光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)逆變器研究綜述

摘 要：光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽能產(chǎn)業(yè)中極為重要的一環(huán)，而大功率光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中極為重要的組成部分。基于此文章首先簡述了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的不同分類方式，介紹了光伏電池的工作原理以及并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，并討論了光伏并網(wǎng)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展：單級(jí)式、雙級(jí)式和多級(jí)式，詳細(xì)分析比較了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；逆變器；并網(wǎng)

引言

伴隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求也在急劇增加，然而全球的化石儲(chǔ)量正在日趨枯竭。因此太陽能作為綠色可再生能源憑借其日益突顯的優(yōu)勢而受到追捧。太陽能已經(jīng)成為當(dāng)前世界上最有前景和發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础Ｆ渲刑柲芄夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更是光伏利用的重要發(fā)展趨勢，而并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)接口設(shè)備，其重要性更是不言而喻。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)簡介

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照其運(yùn)行方式可以分為以下兩大類：一類是獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，另一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[1]。文章主要介紹光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)逆變器。

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述

太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與太陽能發(fā)電系統(tǒng)有很明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在它可以不經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能過程，而是通過GCI把太陽能轉(zhuǎn)化為需要的電能，然后將所轉(zhuǎn)化來的電能送上電網(wǎng)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：（1）利用清潔可再生的太陽能發(fā)電，不消耗化石能源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。避免資源短缺或耗盡等問題，且其采用的主材料——硅儲(chǔ)量豐富。（2）光伏發(fā)電具有先進(jìn)性：直接從光子到電子的能量轉(zhuǎn)換，省去機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程。（3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，易于安裝、建造、拆卸及遷移。

但現(xiàn)階段光伏系統(tǒng)也存在著三大問題：其一制造光伏材料的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)能源的制造成本。因此推廣起來相對(duì)困難。其二光伏陣列發(fā)電效率較低，多數(shù)太陽能板的光電轉(zhuǎn)換效率僅為百分之二十左右。其三光伏系統(tǒng)由于依賴太陽能，因此受氣候影響較大。并且分散式發(fā)電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生孤島效應(yīng)等不良影響。

1.2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)工作原理

1.2.1 太陽能電池的工作原理。在整個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)就是太陽能電池列陣[3]。其品質(zhì)好壞與整個(gè)光伏系統(tǒng)的性能和質(zhì)量息息相關(guān)。太陽能電池工作原理[4]的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)光升伏打效應(yīng)，當(dāng)物體接收到太陽光的光照時(shí)，物體內(nèi)部的電荷的分布狀態(tài)會(huì)立刻改變，分布狀態(tài)的改變促使物體產(chǎn)生電流和電動(dòng)勢的效應(yīng)。若光線照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)的兩邊會(huì)產(chǎn)生光生電壓，當(dāng)PN結(jié)短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流，光生伏打效應(yīng)就是這樣一種現(xiàn)象。若將PN結(jié)與外電路進(jìn)行連接，通過接收持續(xù)性的光照，電路中就會(huì)不間斷地有電流流過，此時(shí)可以將PN結(jié)看成一個(gè)電源，其為整個(gè)電路提供了持續(xù)電流，這也就是太陽能電池發(fā)電的基本原理。

1.2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是根據(jù)光生伏打[5]效應(yīng)原理制成的，它能夠?qū)⒔邮盏降奶栞椛淠芰恐苯愚D(zhuǎn)換成電能。其主要組成部分為太陽能電池方陣和并網(wǎng)逆變器。當(dāng)白天有太陽光照時(shí)，太陽能電池方陣發(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負(fù)載供電。光伏系統(tǒng)主要由電池組件方陣、充電控制器、蓄電池組、并網(wǎng)逆變器、升壓裝置等幾部分組成，其工作過程如下：第一步，光伏電池組件將吸收的太陽光直接轉(zhuǎn)化為直流電；第二步，形成的直流電在系統(tǒng)控制器的控制下不斷向整個(gè)蓄電池進(jìn)行充電；第三步，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)頻率及相位保持同步的交流電；最后，交流電通過升壓裝置將電量輸給電網(wǎng)。

1.2.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制目標(biāo)是使得輸出電流的頻率、相位和電網(wǎng)電壓能夠達(dá)到一致，系統(tǒng)的功率因數(shù)值為1。目前電力上常用的電流控制方法主要是電流滯環(huán)控制方法和基于SPWM的電流控制方法。

太陽能光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤是光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的部分，最大功率跟蹤的目的是使太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。通過跟蹤與搜索太陽能電池的最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流最大化，保證并網(wǎng)功率最大化。光伏系統(tǒng)常用的跟蹤最大功率點(diǎn)的方法[6]有：滯環(huán)比較法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法、擾動(dòng)觀察法等。這些方法的共同點(diǎn)是都根據(jù)太陽能電池的特性曲線上的最大功率點(diǎn)來搜索所對(duì)應(yīng)的電壓。這些方法各有千秋，不同需要時(shí)應(yīng)酌情選擇適合的控制方法。

2 光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、變換器和控制器三個(gè)部分組成。其中太陽能光伏并網(wǎng)逆變器是連接光伏陣列模塊和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它的主要任務(wù)是控制光伏陣列模塊能夠在最大功率點(diǎn)運(yùn)行以及向電網(wǎng)注入正弦電流。目前，光伏逆變器正在由單級(jí)向多級(jí)發(fā)展，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致可分為以下幾類。

2.1 單級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

過去的太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，它采用的是單級(jí)無變壓器，電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)。它具有造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。但由于過去的開關(guān)器件水平還很低，系統(tǒng)輸出電流的諧波比較大，輸出功率因數(shù)也只達(dá)到0.6～0.7。隨著當(dāng)今電子器件的迅速發(fā)展，頻率大于16kHz的高頻器件BJT、IGBT等逐漸代替了電網(wǎng)換相晶閘管[7]。如圖1（b）所示，采用高頻開關(guān)電子器件和SPWM全橋逆變電路，就可以有效地控制輸出諧波，但16～20kHz的開關(guān)頻率使開關(guān)的損耗較快，降低了系統(tǒng)效率。

圖2所示為單級(jí)式并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖，從中可以看出，單級(jí)式的逆變系統(tǒng)可以直接轉(zhuǎn)化直流為交流，它的不足是：

（1）所需的直流輸入比較高，成本較高，可靠性卻比較低；（2）對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤缺少獨(dú)立控制操作，系統(tǒng)輸出功率低；（3）結(jié)構(gòu)設(shè)置不夠靈活，不能擴(kuò)展，無法滿足光伏陣列模塊的直流輸入的多變特性。

圖2 單級(jí)式并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖

綜上，如果出現(xiàn)了輸入的直流信號(hào)偏低的情況，應(yīng)該用交流變壓器對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行升壓，通過結(jié)構(gòu)升壓就能夠得到標(biāo)準(zhǔn)的交流電壓和頻率，同時(shí)可以使輸入輸出電氣隔離。

2.2 雙級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

目前并網(wǎng)型逆變器的研究主要集中于DC-DC和DC-AC兩級(jí)能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。即圖3所示雙級(jí)變換并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)框圖。其中DC-DC環(huán)節(jié)通過升壓電路來提高光伏電池輸出端的電壓，使后端的逆變電路也省掉了并網(wǎng)變壓器而直接輸出匹配電網(wǎng)的交流電壓，因?yàn)槟妇€電壓足夠高，在這一級(jí)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的算法。由于前一級(jí)的升壓環(huán)節(jié)，使DC-AC環(huán)節(jié)的輸入相對(duì)穩(wěn)定，且輸入電壓較高，有利于提升逆變器的工作效率，逆變環(huán)節(jié)的主要任務(wù)是要使輸出電流與電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)同相位，同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。

圖3 雙級(jí)變換并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)框圖

2.3 多級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

隨著電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，工頻升壓變壓器體積大、效率低，價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)可通過采用高頻升壓變換得到解決。高頻升壓變換能實(shí)現(xiàn)更高密度的逆變，圖4所示即為多級(jí)變換并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)框圖。升壓變壓器主要是由高頻磁芯材料制成的，其工作頻率一般維持在20kHz以上，它體積小重量輕，電流在高頻逆變后能夠變成高頻交流電，然后經(jīng)過高頻整流器轉(zhuǎn)化成高壓直流電，最后再由工頻逆變器完成逆變。

圖5所示為帶高頻變壓器的多級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器，將逆變結(jié)構(gòu)與帶工頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，我們能夠發(fā)現(xiàn)前者功率密度高，逆變空載損耗低，從而效率也更高，但這種類型的變換器也有其缺點(diǎn)，這就是其電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，故障點(diǎn)多可靠性差，維檢修比較困難。

光伏逆變器由單級(jí)到多級(jí)的，電能轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)的增加，能夠方便滿足最大功率點(diǎn)跟蹤的要求，也更符合直流電壓的輸入范圍。

3 結(jié)束語

伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷增長，世界能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生著翻天覆地的變化，人類希望開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)更加綠色的新能源來替代化石燃料，而光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)明與應(yīng)用正是為了解決這個(gè)問題，繼續(xù)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行深入研究和探索是很有必要的，具有很重要的意義。本篇文章主要從提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的角度進(jìn)行展開，針對(duì)其主要部件——并網(wǎng)逆變器的相關(guān)研究以及發(fā)展情況進(jìn)行了詳細(xì)的論述。介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理，詳細(xì)分析比較了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于根據(jù)不同需要選擇具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定參考意義。同時(shí)，縱觀并網(wǎng)逆變器由單級(jí)到多級(jí)的發(fā)展也尚存一些問題有待我們繼續(xù)研究，比如在保證多級(jí)并網(wǎng)逆變器效率的同時(shí)提高其穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)高集成度的模塊化結(jié)構(gòu)，減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是今后逆變器結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展與研究方向。

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作者簡介：侯琦耀（1992-），男，黑龍江大慶人，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用。