光伏并網(wǎng)逆變發(fā)電的控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

韋翠華

（廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083）

一、光伏逆變技術(shù)的研究背景與意義

傳統(tǒng)能源如煤炭、天然氣等不但面臨著資源枯竭，價(jià)格日漸上漲等帶來的危機(jī)，能源使用對(duì)環(huán)境還造成了重度污染。在這樣的情況下，國家高瞻遠(yuǎn)矚大力鼓勵(lì)發(fā)展多種新型能源的開發(fā)例如風(fēng)能、太陽能、水能等。光伏發(fā)電作為太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心方向，已廣泛應(yīng)用于社會(huì)的方方面面。2020 年，全國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)擴(kuò)大而且裝機(jī)總量達(dá)到 253GW，從2019 年的17%增長到了23.5%，同比增長了6.5%。根據(jù)國家規(guī)劃預(yù)計(jì)，我國的光伏發(fā)電裝機(jī)總量將繼續(xù)保持高速增長。但是光伏發(fā)電技術(shù)還存在一些問題，如時(shí)間周期的問題，光伏發(fā)電局限在有太陽光照的情況下運(yùn)行，所以白天黑夜、春夏秋冬等時(shí)間段對(duì)發(fā)電均有很大的影響；對(duì)地理位置也有要求，光伏發(fā)電廠適合建立在遮擋物較少的地方得或者依附建筑物；太陽能的轉(zhuǎn)化效率不高，利用率技術(shù)不夠成熟，依然有需要解決的技術(shù)問題。

太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的飛快發(fā)展激發(fā)了光伏逆變產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)充，市場需求不斷地?cái)U(kuò)大，因此光伏逆變的技術(shù)借此機(jī)遇不斷進(jìn)步、要求不斷提高。發(fā)達(dá)國家的光伏逆變技術(shù)及產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入成熟期，我國的光伏逆變技還處在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期。由于光伏并網(wǎng)逆變發(fā)電所涉及的各方面技術(shù)交叉點(diǎn)多且要求高，發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜，國內(nèi)的技術(shù)和產(chǎn)品依然有很大的進(jìn)步和改善的空間。

二、光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀

（一）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的類型

太陽能光伏發(fā)電可以分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種基本方式，發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)可采取其中一種方式或兩種方式的某個(gè)組合進(jìn)行發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電是光伏電能廣泛利用的主要方式，更是目前太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。從輸電角度來看，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為兩大類。一是可調(diào)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采用儲(chǔ)能裝置，在無光時(shí)可根據(jù)需要并網(wǎng)。另一種是不可調(diào)度光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于沒有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)在無光時(shí)停止向電網(wǎng)供電。

可調(diào)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的組件包括儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)先給電池充電，然后根據(jù)負(fù)載需要將系統(tǒng)作為并網(wǎng)發(fā)電或逆變器作為單個(gè)立式電站可手動(dòng)設(shè)置系統(tǒng)工作時(shí)間和功率。儲(chǔ)能裝置作為光伏發(fā)電等間歇性發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要用于平衡整個(gè)系統(tǒng)的能量。由于儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的增加，可調(diào)度并網(wǎng)系統(tǒng)帶來了許多問題，如增加了對(duì)電池充電裝置的需求降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和成本;電池壽命短，需要定期更換;報(bào)廢的電池需要專門部門處理，否則會(huì)造成環(huán)境污染。但2017 年，針對(duì)光伏發(fā)電輸出不穩(wěn)定、棄光限電等缺點(diǎn)，國家提倡重點(diǎn)發(fā)展光存儲(chǔ)技術(shù)，而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當(dāng)光伏資源豐富時(shí)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)多余的電能；當(dāng)光伏電量不足時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)將存儲(chǔ)的電量釋放，保證穩(wěn)定輸出。（2）在實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能系統(tǒng)用于在受到環(huán)境干擾時(shí)調(diào)節(jié)峰值功率，提高電能的可靠性和質(zhì)量。（3）在用電過程中可有效實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的目的，提高用電利用率。

不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具備集成度和可靠性高，安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，目前光伏發(fā)電系統(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)主要分為以下四種結(jié)構(gòu)：（1）工頻變壓器隔離方式。這種方式是目前大功率下最常用的結(jié)構(gòu)，真實(shí)可靠電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離，因此安全性能好，可靠性高。但是由于使用工頻變壓器，整個(gè)系統(tǒng)比較笨重，和相對(duì)效率低下。（2）高頻變壓器隔離方式。該方法采用一種帶有高頻變壓器的DC-DC 變換器將光伏電池的輸出直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足并網(wǎng)要求電流電壓與逆變后直接接入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)體積小，重量輕，適用于低功率場合。（3）高頻無變壓器方式。該方法采用隔離高頻DC-DC 升壓電路，將太陽能電池陣列的直流電壓提高到逆變器并網(wǎng)所需的直流電壓，然后通過逆變器接入電網(wǎng)。它具有效率高、直流電壓輸入范圍寬、易于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)。（4）無變壓器的模式。該方法的難點(diǎn)在于控制方法和漏電電流探測，但體積、重量和效率更大。

根據(jù)供電方式，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可分為集中式并網(wǎng)系統(tǒng)(電站)和家庭分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。前者投資成本高，對(duì)電網(wǎng)影響大，而后者則是因?yàn)閾碛徐`活的結(jié)構(gòu)，設(shè)置可分散，傳輸損耗小，響應(yīng)快這樣的優(yōu)勢(shì)備受歡迎。家用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不占用單獨(dú)的區(qū)域，適用于太陽能密度低的環(huán)境，其靈活性和經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于大型集中式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)國家有利家庭能源安全，因此受到各國的重視。

（二）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸入輸出的控制方式

在光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，輸入光伏電源可分為電流源和電壓源。使用電流源時(shí)，向電網(wǎng)提供正弦電源所需的正弦電流是很難控制的。使用電壓源模式，正弦周期電流可調(diào)節(jié)和控制，滿足并網(wǎng)逆變器電流的要求。因此，光伏并網(wǎng)逆變可采用電壓源輸入的控制方式。

當(dāng)光伏發(fā)電與逆變器并網(wǎng)時(shí)，輸出和控制對(duì)象可以是逆變器電壓或逆變器電流。使用電壓控制時(shí)，由于兩個(gè)電壓源并聯(lián)工作，如果輸出波形不準(zhǔn)確，會(huì)造成大的環(huán)流，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)和逆變器系統(tǒng)的運(yùn)行，發(fā)電和逆變器控制難度和要求較高。在使用電流輸出時(shí)，跟蹤電網(wǎng)電壓的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，反向調(diào)節(jié)可將變電流幅值和畸變限制在很小的程度，因此對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響小，易于實(shí)現(xiàn)，安全性和可靠性高。因此，光伏并網(wǎng)逆變器可以采用電流源輸出可調(diào)的控制方式。

（三）光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的性能要求

太陽能光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對(duì)光伏發(fā)電提出了新的要求，需要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，與電網(wǎng)連接同步運(yùn)行。對(duì)此對(duì)伏并網(wǎng)逆變技術(shù)與實(shí)現(xiàn)提出了一些要求。

1.逆變電流的正弦波輸出。使用正弦波脈沖寬度調(diào)制方法受電網(wǎng)電壓波形的影響，諧波分量的動(dòng)態(tài)變化和功率傳輸?shù)挠行詫?duì)如何滿足具體要求是值得分析的。逆變電流輸出波形總諧波畸變系數(shù)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求為5%，每個(gè)諧波失真小于3%。負(fù)載范圍是失真檢測的一個(gè)重要因素，是滿足逆變電流性能分析的主要指標(biāo)之一。

2.逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率、相位同步。同步控制采用鎖相環(huán)技術(shù)上，或由正弦波正負(fù)周期硬件檢測電路產(chǎn)生的同步方波。但是目前在該方法技術(shù)方面的同步精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性依然有待提高。

3.并網(wǎng)逆變器輸入輸出效率。目前太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低，因此要求在工作過程中輸電傳輸過程損耗小，并網(wǎng)逆變器效率高。在逆變器同步和諧波控制下，逆變器的最大效率通常在90%到95%之間。變頻器的效率與許多因素有關(guān)，其中逆變器負(fù)載范圍的效率應(yīng)該是性能分析的另一個(gè)主要度量。

4.并網(wǎng)逆變器閉環(huán)控制系統(tǒng)。逆變器輸出電流的控制策略一直是光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究方向之一。通用的控制方法有PI 控制、磁滯電流控制和空間矢量控制控制、無差拍控制、重復(fù)控制、比例共振控制等。這些方法都有各自的特點(diǎn)，但都是從實(shí)現(xiàn)結(jié)果還需要改進(jìn)方法，并有一定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高的逆指標(biāo)操作困難。

5.島效應(yīng)檢測。當(dāng)電網(wǎng)突然切斷時(shí)，并網(wǎng)逆變器等發(fā)電設(shè)備仍在運(yùn)行，持續(xù)向電網(wǎng)供電的現(xiàn)象稱為孤島的效果。孤島效應(yīng)產(chǎn)生的不良效果有線路電壓和頻率不穩(wěn)定，容易造成用戶設(shè)備或配電設(shè)備損壞或觸電的安全事故，甚至有可能危及電網(wǎng)線路維護(hù)人員的人身安全，干擾了電網(wǎng)的正常運(yùn)行關(guān)閉過程。所以需要對(duì)電路進(jìn)行孤島效應(yīng)的檢測，它的檢測方法有主動(dòng)法和被動(dòng)法。在主動(dòng)法中，常用的有頻率漂移法、電壓漂移法、相位測試法等。在被動(dòng)方法中，我們通常有電網(wǎng)電壓幅值與頻率、電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)逆變器電流相位差、并網(wǎng)逆變器電流幅值。

（四）光伏并網(wǎng)逆變的控制技術(shù)研究狀況

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器需要對(duì)電流和功率進(jìn)行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優(yōu)化的PWM 控制策略。光伏并網(wǎng)逆變一般采用PWM 的電流控制方式，包括瞬時(shí)比較方式和三角波比較方式。逆變器控制應(yīng)與電網(wǎng)保持跟蹤同步，以保證逆變器輸出電流是單位功率因數(shù)，使逆變器輸出的并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓在相同的頻率和相位，從而保證饋入并網(wǎng)的電能質(zhì)量數(shù)量。

逆變器的數(shù)字化控制是開關(guān)源技術(shù)中的一個(gè)發(fā)展方向。數(shù)字PID 控制算法需要解決量化誤差和采樣延遲這兩個(gè)重要問題，導(dǎo)致被控系統(tǒng)的時(shí)滯和系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降需要認(rèn)真研究。因此，光伏并網(wǎng)逆變器需要采用穩(wěn)定、可行、無靜態(tài)誤差的控制策略對(duì)變換器的輸出電流進(jìn)行控制，并網(wǎng)時(shí)考慮電壓和電流的雙環(huán)反饋控制，使逆變器輸出高質(zhì)量的正弦波，并且運(yùn)行穩(wěn)定，與電通信網(wǎng)絡(luò)電壓保持在相同的頻率和相位。為了獲取電網(wǎng)電壓的頻率和相位，可以利用 DSP 的數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)，把電網(wǎng)電壓的過零信號(hào)和逆變器輸出電流的過零信號(hào)傳送給 DSP 的捕獲端口，如PI 計(jì)算兩次測量的頻率差，及時(shí)調(diào)整并網(wǎng)電流的頻率，保持它與電網(wǎng)電壓同步。