淺談光伏逆變器的優(yōu)化方法

宋彥　袁耀輝

摘要：太陽能發(fā)電技術(shù)日趨成熟，在能源危機(jī)的前提下，光伏發(fā)電也越來越得到各國重視。文章對(duì)傳統(tǒng)光伏逆變器進(jìn)行分析，對(duì)其提出了可能實(shí)施的優(yōu)化方法，從而提升光伏系統(tǒng)的整體效率。通過對(duì)各個(gè)原理部件以及控制方式的研究來完善PV發(fā)電系統(tǒng)，希望對(duì)光伏逆變器以及光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步能起到一定的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電技術(shù)；光伏逆變器；光伏系統(tǒng)；光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)；綠色能源 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM615 文章編號(hào)：1009-2374（2015）19-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.024

1 概述

為了追求迅猛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)保問題往往被放于第二位，隨著溫室效應(yīng)的日益加重以及霧霾天氣的日漸頻繁，世界各國開始關(guān)注環(huán)境問題，如何高效地利用能源，減少能源利用中產(chǎn)生的污染物，成了世界關(guān)注的焦點(diǎn)。能源問題一直是世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)問題，由于常規(guī)能源的不可恢復(fù)性，人類終有一天需要面臨能源枯竭的難題，于是各種可再生能源應(yīng)運(yùn)而生。其中太陽能以其豐富的儲(chǔ)量和清潔性得到了廣泛的推廣，而利用太陽能發(fā)電便是其中之一。太陽能發(fā)電我們一般稱之為光伏發(fā)電（PV），它是利用太陽能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PV發(fā)電有望成為最具發(fā)展前景的電能源供應(yīng)技術(shù)。半導(dǎo)體是PV發(fā)電的主要原材料，它在太陽的照射下能產(chǎn)生電壓，通過合理的設(shè)計(jì)組合就可以達(dá)到將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能量，然而，轉(zhuǎn)化的效率并不高，大概在20%左右，這是光伏發(fā)電難以普及的原因之一，但是巨大的太陽能儲(chǔ)量多少彌補(bǔ)了太陽能發(fā)電的這一缺陷。

2 光伏系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般組成包括太陽能電池組件、直接交流轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)控制器、交流升壓裝置以及負(fù)載等，如圖1所示。太陽能電池組件一般是由多組太陽能電池板構(gòu)成，它作為光伏電站的發(fā)電源泉相當(dāng)于水電站的水庫一樣，由于太陽能的利用率較低，因此，太陽能電池組件數(shù)量多、占地面積廣。太陽能的利用先開始于太空領(lǐng)域，工作環(huán)境優(yōu)越，可以在光照下滿功率運(yùn)行，但是在地球上需要考慮到天氣影響以及大氣層對(duì)光能的削減，使得太陽能電池?zé)o法滿功率運(yùn)行，所以在地球上建設(shè)光伏系統(tǒng)需要結(jié)合地理位置、氣溫、光照日等因素，并且在通過DC/AC轉(zhuǎn)換后才能并入電網(wǎng)。

圖1 光伏系統(tǒng)構(gòu)成圖

DC/AC轉(zhuǎn)換器也即光伏逆變器可以說是PV發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，它是太陽能電站與交流電網(wǎng)的鏈接樞紐，可以將太陽能電池組收集到的直流電壓通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換成交流電，再通過交流變壓器轉(zhuǎn)換成與交流電網(wǎng)同頻同相的交流電從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的并入。因此DC/AC轉(zhuǎn)換效率越高，那么光伏發(fā)電效率也會(huì)相應(yīng)提高，所以深入研究光伏逆變器，對(duì)其不斷進(jìn)行優(yōu)化改善，對(duì)提高光伏發(fā)電效率、降低發(fā)電成本有著舉足輕重的作用。

3 光伏逆變器

3.1 光伏逆變器的構(gòu)成

光伏逆變電路主要由傳感器、Boost升壓電路、逆變電路、隔離變壓器、周波換電路及輸出濾波器構(gòu)成，通過軟件控制程序進(jìn)行控制，使其能工作在要求之內(nèi)?；诠夥孀兤鞯幕緲?gòu)成，本文嘗試從逆變器的組成部件展開，討論其可能的改善方法，來優(yōu)化光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率。

3.2 傳感器

現(xiàn)如今太陽能發(fā)電技術(shù)主要利用電壓電流傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能電池的PV功率，再通過軟件程序控制來實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率輸出化。但是由于光伏電源分布較多，使得傳感器用量較大，出錯(cuò)率也易發(fā)生，成本也相對(duì)較大，因此為了優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益降低成本，可以考慮以減少傳感器數(shù)量為目的，針對(duì)三相整流器提出了一種無直流電壓傳感器控制方法，這樣可以大大節(jié)省傳感器的使用成本，使得光伏發(fā)電更有競爭力。但是如果直接省去傳感器，那么對(duì)于系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面帶來了比較多的問題，在短時(shí)間內(nèi)可能無法做到較高的效率，需要通過長期的實(shí)驗(yàn)比對(duì)才有可能投入實(shí)際運(yùn)行，從長遠(yuǎn)角度出發(fā)，省去傳感器所帶來的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的，但是從短期來說，我們應(yīng)從傳感器的制作以及測(cè)量精度方面入手來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池功率最大化輸出，雖然不能直接提升經(jīng)濟(jì)效益，但是間接地提升了太陽能的利用率，使其經(jīng)濟(jì)效益間接的得到了提升，因此，我們應(yīng)從傳感器的測(cè)量精度入手，提升逆變器的轉(zhuǎn)化效率。

3.3 升壓電路與逆變電路

太陽能電池發(fā)出的是波動(dòng)的不穩(wěn)定直流電，需要先通過直流整流模塊轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流電壓，再通過升壓電路將直流電提升到合適的電壓，通過DC/AC轉(zhuǎn)換電路——逆變電路（我們將直流電變成交流電的過程稱作逆變轉(zhuǎn)化）轉(zhuǎn)換成我們需要的正弦交流電。這是升壓電路與逆變電路的主要作用，雖然這兩部分電路在體積上占有的比例不大，而且隨著科技的發(fā)展其體積會(huì)越來越小，但是它可以說是逆變器的核心。現(xiàn)如今我們主要運(yùn)用的功率開關(guān)轉(zhuǎn)化元件主要是IGBT，出于對(duì)電路的優(yōu)化考慮，我們可以嘗試運(yùn)用其他的一些功率開關(guān)元件比如mosfet等其他一些新開發(fā)的元器件，來設(shè)計(jì)一些新的升壓以及逆變電路，以提升其轉(zhuǎn)化效率，縮小其所占有的體積，從而不僅能夠提升逆變器的工作效率，同時(shí)也能降低土建等方面的經(jīng)濟(jì)成本，這是一個(gè)值得研究的優(yōu)化方向。

3.4 隔離變壓器

隔離變壓器，我們也可以說是升壓變壓器，在完成直接交流轉(zhuǎn)化后，我們得到了正弦穩(wěn)定的交流電，但是它的電壓較低，無法直接并入交流電網(wǎng)，需要通過變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓的提升從而并入主電網(wǎng)。一般為了能直接并入電網(wǎng)，我們傳統(tǒng)上采用工頻變壓器，相對(duì)于高頻變壓器來說，工頻變壓器的成本與運(yùn)輸難度都相對(duì)較高，特別是在現(xiàn)如今土地資源日益緊缺的情況下，工頻變壓器不太適用于如今的需求環(huán)境。但是僅僅采用高頻變壓器，并不是最好的優(yōu)化方式，因?yàn)樽儔浩鞯捏w積與占地不會(huì)有太大的變化，僅僅是相對(duì)的節(jié)約，因此我們可以大膽地考慮去掉變壓器這一環(huán)節(jié)，采用無隔離變壓器光伏逆變器設(shè)計(jì)方式。一旦得以實(shí)現(xiàn)，那么其經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。endprint

3.5 控制算法

光伏逆變器除了需要優(yōu)秀精密的硬件電路以外，我還需要優(yōu)秀的控制算法，這樣才能使其工作在最優(yōu)的狀體之下，最大限度地利用硬件資源，提升整個(gè)逆變器的轉(zhuǎn)化效率，從而使得整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率得以提升，最終產(chǎn)生優(yōu)厚的經(jīng)濟(jì)效益。逆變器控制算法是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其主要包括最大功率跟蹤控制、逆變輸出控制、鎖相跟蹤和運(yùn)行模式切換等。不同的采樣對(duì)象決定了不同的算法，比如實(shí)時(shí)控制電流響應(yīng)與實(shí)時(shí)控制電壓響應(yīng)就需要不同的算法，而不同的算法必然各有優(yōu)劣，如采用實(shí)時(shí)控制電流響應(yīng)，那么就不需要進(jìn)行斬波處理，但是濾波器的設(shè)計(jì)難度會(huì)大大增加。算法的運(yùn)用也是千變?nèi)f化，但是，軟件算法，與硬件不同，硬件主要受限于當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)以及材料運(yùn)用，而軟件是需要設(shè)計(jì)者的想象力，因此軟件的優(yōu)化需要設(shè)計(jì)者突破常規(guī)束縛，嘗試將各個(gè)算法進(jìn)行取長補(bǔ)短，靈活應(yīng)用，根據(jù)具體的硬件電路來設(shè)計(jì)響應(yīng)的軟件后臺(tái)，這樣才能使硬件電路物盡其用，發(fā)揮出最大的

效率。

4 結(jié)語

由于目前光伏發(fā)電成本仍然較高，在推進(jìn)光伏“綠電”時(shí)，除了依靠國家的補(bǔ)助政策外，降低光伏發(fā)電的成本是最主要的方法，因此對(duì)于光伏系統(tǒng)核心部件——光伏逆變器的優(yōu)化顯得尤為重要，當(dāng)然為了提升整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率，其他的光伏系統(tǒng)組件優(yōu)化也是非常必要的。隨著科技的發(fā)展，愈來愈多的新材料脫穎而出，因此在光伏逆變器的優(yōu)化方面應(yīng)勇于突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用新工藝新材料，從而達(dá)到光伏系統(tǒng)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，相信光伏發(fā)電有望成為未來主要電能來源之一。

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作者簡介：宋彥（1966-），女，甘肅蘭州人，珠?？堤┟鬏斪冸姽こ逃邢薰竟こ處?，研究方向：配電設(shè)備及配電

工程。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint