光伏并網發電系統與并網逆變器研究綜述

摘 要：光伏發電系統是太陽能產業中極為重要的一環，而大功率光伏逆變器是太陽能光伏發電系統中極為重要的組成部分。基于此文章首先簡述了光伏并網發電系統的不同分類方式，介紹了光伏電池的工作原理以及并網發電系統的工作原理，并討論了光伏并網變換器拓撲結構的發展：單級式、雙級式和多級式，詳細分析比較了各種拓撲結構的優缺點。

關鍵詞：光伏系統；逆變器；并網

引言

伴隨著社會的飛速發展，人類對能源的需求也在急劇增加，然而全球的化石儲量正在日趨枯竭。因此太陽能作為綠色可再生能源憑借其日益突顯的優勢而受到追捧。太陽能已經成為當前世界上最有前景和發展潛力的可再生能源。其中太陽能光伏并網發電系統更是光伏利用的重要發展趨勢，而并網逆變器作為光伏發電系統和電網接口設備，其重要性更是不言而喻。

1 光伏并網發電系統簡介

光伏發電系統按照其運行方式可以分為以下兩大類：一類是獨立發電系統，另一類是并網發電系統[1]。文章主要介紹光伏并網發電系統中的并網逆變器。

1.1 光伏并網發電系統概述

太陽能光伏并網發電系統與太陽能發電系統有很明顯的區別，主要體現在它可以不經過蓄電池儲能過程，而是通過GCI把太陽能轉化為需要的電能，然后將所轉化來的電能送上電網。它具有以下優點[2]：（1）利用清潔可再生的太陽能發電，不消耗化石能源，符合可持續發展戰略。避免資源短缺或耗盡等問題，且其采用的主材料——硅儲量豐富。（2）光伏發電具有先進性：直接從光子到電子的能量轉換，省去機械運動過程。（3）采用模塊化結構，易于安裝、建造、拆卸及遷移。

但現階段光伏系統也存在著三大問題：其一制造光伏材料的成本遠遠高于傳統能源的制造成本。因此推廣起來相對困難。其二光伏陣列發電效率較低，多數太陽能板的光電轉換效率僅為百分之二十左右。其三光伏系統由于依賴太陽能，因此受氣候影響較大。并且分散式發電系統會產生孤島效應等不良影響。

1.2 光伏并網系統工作原理

1.2.1 太陽能電池的工作原理。在整個太陽能光伏發電系統中最關鍵的結構就是太陽能電池列陣[3]。其品質好壞與整個光伏系統的性能和質量息息相關。太陽能電池工作原理[4]的基礎是半導體PN結光升伏打效應，當物體接收到太陽光的光照時，物體內部的電荷的分布狀態會立刻改變，分布狀態的改變促使物體產生電流和電動勢的效應。若光線照射到半導體的PN結時，PN結的兩邊會產生光生電壓，當PN結短路時會產生電流，光生伏打效應就是這樣一種現象。若將PN結與外電路進行連接，通過接收持續性的光照，電路中就會不間斷地有電流流過，此時可以將PN結看成一個電源，其為整個電路提供了持續電流，這也就是太陽能電池發電的基本原理。

1.2.2 光伏并網發電系統的工作原理。太陽能電池發電系統是根據光生伏打[5]效應原理制成的，它能夠將接收到的太陽輻射能量直接轉換成電能。其主要組成部分為太陽能電池方陣和并網逆變器。當白天有太陽光照時，太陽能電池方陣發出的電經過并網逆變器將電能直接輸送到交流電網上，或將太陽能所發出的電經過并網逆變器直接為交流負載供電。光伏系統主要由電池組件方陣、充電控制器、蓄電池組、并網逆變器、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化為直流電；第二步，形成的直流電在系統控制器的控制下不斷向整個蓄電池進行充電；第三步，逆變器將直流電轉化為與電網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。

1.2.3 光伏并網發電系統的關鍵技術。光伏并網發電系統的并網控制目標是使得輸出電流的頻率、相位和電網電壓能夠達到一致，系統的功率因數值為1。目前電力上常用的電流控制方法主要是電流滯環控制方法和基于SPWM的電流控制方法。

太陽能光伏電池的最大功率點跟蹤是光伏發電系統中必不可少的部分，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。通過跟蹤與搜索太陽能電池的最大功率點，實現并網電流最大化，保證并網功率最大化。光伏系統常用的跟蹤最大功率點的方法[6]有：滯環比較法、電導增量法、最優梯度法、擾動觀察法等。這些方法的共同點是都根據太陽能電池的特性曲線上的最大功率點來搜索所對應的電壓。這些方法各有千秋，不同需要時應酌情選擇適合的控制方法。

2 光伏并網逆變器的拓撲結構

光伏并網發電系統主要由光伏陣列、變換器和控制器三個部分組成。其中太陽能光伏并網逆變器是連接光伏陣列模塊和電網的關鍵部件，它的主要任務是控制光伏陣列模塊能夠在最大功率點運行以及向電網注入正弦電流。目前，光伏逆變器正在由單級向多級發展，拓撲結構大致可分為以下幾類。

2.1 單級式并網逆變器拓撲

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

圖2所示為單級式并網逆變器結構框圖，從中可以看出，單級式的逆變系統可以直接轉化直流為交流，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）對最大功率點的跟蹤缺少獨立控制操作，系統輸出功率低；（3）結構設置不夠靈活，不能擴展，無法滿足光伏陣列模塊的直流輸入的多變特性。

圖2 單級式并網逆變器結構框圖

綜上，如果出現了輸入的直流信號偏低的情況，應該用交流變壓器對整個結構進行升壓，通過結構升壓就能夠得到標準的交流電壓和頻率，同時可以使輸入輸出電氣隔離。

2.2 雙級式并網逆變器拓撲

目前并網型逆變器的研究主要集中于DC-DC和DC-AC兩級能量轉換結構。即圖3所示雙級變換并網型光伏系統框圖。其中DC-DC環節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變壓器而直接輸出匹配電網的交流電壓，因為母線電壓足夠高，在這一級實現最大功率點跟蹤的算法。由于前一級的升壓環節，使DC-AC環節的輸入相對穩定，且輸入電壓較高，有利于提升逆變器的工作效率，逆變環節的主要任務是要使輸出電流與電網電壓實現同相位，同時獲得單位功率因數。

圖3 雙級變換并網型光伏系統框圖

2.3 多級式并網逆變器拓撲

隨著電力電子技術及微電子技術進一步發展，工頻升壓變壓器體積大、效率低，價格昂貴的缺點可通過采用高頻升壓變換得到解決。高頻升壓變換能實現更高密度的逆變，圖4所示即為多級變換并網型光伏系統框圖。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，然后經過高頻整流器轉化成高壓直流電，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光伏并網逆變器，將逆變結構與帶工頻變壓器的逆變結構進行對比，我們能夠發現前者功率密度高，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，這就是其電路結構更加復雜，故障點多可靠性差，維檢修比較困難。

光伏逆變器由單級到多級的，電能轉換級數的增加，能夠方便滿足最大功率點跟蹤的要求，也更符合直流電壓的輸入范圍。

3 結束語

伴隨著全球經濟的不斷增長，世界能源結構正在發生著翻天覆地的變化，人類希望開發更加經濟更加綠色的新能源來替代化石燃料，而光伏發電技術的發明與應用正是為了解決這個問題，繼續對該項技術進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電系統效率的角度進行展開，針對其主要部件——并網逆變器的相關研究以及發展情況進行了詳細的論述。介紹了光伏并網發電系統工作原理，詳細分析比較了各種拓撲結構的優缺點，對于根據不同需要選擇具體的拓撲結構具有一定參考意義。同時，縱觀并網逆變器由單級到多級的發展也尚存一些問題有待我們繼續研究，比如在保證多級并網逆變器效率的同時提高其穩定性，設計高集成度的模塊化結構，減少中間轉換環節是今后逆變器結構的主要發展與研究方向。

參考文獻

[1]王輝.戶用光伏并網系統設計及孤島檢測技術研究[D].華中科技大學，2007.

[2]張興，曹仁賢，等.太陽能光伏并網發電及其逆變器控制[M].北京：機械工業出版社，2010：5-6，17-28，61-67.

[3]趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].2004.

[4]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2009：14-20.

[5]張洪亮.并網型單相光伏逆變器的研究[D].2007.

[6]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005：10-20.

[7]Quan Li， Peter Wolfs. Recent Development in the Topologies for Photovoltaic Module Integrated Converters[J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference， 2006（6）：18-22.

作者簡介：侯琦耀（1992-），男，黑龍江大慶人，現就讀于東北石油大學電氣信息工程學院自動化專業，研究方向：自動控制原理及其應用。