解析光伏并網(wǎng)逆變器的設計理念與控制方法

張 棋

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京210032）

光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電的關鍵設備，對其進行科學設計與控制使用不僅能夠大幅度降低電力企業(yè)的生產(chǎn)成本，也能在很大程度上推廣清潔能源的使用，為緩解目前比較嚴峻的環(huán)境保護形勢做出貢獻。

1 光伏并網(wǎng)逆變器設計理念以及研究現(xiàn)狀

1．1 光伏并網(wǎng)逆變器的組成分析

光伏并網(wǎng)逆變器主要是將直流電轉變?yōu)榻涣麟姴⑼ㄟ^逆變器的升壓將電力輸送到電網(wǎng)運行系統(tǒng)中以滿足經(jīng)濟活動對電力能源的需求。其主要的結構有以下三個部分：光伏陣列、逆變器以及電網(wǎng)。

（1）光伏陣列

光伏陣列（Photovoltaic Array）是由多片光伏模組構成的連結，也是更多光伏電池的連結，太陽能電池透過光伏效應可以將太陽光能轉成直流電并儲存在蓄電池當中，但一塊光伏模組（光伏板）能夠產(chǎn)生的電流通常電量較低，不夠一般住宅使用，所以電力發(fā)電企業(yè)經(jīng)常將數(shù)塊光伏模組連結在一起而形成了陣列來收集豐富的太陽能［1］。

（2）逆變器

逆變器是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，也是目前世界各國主要的研究對象。逆變器可以將收集到的直流電經(jīng)過升壓等操作轉化為社會經(jīng)濟生產(chǎn)生活所需要的交流電，然后通過與電網(wǎng)連接的形式將電力輸送給用戶。傳統(tǒng)的逆變器由于升壓等操作使用的設備成本比較高昂，導致了太陽能轉化的電力經(jīng)濟成本較高，沒有得到有效的推廣普及。隨著科學技術的快速發(fā)展，目前對逆變器的研究已經(jīng)取得了突破性的進展，其所設計的理念已經(jīng)能夠符合實際生產(chǎn)生活所需，光伏發(fā)電技術正被大力推廣。

（3）電網(wǎng)

電網(wǎng)是將逆變器轉化的交流電輸送給用戶的重要途徑。目前我國的電網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)基本成型，在全國范圍內(nèi)能夠保證電力資源的合理分配和使用，對我國經(jīng)濟的快速增長起到了重要的推動作用。電網(wǎng)對電力有著較高的要求，因此直流電必須經(jīng)過逆變器的處理后方可連接網(wǎng)點，以保證不會對整個電力供應系統(tǒng)造成損害。

1．2 光伏并網(wǎng)逆變器的設計思想

光伏并網(wǎng)逆變器的設計必須滿足電網(wǎng)對逆變器的需求，主要包括以下方面：

（1）電能質(zhì)量

逆變器在向電網(wǎng)輸出電能的過程中由于逆變器自身的開關頻率造成的正弦波波動較大，會對電網(wǎng)的運行造成一定程度的污染和影響，導致電網(wǎng)不能正常安全的運轉，逆變器輸送的電能質(zhì)量也得不到保證，既浪費了大量的電能，也對電力供應系統(tǒng)造成了一定程度的影響。因此在設計逆變器時要充分考慮正弦波的影響，向電網(wǎng)輸送失真度較小的正弦波，滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量需求。

（2）防止孤島效應的發(fā)生

孤島效應（Islanding Effect）是指電網(wǎng)在正常運轉過程中突然失壓，然而并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并沒有相應的停止工作，仍保持對電網(wǎng)中鄰近部分線路進行供電一種效應。孤島效應的發(fā)生主要是由于逆變器在設計過程中出現(xiàn)了紕漏，導致與電網(wǎng)連接輸送電力時沒有充分考慮孤島效應的存在，這對整個電網(wǎng)的安全運行以及輸電設備都有影響。

（3）安全隔離接地技術

電網(wǎng)與逆變器的連接需要進行有效的隔離以保障整個光伏并網(wǎng)逆變器能夠安全穩(wěn)定的運行。世界上主要的發(fā)達國家光伏發(fā)電隔離技術已經(jīng)形成了統(tǒng)一的標準，因此在設計中可以充分考慮國外的先進標準，保障設計的科學合理性，以滿足電網(wǎng)的整體運行能夠處在安全的環(huán)境中。

1．3 光伏并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀

（1）國外研究現(xiàn)狀

目前在光伏發(fā)電技術上德國一枝獨秀，歐洲其他國家也處在技術發(fā)展的先進行列，隨著能源供給的日趨緊張，美國、日本等發(fā)達國家也相應的進行了相關方面的研究，取得了比較顯著的成果。發(fā)展中國家在這方面起步較晚，但是由于接觸到的研究成果相對比較先進，追趕的步伐較快，處于中等水平［2］。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在光伏并網(wǎng)發(fā)電以及逆變器設計與控制上起步較晚，導致了目前光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)還沒有形成一定規(guī)模，企業(yè)的生產(chǎn)能力和電能質(zhì)量還有待于進一步提高。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及相關研究領域取得了突破性進展，我國自主設計的光伏并網(wǎng)逆變器已經(jīng)能夠滿足實際所需，電能質(zhì)量也得到了市場的檢驗，向社會輸送電能越來越多。

2 光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略分析

2．1 光伏陣列工作點追蹤控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要的能源獲取方式為光伏陣列對太陽能的吸收以及存儲轉化工作。目前光伏陣列的控制方式主要為恒電壓控制以及MPPT兩種方法。

恒電壓控制（CVT）是通過對陣列端電壓的測控使電壓穩(wěn)定在一個合理的數(shù)值，通過對數(shù)值進行控制來保證系統(tǒng)功率點的穩(wěn)定和科學，繼而為光伏陣列提供合理的控制方法。其優(yōu)點主要是操作較為簡單，不需要復雜的技術控制，可操作性好，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性相應較高，能夠滿足電力企業(yè)的發(fā)電需求。然而其缺點同樣明顯，因為是對光伏陣列的電壓進行測控，當陣列所在地區(qū)的晝夜溫差較大時，會導致陣列系統(tǒng)功率點與實際的電壓數(shù)值出現(xiàn)較大程度的偏離，影響系統(tǒng)的正常使用。

MPPT是目前世界范圍內(nèi)普遍采用的陣列功率點的控制方法和策略，其主要采取實時調(diào)整光伏陣列的姿態(tài)來追蹤陣列的最大工作點，從而實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率輸出。由于可以實時調(diào)整陣列姿態(tài)，如此一來就保證了太陽能最大化的吸收和轉化，并將轉化的直流電存儲在蓄電池中，對太陽能的轉化效率較高，而且自動化的操作方式也能夠在大范圍地區(qū)使用。由于MPPT是一種自主追蹤方式，動態(tài)性能上較好，雖然在系統(tǒng)穩(wěn)定性上不如CVT，卻可以在溫差較大的環(huán)境中使用，相對來說能夠滿足目前的電力能源供給，實用性較好［3］。

2．2 光伏逆變系統(tǒng)對電網(wǎng)的追蹤控制

對電網(wǎng)的追蹤控制是整個逆變器系統(tǒng)的核心工作內(nèi)容，也是保證電網(wǎng)電能質(zhì)量與穩(wěn)定性的基礎。目前主要的追蹤控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM），是利用計算機微處理器的數(shù)字輸出來對實際電路進行控制的一種非常有效的技術，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛運用。脈沖寬度調(diào)制方法是一種模擬控制方式，主要是根據(jù)相應載荷的數(shù)值變化調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)控制晶體管或MOS管導通時間的改變，從而促使開關穩(wěn)壓電源輸出形式的改變。PWM控制技術以其控制方式簡單、靈活以及動態(tài)響應能力突出的優(yōu)點而成為光伏發(fā)電技術的首選控制方式，也是世界范圍內(nèi)獲得了一致認可的方法，對電網(wǎng)的追蹤以及電能的輸送起到了至關重要的作用。

2．3 孤島效應的防范與檢測

孤島效應一旦發(fā)生需要在最短時間內(nèi)解決，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，目前主要的檢測方式分為被動式與主動式兩種。被動式方法主要是通過對電網(wǎng)電壓、電流強度、相位以及頻率等進行檢測，來對系統(tǒng)運行做一個有效的檢查，發(fā)現(xiàn)問題時能夠及時處理。如果電網(wǎng)的負載與逆變器的輸出相匹配，則被動式的檢測方式無法發(fā)揮功效。主動式方法是定時對光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)出干擾信號，以確定整個電路的平穩(wěn)運行、各個系統(tǒng)正常工作的一種檢測方式。但是主動式檢測容易受到檢測盲區(qū)的干擾導致檢測工作出現(xiàn)紕漏，無法有效地檢測系統(tǒng)異常情況。

3 結束語

綜上所述，光伏并網(wǎng)逆變器的重要性不言而喻，其設計理念與控制方法對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)具有重要的影響。因此，就需要對其投入較大精力和資金進行研究，推動光伏發(fā)電技術的推廣使用，滿足我國經(jīng)濟建設對電能的需求，向社會提供更多優(yōu)質(zhì)的電力服務。

［1］ 安志龍．光伏并網(wǎng)控制策略與低電壓穿越技術研究［D］．保定：華北電力大學，2012．

［2］ 馬蘭珍．新型三相五電平光伏并網(wǎng)逆變器及其并網(wǎng)控制策略研究［D］．重慶：重慶大學，2013．

［3］ 張勝權．三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013．