光伏并網逆變器工作原理-結構配置組成及發電控制方式解析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-01
隨著綠色能源可再生能源的大規模開發和利用，太陽能憑借其獨特的優點得到了更多的關注。太陽能是當前世界上最清潔、最現實、大規模開發利用最有前景的可再生能源之一。其中太陽能光伏利用受到世界各國的普遍關注，而太陽能光伏并網發電是太陽能光伏利用的主要發展趨勢，必將得到快速的發展。本論文就是在此背景下，對太陽能并網發電系統中最大功率跟蹤控制技術、并網控制策略、孤島效應檢測方法等進行了研究，具有重要的現實意義。太陽能光伏并網發電系統的兩個核心部分是太陽能電池板的最大功率點跟蹤（MPPT）控制和光伏并網逆變控制。本文重點對光伏發電的逆變器最大功率點跟蹤技術、孤島檢測技術以及光伏電站并網控制技術進行了討論，并且預測了光伏發電技術的發展趨勢。
光伏并網逆變器系統是將太陽能光伏陣列發出的直流電轉化為與公共電網電壓同頻同相的交流電，因此該系統是既能滿足本地負載用電又能向公共電網送電。一般情況下，公共電網系統可看作是容量為無窮大的交流電壓源。當太陽能光伏發電并網系統中太陽能光伏陣列的發電量小于本地負載用電量時，本地負載電力不足部分由公共電網輸送供給；當光伏電池陣列的發電量大于本地負載用電量時，太陽能光伏系統將多余的電能輸送給公共電網，實現并網發電
太陽能光伏發電并網系統組成如圖所示，該系統一般由太陽能電池光伏陣列、MPPT控制、DC/DC變換器、驅動電路以及控制器組成，其中變換器可將太陽能光伏陣列發出的直流電逆變成正弦交流電并入公共電網。控制器主要控制逆變器并網電流的波形、功率以及光伏電池最大功率點的跟蹤，以便向電網傳送的功率與太陽能光伏電池陣列所發的最大功率電能相匹配。
如果光伏并網逆變器的輸出采用電壓控制，則相當于是電壓源與電壓源并聯運行；如果光伏并網逆變器的輸出采用電流控制，就相當于電流源與電壓源并聯運行。逆變器采用電流控制時，只需控制逆變器的輸出電流跟蹤電網電壓，控制輸出電流與電網電壓同頻同相，這樣系統的功率因數為1。目前，光伏并網逆變器一般都采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。
太陽能光伏發電并網系統的逆變器通常采用電流控制模式，這樣整個系統系統實際上就是一個電壓源和電流源并聯的系統。逆變器并網運行的主要控制目標是要保證逆變器輸出電流與公共電網電壓同頻同相，并且還能實時跟蹤電網電壓實現最大功率跟蹤控制。通過采用鎖相控制技術實現太陽能光伏發電并網系統輸出的并網電流與公共電網電壓相位同步，保證系統輸出的功率因數為1。光伏并網逆變器運行時還要控制并網電流的總畸變失真要低，以減小對電網的諧波影響，使并網系統的有功功率輸出達到最大。
光伏并網發電系統可以按照系統功能分為兩類：一種為不含蓄電池環節的不可調度式光伏并網發電系統；另一種為含有蓄電池組的可調度式光伏并網發電系統。系統結構圖如1．1所示
可調度式光伏并網發電系統增加了儲能環節，系統首先對蓄電池進行充電，然后根據需要將系統用作并網或者經逆變后獨立使用，系統工作時間和并網功率大小可以人為設定。可調度式并網系統雖然在表面上看來比不可調度式系統功能齊全，但由于增加了儲能環節，帶來了很多嚴重的問題，這是因為：
(1)由于采用蓄電池作為儲能設備，系統必須增加蓄電池的充電裝置，這就增加了成本并且降低了系統的可靠性。
(2)蓄電池組的壽命較短。目前免維修蓄電池在良好環境下的工作壽命通常為5年，而光伏陣列穩定工作的壽命則在25~30年之問，這樣就需要定期更換蓄電池組，又增加了許多系統的投入。
(3)蓄電池組較為笨重，需要占用較大空間，同時要防止泄露出腐蝕性液體，另外報廢的蓄電池組要專門處理，否則會造成污染。
基于上述原因，目前的光伏并網系統主要以不可調度式系統為主。不可調度式光伏并網發電系統的集成度高，其安裝和調試相對方便，可靠性也高。
根據其所產生的電能能否返送到電力系統，可以分為逆流型，無逆流型，切換型，直、交流型，混合型和地域型等。
（1）直、交流型并網發電系統，該系統就是將光伏并網逆變器發電系統所產生的直流電直接供用電設備使用。該系統有時與電力系統并用，主要目的是為了提高供電的可靠性。
（2）混合并網發電系統當太陽能光伏發電所提供的電力不足(如遇到連續陰雨天氣、冬季日照時間過短等)，需要使用其他能源來補充時，可以將風力發電、燃料電池發電等其他發電系統與光伏發電系統并用，這樣的系統叫做混合并網發電系統，如太陽能光伏、燃料電池并網發電系統和風、光互補型并網發電系統：①太陽能光伏、燃料電池并網發電系統，為綜合利用能源，提高能源的綜合利用率，節約電費，減少環境污染，有時將燃料電池與太陽能光伏發電系統并網在一起，構成太陽能光伏、燃料電池并網系統；②風、光互補型并網發電系統，當利用光伏發電提供的電力不足時，可以利用風力發電；當風力發電不足時，可以利用光伏發電，這樣的系統稱為風、光互補式并網發電系統。
風光互補系統同時利用太陽能和風能發電，因此對氣象資源的利用更加充分。可實現晝夜發電。在適宜氣象條件下，風光互補系統可提高系統供電的連續性和穩定性。由于通常夜晚無陽光時恰好風力較大，所以互補性好，可以減少系統的太陽能板配置，從而大大降低系統造價，單位容量的系統初投資和發電成本均低于獨立的光伏系統。該系統發電有余時可向電網系統供電(賣電)；當該系統所發出的電能不足時，可以由電網系統供電(買電)。
（3）逆流型太陽能并網發電系統，當太陽能光伏系統發出的電能充裕時，可將剩余電能向電網系統供電；當太陽能光伏系統提供的電力不足時，可利用外接電力系統供電。這種系統稱為逆流式并網發電系統。
（4）無逆流型并網發電系統光伏并網逆變器發電系統，即使發電充裕也不向電力系統供電，但當太陽能光伏發電系統供電不足時，可以利用外接電力系統供電。這種系統稱為無逆流式并網發電系統。
（5）切換型并網發電系統，該系統可分為以下兩種：①切換型并網發電系統當多云、陰雨、日光不足、晚間或蓄電池容量不足時，切換器能自動地換向電力系統一側，由電網直接向負載供電。設計時，若采用大容量的蓄電池，投資費用增大；采用切換器可使用小容量的蓄電池，則成本可以明顯降低。②自運行切換型并網系統當電力系統因多種原因突然停電時，光伏系統可以通過保護裝置自動使電力系統與光伏系統分離。
為了最大限度的利用好太陽能資源，現階段太陽能光伏并網技術的研究方向為最大功率點跟蹤技術，并網逆變器控制技術，孤島檢測技術。
最大功率點跟蹤技術是通過調整光伏陣列端電壓，使光伏陣列在不同的光照和溫度下實現最大功率輸出，目前常用的MPPT方法主要有恒電壓跟蹤方法，干擾觀測法和電導增量法
雖然光伏陣列的最大功率點功率隨著光照強度的增強而增大.但最大功率點電壓基本變化不大。因此，只要通過光伏陣列生產商提供的光伏陣列的特性數據或者通過實際測量就可以得到近似最大功率點電壓U..系統只需將光伏陣列的輸出電壓固定在U.上.就可以使光伏陣列以近似最大功率輸出。這樣就將最大功率點跟蹤控制簡化成穩壓控制，光伏陣列的工作點比較穩定，實現方法簡單，系統穩定可靠。
但是.這種方法忽略了溫度對光伏陣列工作特性的形響。當溫度上升時，光伏陣列的最大功率點電壓下降，并且變化較大。如果仍然采用固定電壓法控制.光伏陣列的輸出功率將損失較大.無法充分發揮作用，效率下降.因此，在冬夏、早晚等溫度變化較大時.采用固定電壓控制并不合適，此時，可以通過以下方法根據實際情況改變Um：
1)根據冬夏、早晚的實際情況，手工調整Um.由于需要人工維護，費時費力，因此較少采用。
2)將光伏陣列在不同溫度下對應的Um.存儲在系統的存儲器內。根據溫度傳感器測量得到的溫度相應的將光伏陣列輸出電壓固定在此溫度下對應的Um。
3)根據光伏陣列的最大功率點電壓與開路電壓之間存在近似的比例關系這一特性改變Um。
根據以上分析，可知因定電壓法的特點如下:
1)原理簡單，控制方法容易實現.只需耍將光伏陣列輸出電壓固定在近似最大功率點電壓Um處即可。
2)由于光伏陣列輸出電壓固定在某一特定值，因此系統比較穩定.不易出現振蕩.
3)在外部環境發生變化的情況下控制精度較低.因此適用子外部環境(光照強度、溫度等)變化不大的場合，如太空。
光伏并網系統是將太陽能電池板產生的直流電轉化為正弦交流電，從而向電網供電的裝置，它實際上是一個有源逆變系統。光伏并網逆變器控制目標是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩定的高質量的正弦波，且與電網電壓同頻、同相。光伏并網系統逆變器按控制方式分類，可以分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。電壓源型逆變器是采用電容作為儲能元件，在直流輸入側并聯大電容用作無功功率緩沖環節，構成逆變器低阻抗的電源內阻特性，即電壓源特性。以電流源為輸入方式的逆變器，其直流側需串聯一個大電感作為無功元件儲存無功功率，構成逆變器高阻抗的電流源特性，提供穩定的直流電流輸入，但是串入大電感往往會導致系統動態響應差，因此，目前世界范圍內大部分光伏并網逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。
并網逆變器中逆變部分控制的關鍵量是矢量圖中的電流，可以通過對輸出電壓的控制完成對I的控制或者直接對I進行控制，完成對交流側電流、功率因數的控制。因此，根據電流控制方法的不同，可以將電流控制方式分為以下兩種控制模式：
1)間接電流控制
它是根據穩態電流向量的給定、PWM基波電壓向量的幅值和相位，分別進行閉環控制，進而通過電壓控制實現對并網電流的控制。該控制策略雖然簡單且不需檢測并網電流，但動態響應慢，存在瞬時直流電流偏移，尤其是瞬態過沖電流幾乎是穩態值的兩倍；從穩態向量關系進行電流控制，其前提條件是電網電壓不發生畸變，而實際上由于電網內阻抗、負載的變化以及各種非線性負載擾動等情況的存在，尤其是在瞬態過程中電網電壓的波形會發生畸變。電網電壓波形的畸變會直接影響著系統控制的效果，因此間接電流控制方法控制電路復雜、信號運算過程中要用到電路參數、對系統參數有一定的依賴性、系統的動態響應速度也比較慢。
2)直接電流控制
通過運算求出交流電流，再引入交流電流反饋，通過對交流電流的直接控制，使其跟蹤指令電流值。對于光伏并網逆變器來說為了獲得與電網電壓同步的給定正弦電流波形，通常用電網電壓信號乘以電流有功給定，產生正弦參考電流波形，然后使其輸出電流跟蹤這一指令電流。具有控制電路相對簡單、對系統參數的依賴性低、系統動態響應速度快等優點。
光伏并網逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負荷下設備對電功率的要求。對于以單一設備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單。
當用電設備為純阻性負載或功率因數大于0.9時，選取逆變器的額定容量為用電設備容量的1.1～1.15倍即可。同時逆變器還應具有抗容性和感性負載沖擊的能力。
對一般電感性負載，如電機、冰箱、空調、洗衣機、大功率水泵等，在起動時，其瞬時功率可能是其額定功率的5～6倍，此時，逆變器將承受很大的瞬時浪涌。針對此類系統，逆變器的額定容量應留有充分的余量，以保證負載能可靠起動，高性能的逆變器可做到連續多次滿負荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時需采用軟起動或限流起動的方式。
光伏并網逆變器光伏發電系統是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，太陽跟蹤控制系統等設備組成。其部分設備的作用是：
4.1電池方陣
在有光照（無論是太陽光，還是其它發光體產生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應”。在光生伏特效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非單晶硅太陽能電池三種。
4.2蓄電池組
其作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強；d.充電效率高；e.少維護或免維護；f.工作溫度范圍寬；g.價格低廉。
4.3控制器
是能自動防止蓄電池過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。
4.4逆變器
是將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發電系統，為獨立負載供電。光伏并網逆變器用于并網運行的太陽能電池發電系統。逆變器按輸出波型可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器成本高，但可以適用于各種負載。
4.5跟蹤系統
由于相對于某一個固定地點的太陽能光伏發電系統，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。采用的是電腦數據理論，需要地球經緯度地區的的數據和設定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設定數據和調整各個參數；原理、電路、技術、設備復雜，非專業人士不能夠隨便操作。把加裝了智能太陽跟蹤儀的太陽能發電系統安裝在高速行駛的汽車、火車，以及通訊應急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上，不論系統向何方行駛、如何調頭、拐彎，智能太陽跟蹤儀都能保證設備的要求跟蹤部位正對太陽。
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