的任何物質(zhì)，無(wú)噪聲，無(wú)污染;光伏發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)。

針對(duì)并網(wǎng)逆變技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在進(jìn)行太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以前，要對(duì)這套系統(tǒng)和理論有一個(gè)初步的了解，本章對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，并分析了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基本原理。太陽(yáng)能發(fā)電的基本原理，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)和并網(wǎng)逆變器組成原理。其次在分析并網(wǎng)發(fā)電的基礎(chǔ)上采用了電壓源輸入-電流源輸出的控制方式。再次對(duì)逆變器電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定了系統(tǒng)采用無(wú)變壓器絕緣的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)使用前級(jí)的Boost電流和后級(jí)的全橋逆變電路。最后對(duì)Boost電路和全橋逆變電路進(jìn)行原理上的分析[2]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤

在光伏系統(tǒng)逆變并網(wǎng)之前，需要對(duì)光伏組建的輸出進(jìn)行穩(wěn)壓控制和最大功率跟蹤控制，用以最大限度地的提高太陽(yáng)能組件的利用效率。太陽(yáng)能光伏電池的輸出電流與電壓有非線性的特性，并且其輸出受光照強(qiáng)度和溫度的影響。隨著溫度和光照強(qiáng)度的不同，光伏電池兩端的輸出的電壓也會(huì)發(fā)生改變，使輸出功率也會(huì)發(fā)生很大的變化。在一定的光照強(qiáng)度和溫度時(shí)，只有在某一輸出電壓時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大。于是，如何能在不同的光照強(qiáng)度和溫度下，使光伏電池輸出功率最大，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率.本章詳細(xì)分析了太陽(yáng)能光伏電池的工作特性和輸出特性，根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型組件了單個(gè)電池的電路仿真模型。在對(duì)常用最大功率跟蹤策略進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，提出了電導(dǎo)增量法的控制策略，結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主電路對(duì)其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明該策略能取得較好的控制效果。

1.1太陽(yáng)能光伏電池工作原理

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池陣列和光伏并網(wǎng)逆變器組成。根據(jù)需要的發(fā)電功率和直流電壓，可以把多塊太陽(yáng)能電池組件用串聯(lián)和并聯(lián)的方法組合起來(lái)，形成太陽(yáng)能光伏陣列。通常應(yīng)用的太陽(yáng)能電池是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成。照到太陽(yáng)電池上的太陽(yáng)光線，一部分被太陽(yáng)電池表面反射掉，另一部分被太陽(yáng)電池吸收，還有少量透過(guò)太陽(yáng)電池。在被太陽(yáng)電池吸收的光子中，那些能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子可以使半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在P區(qū)空間電荷區(qū)和N區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光電子空穴對(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)，想各個(gè)方向遷移。光生電子空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子空穴對(duì)產(chǎn)生后，光生空穴被推進(jìn)p區(qū)。在空間電荷邊界處總的載流子濃度近似為0.在N區(qū)，光生電子空穴對(duì)產(chǎn)生后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦達(dá)到P-N 結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)空間電荷進(jìn)入P 區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在N區(qū)。而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在P區(qū)。因此，在P-N結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生了正、負(fù)電荷的累積，形成于內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。

1.2 常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法

在一定的光照溫度小，太陽(yáng)電池有一個(gè)最大功率點(diǎn)，由于光伏陣列的輸出功率隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，太陽(yáng)能電池不一定工作在最大功率點(diǎn)，為了發(fā)揮太陽(yáng)電池的發(fā)電能力，可以采取一些措施，使得太陽(yáng)電池隨時(shí)工作在最大功率點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的方法有很多，主要介紹以下四種方法，恒電壓控制法，間歇掃描跟蹤法，擾動(dòng)觀察法，增量電導(dǎo)法。

1.2.1 恒電壓控制法

在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度變化時(shí)，太陽(yáng)電池的最佳工作電壓Um 變化不大。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以再光伏方陣和負(fù)載之間通過(guò)一定的阻抗變換，使得系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)壓器，即光伏方陣的工作電壓始終保持在Um 附近，這樣就可使方陣的輸出功率保持接近于最大功率點(diǎn)。

2 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的核心部件是并網(wǎng)逆變器。其中最核心的部分是并網(wǎng)逆變器的控制策略。本章重點(diǎn)圍繞如何實(shí)現(xiàn)控制并網(wǎng)逆變器展開(kāi)研究，控制逆變電路輸出正弦交流電，并且可以順利接入電網(wǎng)。

2.1 光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的特有部件并網(wǎng)逆變器，有逆變器的一般性技術(shù)指標(biāo)。第一，因?yàn)楣夥姵氐妮敵鲭妷菏艿焦庹諒?qiáng)度的影響而易出現(xiàn)較大的波動(dòng)，逆變器直流側(cè)輸出要求有一定的輸入電壓范圍，這取決于逆變器的輸出電壓范圍和功率開(kāi)關(guān)管所承受的最高電 壓。第二，因?yàn)橐笥斜容^高的變換效率，直接影響著光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，發(fā)電效率的高低對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)降低發(fā)電成本和提高有效發(fā)電量有重要影響，所以必須盡量降低其自身的功率損耗，不宜采取過(guò)多的開(kāi)關(guān)管。第三，要有一定的額定輸出電壓和輸出容量穩(wěn)定度，提高負(fù)載供電的能力，以使系統(tǒng)保持比較高的可靠性。第四，要有較強(qiáng)的抑制諧波能力，減少對(duì)電力系統(tǒng)的配電線的影響，一般體現(xiàn)在總諧波畸變度（THD）和畸變因數(shù)（DF）上，這對(duì)輸出電壓波形的質(zhì)量非常重要。此外，整個(gè)逆變環(huán)節(jié)要有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，保持輸出電壓、頻率的精度，及時(shí)跟蹤電網(wǎng)變化，同時(shí)具有最大功率跟蹤功能和各種保護(hù)功能

2.2 光伏并網(wǎng)逆變器的常用控制方法

在光伏并網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)中，逆變器的輸出一般為電壓源或者電流源。若光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出為正弦交流電壓時(shí)，必須嚴(yán)格控制輸出電流的幅值和相位，但由于鎖相回路響應(yīng)時(shí)間等各個(gè)方面的問(wèn)題，并網(wǎng)逆變系統(tǒng)和電網(wǎng)之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，發(fā)生故障，所以光伏并網(wǎng)的輸出經(jīng)常采用電流輸出的方式。

2.3 滯環(huán)電流跟蹤法

滯環(huán)電流控制是將指定實(shí)際電流和正弦參考電流相比較，當(dāng)電流誤差大于指定的環(huán)寬時(shí)，滯環(huán)比較器所產(chǎn)生相應(yīng)的 PWM 脈沖來(lái)控制逆變器減小或增大輸出電流，令其始終固定在一定范圍的滯環(huán)帶內(nèi)。

2.4 電壓電流雙閉環(huán) SPWM 控制策略

基于電壓電流雙閉環(huán) SPWM 控制的電流跟蹤系統(tǒng)具有固定的開(kāi)關(guān)頻率，它具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于開(kāi)關(guān)頻率固定，可以使輸出側(cè)的濾波電感更容易設(shè)計(jì);加入電壓外環(huán)后，更可以大幅度的提高逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合以上考慮因素，采用基于電壓電流雙閉環(huán) SPWM 控制方法。

3 ?結(jié)論

研究了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)逆變器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，對(duì)比了幾種常見(jiàn)的控制方法，設(shè)計(jì)了1KW 的單項(xiàng)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，主要工作對(duì)擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法進(jìn)行了分析，并采用增量電導(dǎo)法作為最大功率點(diǎn)跟蹤方法，通過(guò)軟件的分析取得了較好的結(jié)果，控制電路采雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的SPWM控制策略，本課題對(duì)光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)做了初步的設(shè)計(jì)，對(duì)于逆變電路部分做了深入的研究，就各種逆變電路的特點(diǎn)、使用場(chǎng)合進(jìn)行了闡述，對(duì)后續(xù)工作做出了一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊金煥.太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2009，1-4

[2]李忠實(shí).太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工與維護(hù)[M]，北京：人民郵電出版社，2010，1-4.6-57

（作者單位：國(guó)家電投集團(tuán)山東新能源有限公司）