光伏并網(wǎng)逆變器工作原理-結(jié)構(gòu)配置組成及發(fā)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(guī)模開發(fā)和利用，太陽能憑借其獨特的優(yōu)點得到了更多的關(guān)注。太陽能是當(dāng)前世界上最清潔、最現(xiàn)實、大規(guī)模開發(fā)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(guān)注，而太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏利用的主要發(fā)展趨勢，必將得到快速的發(fā)展。本論文就是在此背景下，對太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤控制技術(shù)、并網(wǎng)控制策略、孤島效應(yīng)檢測方法等進行了研究，具有重要的現(xiàn)實意義。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)逆變控制。本文重點對光伏發(fā)電的逆變器最大功率點跟蹤技術(shù)、孤島檢測技術(shù)以及光伏電站并網(wǎng)控制技術(shù)進行了討論，并且預(yù)測了光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。
光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)是將太陽能光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與公共電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，因此該系統(tǒng)是既能滿足本地負載用電又能向公共電網(wǎng)送電。一般情況下，公共電網(wǎng)系統(tǒng)可看作是容量為無窮大的交流電壓源。當(dāng)太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中太陽能光伏陣列的發(fā)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(wǎng)輸送供給；當(dāng)光伏電池陣列的發(fā)電量大于本地負載用電量時，太陽能光伏系統(tǒng)將多余的電能輸送給公共電網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電
太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成如圖所示，該系統(tǒng)一般由太陽能電池光伏陣列、MPPT控制、DC/DC變換器、驅(qū)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(fā)出的直流電逆變成正弦交流電并入公共電網(wǎng)?？刂破髦饕刂颇孀兤鞑⒕W(wǎng)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(wǎng)傳送的功率與太陽能光伏電池陣列所發(fā)的最大功率電能相匹配。
如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則相當(dāng)于是電壓源與電壓源并聯(lián)運行；如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電流控制，就相當(dāng)于電流源與電壓源并聯(lián)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(wǎng)電壓，控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，這樣系統(tǒng)的功率因數(shù)為1。目前，光伏并網(wǎng)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器通常采用電流控制模式，這樣整個系統(tǒng)系統(tǒng)實際上就是一個電壓源和電流源并聯(lián)的系統(tǒng)。逆變器并網(wǎng)運行的主要控制目標(biāo)是要保證逆變器輸出電流與公共電網(wǎng)電壓同頻同相，并且還能實時跟蹤電網(wǎng)電壓實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。通過采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的并網(wǎng)電流與公共電網(wǎng)電壓相位同步，保證系統(tǒng)輸出的功率因數(shù)為1。光伏并網(wǎng)逆變器運行時還要控制并網(wǎng)電流的總畸變失真要低，以減小對電網(wǎng)的諧波影響，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達到最大。
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)功能分為兩類：一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；另一種為含有蓄電池組的可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1．1所示
可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)增加了儲能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)首先對蓄電池進行充電，然后根據(jù)需要將系統(tǒng)用作并網(wǎng)或者經(jīng)逆變后獨立使用，系統(tǒng)工作時間和并網(wǎng)功率大小可以人為設(shè)定。可調(diào)度式并網(wǎng)系統(tǒng)雖然在表面上看來比不可調(diào)度式系統(tǒng)功能齊全，但由于增加了儲能環(huán)節(jié)，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(shè)備，系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境下的工作壽命通常為5年，而光伏陣列穩(wěn)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(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)主要以不可調(diào)度式系統(tǒng)為主。不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的集成度高，其安裝和調(diào)試相對方便，可靠性也高。
根據(jù)其所產(chǎn)生的電能能否返送到電力系統(tǒng)，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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)就是將光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的直流電直接供用電設(shè)備使用。該系統(tǒng)有時與電力系統(tǒng)并用，主要目的是為了提高供電的可靠性。
（2）混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)太陽能光伏發(fā)電所提供的電力不足(如遇到連續(xù)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(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等其他發(fā)電系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)并用，這樣的系統(tǒng)叫做混合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)、光互補型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：①太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，為綜合利用能源，提高能源的綜合利用率，節(jié)約電費，減少環(huán)境污染，有時將燃料電池與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)在一起，構(gòu)成太陽能光伏、燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)；②風(fēng)、光互補型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)利用光伏發(fā)電提供的電力不足時，可以利用風(fēng)力發(fā)電；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電不足時，可以利用光伏發(fā)電，這樣的系統(tǒng)稱為風(fēng)、光互補式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
風(fēng)光互補系統(tǒng)同時利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電，因此對氣象資源的利用更加充分?？蓪崿F(xiàn)晝夜發(fā)電。在適宜氣象條件下，風(fēng)光互補系統(tǒng)可提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。由于通常夜晚無陽光時恰好風(fēng)力較大，所以互補性好，可以減少系統(tǒng)的太陽能板配置，從而大大降低系統(tǒng)造價，單位容量的系統(tǒng)初投資和發(fā)電成本均低于獨立的光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電有余時可向電網(wǎng)系統(tǒng)供電(賣電)；當(dāng)該系統(tǒng)所發(fā)出的電能不足時，可以由電網(wǎng)系統(tǒng)供電(買電)。
（3）逆流型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能充裕時，可將剩余電能向電網(wǎng)系統(tǒng)供電；當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)提供的電力不足時，可利用外接電力系統(tǒng)供電。這種系統(tǒng)稱為逆流式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
（4）無逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)，即使發(fā)電充裕也不向電力系統(tǒng)供電，但當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足時，可以利用外接電力系統(tǒng)供電。這種系統(tǒng)稱為無逆流式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
（5）切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為以下兩種：①切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)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(tǒng)一側(cè)，由電網(wǎng)直接向負載供電。設(shè)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(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)電力系統(tǒng)因多種原因突然停電時，光伏系統(tǒng)可以通過保護裝置自動使電力系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)分離。
為了最大限度的利用好太陽能資源，現(xiàn)階段太陽能光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究方向為最大功率點跟蹤技術(shù)，并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)，孤島檢測技術(shù)。
最大功率點跟蹤技術(shù)是通過調(diào)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(xiàn)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(dǎo)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(chǎn)商提供的光伏陣列的特性數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wěn)壓控制，光伏陣列的工作點比較穩(wěn)定，實現(xiàn)方法簡單，系統(tǒng)穩(wěn)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(dāng)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(fā)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(jù)實際情況改變Um：
1)根據(jù)冬夏、早晚的實際情況，手工調(diào)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(yīng)的Um.存儲在系統(tǒng)的存儲器內(nèi)。根據(jù)溫度傳感器測量得到的溫度相應(yīng)的將光伏陣列輸出電壓固定在此溫度下對應(yīng)的Um。
3)根據(jù)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(guān)系這一特性改變Um。
根據(jù)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(xiàn).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(tǒng)比較穩(wěn)定.不易出現(xiàn)振蕩.
3)在外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下控制精度較低.因此適用子外部環(huán)境(光照強度、溫度等)變化不大的場合，如太空。
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電，從而向電網(wǎng)供電的裝置，它實際上是一個有源逆變系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)逆變器控制目標(biāo)是：控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波，且與電網(wǎng)電壓同頻、同相。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)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(cè)并聯(lián)大電容用作無功功率緩沖環(huán)節(jié)，構(gòu)成逆變器低阻抗的電源內(nèi)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(cè)需串聯(lián)一個大電感作為無功元件儲存無功功率，構(gòu)成逆變器高阻抗的電流源特性，提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但是串入大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此，目前世界范圍內(nèi)大部分光伏并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。
并網(wǎng)逆變器中逆變部分控制的關(guān)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(cè)電流、功率因數(shù)的控制。因此，根據(jù)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(jù)穩(wěn)態(tài)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(huán)控制，進而通過電壓控制實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的控制。該控制策略雖然簡單且不需檢測并網(wǎng)電流，但動態(tài)響應(yīng)慢，存在瞬時直流電流偏移，尤其是瞬態(tài)過沖電流幾乎是穩(wěn)態(tài)值的兩倍；從穩(wěn)態(tài)向量關(guān)系進行電流控制，其前提條件是電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，而實際上由于電網(wǎng)內(nèi)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(tài)過程中電網(wǎng)電壓的波形會發(fā)生畸變。電網(wǎng)電壓波形的畸變會直接影響著系統(tǒng)控制的效果，因此間接電流控制方法控制電路復(fù)雜、信號運算過程中要用到電路參數(shù)、對系統(tǒng)參數(shù)有一定的依賴性、系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)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(wǎng)逆變器來說為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的給定正弦電流波形，通常用電網(wǎng)電壓信號乘以電流有功給定，產(chǎn)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(tǒng)參數(shù)的依賴性低、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點。
光伏并網(wǎng)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(shè)備對電功率的要求。對于以單一設(shè)備為負載的逆變器，其額定容量的選取較為簡單。
當(dāng)用電設(shè)備為純阻性負載或功率因數(shù)大于0.9時，選取逆變器的額定容量為用電設(shè)備容量的1.1～1.15倍即可。同時逆變器還應(yīng)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(diào)、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(tǒng)，逆變器的額定容量應(yīng)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(xù)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(wǎng)逆變器光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)等設(shè)備組成。其部分設(shè)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(fā)光體產(chǎn)生的光照）情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)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(fā)出的電能并可隨時向負載供電。太陽能電池發(fā)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(shè)備。由于蓄電池的循環(huán)充放電次數(shù)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(shè)備。
4.4逆變器
是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)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(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。光伏并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。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(tǒng)。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(tǒng)
由于相對于某一個固定地點的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，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(fā)電效率才會達到最佳狀態(tài)。世界上通用的太陽跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點的經(jīng)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(xiàn)跟蹤。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù)；原理、電路、技術(shù)、設(shè)備復(fù)雜，非專業(yè)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(fā)電系統(tǒng)安裝在高速行駛的汽車、火車，以及通訊應(yīng)急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上，不論系統(tǒng)向何方行駛、如何調(diào)頭、拐彎，智能太陽跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對太陽。
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