光伏并網(wǎng)發(fā)電的專利技術(shù)綜述

周 鳳

國家知識產(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，由于全球環(huán)境污染、常規(guī)能源短缺問題突出，光伏發(fā)電得到了各國政府的重視和支持。在科技進步與激勵政策推動下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。地面太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行方式根據(jù)是否與電網(wǎng)連接可分為獨立型光伏發(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)通過并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)連接，通過電網(wǎng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能進行再次分配，例如供電負載或者進行電力調(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。最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT），是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電中一項重要的關(guān)鍵技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用在光伏陣列與負載（或）電網(wǎng)之間安裝了具備光伏陣列最大功率點跟蹤（MPPT）功能的電力電子變換器，并提出和設(shè)計了相應(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、最大功率點跟蹤控制器、逆變器和交流電網(wǎng)或交流負載組成。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電中的控制方法簡介

目前，MPPT控制技術(shù)主要有：擾動觀察法、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)合實現(xiàn)MPPT、固定電壓法與擾動觀測法結(jié)合、固定電壓法與電導(dǎo)增量法的占空比擾動的MPPT算法等[2，4]。

而對于光伏并網(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 國內(nèi)申請人的技術(shù)演進和發(fā)展

2.1 申請時間和申請量

以中國專利文獻檢索庫CNABS作為入口，對檢索的314篇國內(nèi)專利申請進行分析，得出國內(nèi)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)專利申請的時間的分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 時間與申請量的關(guān)系圖

由圖1可知，在2000-2002年，國內(nèi)對于光伏并網(wǎng)控制方面的專利技術(shù)申請，幾乎沒有，原因在于我國光伏發(fā)電技術(shù)起步較晚。隨著2003-2007年國內(nèi)高校對于光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究，光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)專利申請量逐漸增加；2008-2012年申請量增長迅速，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年的申請量還不能完全統(tǒng)計，因為從專利申請至公開需要一定的時間。隨著光伏并網(wǎng)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，2013-2014年的申請量可能會與2012年的申請量相近。

2.2 申請人和申請量

通過對檢索的314件國內(nèi)申請，從科研院校、電網(wǎng)公司、企業(yè)以及個人四個方面進行分

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

圖2 申請人對應(yīng)的數(shù)量比例

根據(jù)圖2可知，申請量以國內(nèi)的企業(yè)與科研院校占據(jù)多數(shù)。如上海交通大學、清華大學、天津理工大學、云南大學、東南大學等。伴隨著高校申請的提出，國內(nèi)企業(yè)與個人申請量也逐漸升高，其中企業(yè)的申請量已超過了高校的申請量。光伏并網(wǎng)發(fā)電由于其自身的優(yōu)點，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光互補、能量存儲與調(diào)度方面的申請。

國內(nèi)科研院校的研究，圍繞著光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤控制及并網(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、以及變換器的控制策略等。國內(nèi)科研院校的申請分布如圖3所示。

圖3 國內(nèi)高校申請量分布

從圖3中可以看出，清華大學與湖南處于前沿地位，其次為上海交通大學、東南大學以及華南理工大學，而天津理工大學、中南大學與北京交通大學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

光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能發(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環(huán)節(jié)，其一為光伏陣列的最大功率點跟蹤，其二為向大電網(wǎng)注入高質(zhì)量的正弦電流。

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

清華大學于2007年提出了同步電流矢量PI控制方法實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的閉環(huán)控制；東南大學于2009年提出的單級三相光伏并網(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，對清華大學提出的最大功率點跟蹤控制方法提出了改進，即通過光伏陣列輸出功率對電壓的微分和模糊控制器的輸出量，避免了擾動步長取值不當導(dǎo)致的跟蹤精度不夠的問題。

此后，東南大學提出了單級三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的模糊滑模控制方法，其改進點在于引入前饋補償；清華大學周德佳提出了高效穩(wěn)定多功能的單級式光伏單相并網(wǎng)控制方法，其改進點在于采用FBD方法對本地負載產(chǎn)生的諧波和無功進行補償；上海理工大學提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最大功率跟蹤方法；天津理工大學提出了基于極點配置與重復(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；天津大學提出了通過直流母線并聯(lián)解耦電容和解耦電路實現(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；東南大學提出了級聯(lián)型光伏并網(wǎng)逆變器的功率平衡控制方法，對各級聯(lián)單元的H橋進行獨立的MPPT控制，得到各級直流電壓指令值，然后對總的直流電壓進行PI控制，并網(wǎng)電流的準比例諧振PR控制和電網(wǎng)電壓前饋控制；中國電力科學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D調(diào)節(jié)器的引入提高系統(tǒng)在故障發(fā)生時刻的快速響應(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)的國內(nèi)研究主要集中在科研院校中，目前的申請量趨于相對穩(wěn)定。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對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)的申請量還會持續(xù)上升。同時，由于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的推廣，越來越多的企業(yè)也參與到光伏并網(wǎng)發(fā)電的研究之中，申請量逐步超過了科研院校的申請數(shù)量，這對于提高我國光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)、解決能源危機，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)對電網(wǎng)的影響研究綜述[D].電力自動化設(shè)備，2013，33（2）：26-30.

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

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