光伏并網(wǎng)發(fā)電的專利技術(shù)綜述

周 鳳

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215011

0 引言

近年來(lái)，由于全球環(huán)境污染、常規(guī)能源短缺問(wèn)題突出，光伏發(fā)電得到了各國(guó)政府的重視和支持。在科技進(jìn)步與激勵(lì)政策推動(dòng)下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。地面太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式根據(jù)是否與電網(wǎng)連接可分為獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)連接，通過(guò)電網(wǎng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能進(jìn)行再次分配，例如供電負(fù)載或者進(jìn)行電力調(diào)峰等[1，5]。

眾所周知，光伏發(fā)電系統(tǒng)追求最大的發(fā)電功率輸出。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT），是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電中一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用在光伏陣列與負(fù)載（或）電網(wǎng)之間安裝了具備光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能的電力電子變換器，并提出和設(shè)計(jì)了相應(yīng)的MPPT算法。一套基本的帶有MPPT的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常是由光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤控制器、逆變器和交流電網(wǎng)或交流負(fù)載組成。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電中的控制方法簡(jiǎn)介

目前，MPPT控制技術(shù)主要有：擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、恒定電壓法、短路電流法，以及模糊邏輯與人工免疫理論相結(jié)合實(shí)現(xiàn)MPPT、固定電壓法與擾動(dòng)觀測(cè)法結(jié)合、固定電壓法與電導(dǎo)增量法的占空比擾動(dòng)的MPPT算法等[2，4]。

而對(duì)于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器常見的控制策略包括：滯環(huán)控制、基于內(nèi)?？刂圃淼闹貜?fù)控制、無(wú)差拍控制、電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制、模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等[3]。

2 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的技術(shù)演進(jìn)和發(fā)展

2.1 申請(qǐng)時(shí)間和申請(qǐng)量

以中國(guó)專利文獻(xiàn)檢索庫(kù)CNABS作為入口，對(duì)檢索的314篇國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，得出國(guó)內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)的時(shí)間的分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 時(shí)間與申請(qǐng)量的關(guān)系圖

由圖1可知，在2000-2002年，國(guó)內(nèi)對(duì)于光伏并網(wǎng)控制方面的專利技術(shù)申請(qǐng)，幾乎沒有，原因在于我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)起步較晚。隨著2003-2007年國(guó)內(nèi)高校對(duì)于光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)量逐漸增加；2008-2012年申請(qǐng)量增長(zhǎng)迅速，一方面由于光伏發(fā)電的優(yōu)越性，另一方面由于光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟；2013-2014年的申請(qǐng)量還不能完全統(tǒng)計(jì)，因?yàn)閺膶＠暾?qǐng)至公開需要一定的時(shí)間。隨著光伏并網(wǎng)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，2013-2014年的申請(qǐng)量可能會(huì)與2012年的申請(qǐng)量相近。

2.2 申請(qǐng)人和申請(qǐng)量

通過(guò)對(duì)檢索的314件國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，從科研院校、電網(wǎng)公司、企業(yè)以及個(gè)人四個(gè)方面進(jìn)行分

析，得出國(guó)內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)人分布結(jié)果如圖2所示。

圖2 申請(qǐng)人對(duì)應(yīng)的數(shù)量比例

根據(jù)圖2可知，申請(qǐng)量以國(guó)內(nèi)的企業(yè)與科研院校占據(jù)多數(shù)。如上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、天津理工大學(xué)、云南大學(xué)、東南大學(xué)等。伴隨著高校申請(qǐng)的提出，國(guó)內(nèi)企業(yè)與個(gè)人申請(qǐng)量也逐漸升高，其中企業(yè)的申請(qǐng)量已超過(guò)了高校的申請(qǐng)量。光伏并網(wǎng)發(fā)電由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)削峰填谷、用戶供電以及綜合調(diào)度方面也有了逐步的應(yīng)用，電網(wǎng)公司也提出了一些基于風(fēng)光互補(bǔ)、能量存儲(chǔ)與調(diào)度方面的申請(qǐng)。

國(guó)內(nèi)科研院校的研究，圍繞著光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制及并網(wǎng)控制策略日益深入，具體包括MPPT算法、Z源逆變器/多電平逆變器的設(shè)計(jì)、以及變換器的控制策略等。國(guó)內(nèi)科研院校的申請(qǐng)分布如圖3所示。

圖3 國(guó)內(nèi)高校申請(qǐng)量分布

從圖3中可以看出，清華大學(xué)與湖南處于前沿地位，其次為上海交通大學(xué)、東南大學(xué)以及華南理工大學(xué)，而天津理工大學(xué)、中南大學(xué)與北京交通大學(xué)也在這方面做出了比較多的研究。

2.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的演進(jìn)

光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的主要研究方向。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制一般可分為兩個(gè)環(huán)節(jié)，其一為光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，其二為向大電網(wǎng)注入高質(zhì)量的正弦電流。

隨著國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究也進(jìn)入了起步階段。根據(jù)圖2與圖3可知，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)較早的為科研院校的相關(guān)申請(qǐng)。上海交通大學(xué)于2003提出了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)囊惑w化方法，以CN1523726A為例，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論，采用dq變換實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流和無(wú)功電流的分離，同時(shí)對(duì)本地電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量；接著清華大學(xué)提出了dP/dV-I近線性的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤法，控制buck電路的占空比或并網(wǎng)型逆變器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)MPPT與并網(wǎng)同步。

清華大學(xué)于2007年提出了同步電流矢量PI控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制；東南大學(xué)于2009年提出的單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法，在繼承了傳統(tǒng)的電壓PI控制器和同步矢量電流PI控制器所組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)清華大學(xué)提出的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法提出了改進(jìn)，即通過(guò)光伏陣列輸出功率對(duì)電壓的微分和模糊控制器的輸出量，避免了擾動(dòng)步長(zhǎng)取值不當(dāng)導(dǎo)致的跟蹤精度不夠的問(wèn)題。

此后，東南大學(xué)提出了單級(jí)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的模糊滑模控制方法，其改進(jìn)點(diǎn)在于引入前饋補(bǔ)償；清華大學(xué)周德佳提出了高效穩(wěn)定多功能的單級(jí)式光伏單相并網(wǎng)控制方法，其改進(jìn)點(diǎn)在于采用FBD方法對(duì)本地負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償；上海理工大學(xué)提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率跟蹤方法；天津理工大學(xué)提出了基于極點(diǎn)配置與重復(fù)控制相結(jié)合的并網(wǎng)控制技術(shù)；湖南大學(xué)提出了基于功率前饋的魯棒雙環(huán)光伏并網(wǎng)控制方法；天津大學(xué)提出了通過(guò)直流母線并聯(lián)解耦電容和解耦電路實(shí)現(xiàn)功率解耦的并網(wǎng)控制方法，以及電流內(nèi)環(huán)控制器采用了PR調(diào)節(jié)器；東南大學(xué)提出了級(jí)聯(lián)型光伏并網(wǎng)逆變器的功率平衡控制方法，對(duì)各級(jí)聯(lián)單元的H橋進(jìn)行獨(dú)立的MPPT控制，得到各級(jí)直流電壓指令值，然后對(duì)總的直流電壓進(jìn)行PI控制，并網(wǎng)電流的準(zhǔn)比例諧振PR控制和電網(wǎng)電壓前饋控制；中國(guó)電力科學(xué)研究院提出了用于光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越的控制方法，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)器根據(jù)逆變器的d軸參考電流獲得脈寬調(diào)制脈沖，通過(guò)D調(diào)節(jié)器的引入提高系統(tǒng)在故障發(fā)生時(shí)刻的快速響應(yīng)，有效抑制故障期間的電流尖峰。

3 結(jié)論

綜上可知，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)研究主要集中在科研院校中，目前的申請(qǐng)量趨于相對(duì)穩(wěn)定。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于最大功率跟蹤技術(shù)、并網(wǎng)技術(shù)、諧波處理、低電壓穿越、微網(wǎng)的能量管理、電網(wǎng)的綜合調(diào)度等方面必將有著更深入的研究，相關(guān)的申請(qǐng)量還會(huì)持續(xù)上升。同時(shí)，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的推廣，越來(lái)越多的企業(yè)也參與到光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究之中，申請(qǐng)量逐步超過(guò)了科研院校的申請(qǐng)數(shù)量，這對(duì)于提高我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)、解決能源危機(jī)，起到了非常重要的作用。

[1]陳煒，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述[D].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（2）：26-30.

[2]廖鍔.基于模糊自適應(yīng)PI閉環(huán)控制的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].中南大學(xué)，2010.

[3]趙杰.光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2012.

[4]孫園園.光伏并網(wǎng)逆變器MPPT技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2010.

[5]沈輝，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.