基于戶用型太陽能光伏發電并網設備研究

張鵬

（無錫新世紀太陽能電力有限公司，江蘇 無錫 214108）

引言

隨著太陽能光伏技術的開發和應用，采用SPWM 技術的并網控制逆變器裝置在分布式光伏并網發電系統領域獲得了廣泛應用。與傳統整流器相比，這種逆變器裝置的主電路采用可關斷的全控器件，可以實現電能的雙向傳輸。這種逆變器裝置不僅具有受控的AC/DC 整流功能，而且還具有DC/AC的逆變功能。通過數字控制技術在并網逆變器交流側可實現單位功率因數運行和正弦化電流波形，在分布式光伏并網發電系統中采用PWM 并網逆變器可以在向電網饋送能量的同時，減少裝置對電網的污染，實現高質量的并網發電。

1 光伏并網發電系統組成

光伏并網發電系統主要由太陽能電池板(即光伏陣列)，并網逆變器，濾波電抗器和DSP控制電路構成。整個系統的結構如圖1所示。

圖1 太陽能光伏發電并網系統組成

由圖1 可見光伏并網發電系統利用太陽能電池板將太陽能轉化為直流電能，再利用并網逆變器的受控電流源特性，控制逆變器運行在發電狀態，將直流電轉化為交流電饋送電網。整個系統能量的變換和傳遞過程，是利用IPM 模塊構成的并網逆變器電路來實現的，而并網逆變器的控制則是通過DSP 生成驅動主電路的PWM 信號來完成。

針對光伏發電并網設備的研究內容，包括：

①系統總體方案設計

●整個控制系統采用不可調度式，無需蓄電池等儲能裝置，免除了由于存在蓄電池而帶來的運行和維護費用，同時也消除了處理廢舊蓄電池帶來的間接污染。

●整個系統分為控制和逆變兩部分。

●研究重點包括PWM 控制器、驅動電路、DC/DC 變換器、MPPT 技術及逆變器部分。

②系統控制技術的研究開發

●并網控制方法與策略研究，包括：最大功率點控制、波形跟蹤和控制方法。

●通過比較多種PWM 控制方式，確定適合該系統的控制策略。

●并網系統保護裝置的研究。

●能量管理策略的研究。

③系統逆變技術的研究開發

●逆變器并網方式研究開發。

●DC/DC 變換器控制系統研究開發。

●逆變效率分析、"孤島"檢測保護、主功率元件的選擇等研究。

④系統整機技術的研究開發

●整機穩定性及效率分析、電流傳感器和電壓傳感器研究。

●系統工作參數計算機仿真，通過仿真技術應用，尋找最佳工作參數。

2 并網設備關鍵技術研究

①基于BOOST 升壓電路的光伏陣列MPPT 跟蹤技術和單級式正弦逆變與最大功率點跟蹤統一結構的主電路拓撲技術，使得MPPT控制、逆變控制、相位同步等控制目標在一個變換環節中的得到實現，保證輸出電流呈連續狀態，達到簡化系統組成，提高系統運行可靠性的目的。

②運用太陽能最大功率點跟蹤技術，實現最大功率輸出，充分利用太陽能的能量，使裝置效率≥96%。

通過對太陽能陣列的功率輸出采樣，將其與前一時刻的功率相比較，舍小取大，根據比較的結果，控制陣列電壓、電流的增大或減小，而后再比較，如此不停的周而復始自主尋優，確定系統工作點。

③建立先進的并網逆變控制方法Deadbeat 無差拍PWM 技術、瞬時無功控制理論，在一個控制周期內，實現電網無功和諧波的無差拍補償，達到高水平柔性輸配電裝置的控制效果。

能量管理和控制策略采用雙閉環控制：

A、電流環：提取參考電流，計算補償電流、無功電流。

B、功率環：實現最大功率跟蹤，控制功率流向。

PWM 方式比較：

-滯回比較PWM，電流變化小時會使電流相對誤差過大，電流變化大時，可能使器件的開關頻率過高。

-定步長PWM，電流跟隨最大相對誤差不確定。

-三角波比較PWM，輸出含有載波頻率段的諧波。

-優化PWM，運算量大，不適于變化環境的計算。

-無差拍PWM。單周期，開關頻率固定，動態響應快。

在電網電源和負載之間并聯了GCPV，負載消耗的有功功率并不需要由電網完全提供，因此電網輸出的電流明顯小于通過負載的電流，有效值約為2.26A。

在matlab 環境下，對基于瞬時無功理論的諧波和無功電流的檢測進行了仿真，仿真使用的負載為整流橋并聯阻容負載，在負載的進線端串聯了三個電抗器，目前市場上大量的整流負載都安裝了輸入濾波電抗器，同時這三個電抗器也提供無功功率的消耗，其信號流程處理的方法完全按照瞬時無功的檢測方法。采用瞬時無功的基波電流提取算法，使GCPV 能夠實時補償電網電流中的諧波和無功成分。

根據三相電壓源型PWM 并網逆變器的數學模型，可知并網逆變器通過控制三相電壓源型逆變器橋臂輸出電壓來控制輸出電流，在控制輸出電流得同時，為提高光伏并網逆變系統發電量，充分利用在同等光照條件的光伏陣列所能提供的最大功率，在相應的光伏并網逆變器裝置控制系統中引入了最大功率點跟蹤(MPPT)技術。

④采用包含孤島效應等在內的光伏并網保護控制策略，極大地改善了光伏并網系統的可靠性。

⑤采用基于正反饋有功干擾的孤島檢測方法，避免對公共電網的電力污染。保護響應快、可靠性高。

綜上所述，采用以上關鍵技術研究形成的5kW 太陽能發電并網設備，從輸出波形圖可以看出，三相系統具有較好的正弦輸出電流波形，且三相電流保持平衡。

3 結束語

本文比較完善的闡述了基于DSP的光伏并網設備的組成及其關鍵技術。設計的并網設備能夠有效實現光伏陣列并網發電功能。在并網逆變器裝置設計過程中，利用高速的數字信號處理器和智能功率模塊硬件集成度高、保護功能強大、性能可靠等特點簡化了并網設備的硬件設計和成本，同時提高了設備運行的可靠性。

展望光伏逆變控制技術的發展，必將伴隨電力電子技術、控制技術、計算機技術、新型功率器件及應用、模塊電源技術的發展，其核心目標就是要求逆變控制系統的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。由此光伏并網系統未來的技術發展與創新就是：新型電路拓撲結構的設計、智能控制技術的應用，神經網絡技術的結合、高頻開關技術、軟開關技術、智能監測與保護技術、模塊化技術的應用與改進、電磁兼容性更好等。

[1]李俊峰，王仲穎主編，《中華人民共和國可再生能源法解讀》[M]，化學工業出版社，2005

[2]沈輝，曾祖勤主編，《太陽能光伏發電技術》[M]，化學工業出版社，2005

[3]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強主編，《太陽能光伏發電及其應用》[M]，科學出版社，2005