電機技術在光伏逆變器試驗站中的應用

摘 要：隨著現代社會的高速發展，可再生能源開發和利用擁有了前所未有的發展前景，太陽能的利用日益成熟，光伏發電系統已成為可再生綠色能源應用的典型。作為光伏發電系統中的重要設備，光伏逆變器在生產完成后，需要通過嚴格的試驗和認證，才能應用于實際光伏發電系統中。本文將通過電機理論論證電機技術在光伏逆變器試驗站中的應用。

關鍵詞：光伏發電系統；光伏逆變器；試驗站；電機技術

1.光伏發電系統的組成

光伏發電系統利用太陽的光伏效應，把太陽光的能量轉換成電能。太陽能電池組件、蓄電池、充放電控制器和光伏逆變器等連接在一起，組成了一個典型的太陽能光伏發電系統，如圖1所示。

太陽能電池組件能夠吸收太陽光的輻射，并將其能量轉換成直流電。在太陽光強烈輻射的白天，太陽能電池組件給蓄電池充電，夜晚時蓄電池對外放電，為負載供電。充放電控制器運用了微機控制技術，調節蓄電池的充放電電流和電壓，使其工作狀態最優化。光伏逆變器是光伏發電系統的重要組成部分，它的作用是將太陽能電池組件或蓄電池輸出的直流電轉換為用電負載所需要的規定電壓和規定頻率的交流電。

2.光伏逆變器的作用和組成

電壓和頻率是交流電的兩個至關重要的參數，我國日常生活用電采用220V 50Hz單相交流電，工業生產多采用380V 50Hz或690V 50Hz三相交流電。對于太陽能電池組件或者蓄電池輸出的直流電，這就出現了避無可避的問題，因為直流電無法直接為絕大多數的用電負載供電。光伏逆變器的就是為了解決該問題而設計的，它需要將直流電轉換成為滿足用電負載需要的，規定電壓和規定頻率的交流電，并滿足一定的供電質量。

光伏逆變器的主回路由兩部分組成：輸入側的DC/DC直流升降壓斬波電路和輸出側的DC/AC逆變電路。當太陽能電池組件或蓄電池輸出的電壓高于光伏逆變器的DC/AC逆變電路所能承受的最高電壓時，DC/DC直流升降壓斬波電路的作用是將該電壓作降壓處理，以滿足DC/AC逆變電路對輸入電壓的要求。反之，當太陽能電池組件或蓄電池輸出的電壓過低時，DC/DC直流升降壓斬波電路的作用是將該電壓升壓至DC/AC逆變電路所能接受的最低電壓以上。

DC/AC逆變電路是光伏逆變器的核心部分，最終實現將光伏發電系統的直流電轉換成為滿足用電負載需要的規定電壓和規定頻率的交流電，多采用脈寬調制技術PWM實現。采用PWM技術，控制DC/AC逆變電路中電力電子器件（如IGBT）每個周期內的通斷時間，改變脈沖輸出寬度以控制輸出電壓，同時通過控制通斷周期長短來控制輸出頻率。

3.光伏逆變器的試驗

光伏逆變器生產完成后，要在制造廠試驗站進行出廠試驗和型式試驗等，以確保其功能和性能參數符合設計要求，達到國家和行業標準的規定。這就要求進行光伏逆變器試驗的試驗站能夠最大程度地模擬實際光伏發電系統的運行狀態。以電機技術為基礎的光伏逆變器試驗站如圖2所示。

實際應用中，光伏發電系統的運行狀態隨著太陽光輻射的強弱而動態改變。在太陽光強烈照射時，光伏效應也較為強烈，產生的直流電量多且電壓較高；早晚或陰天時，太陽光輻射較弱，太陽能電池組件產生的直流電量及電壓隨之降低。為了完成對光伏逆變器的試驗，光伏逆變器試驗站應具備最大程度的模擬光伏發電系統的功能。

光伏逆變器試驗站中，采用一臺三相感應電動機拖動一臺直流發電機來模擬太陽能電池組件的發電狀態。三相感應電動機從電網吸收功率，拖動同軸的直流發電機發電，發出的直流電相當于太陽能電池組件產生的直流電。將該直流電輸入光伏逆變器的輸入端，經光伏逆變器逆變達到并網的要求后并入電網，形成閉合回路，電能在試驗站系統中循環利用。直流發電機發出的電壓大小與其定子繞組匝數、轉子轉速、勵磁電流合成的磁場強度有關。直流發電機生產完成后，其定子繞組匝數已經確定，而發電機的轉子轉速由其拖動機（三相感應電動機）決定，因此，試驗時改變直流發電機的勵磁電流，即可相應改變直流發電機發出的直流電壓大小，以準確模擬太陽能電池組件的發電狀態。

可以運用法拉第電磁感應定律論證：

（1）在試驗站電網電壓和頻率固定的情況下（380V 50Hz或690V 50Hz），三相感應電動機的轉速將固定不變，由三相感應電動機拖動的直流發電機轉速為常量，即閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動的速度 不變。

（2）直流發電機生產完成后，相應的電機參數已經確定，相當于閉合電路中做切割磁感線運動的導體長度 為固定值。

（3）調節直流發電機的勵磁裝置可以改變直流發電機的勵磁電流，直流發電機勵磁電流合成的磁場強度 隨之改變。

綜上所述，光伏逆變器試驗站中，直流發電機所發出的直流電壓大小僅與其勵磁電流有關，調節直流發電機的勵磁電流，即可改變其輸出電壓。通過該輸出電壓的改變，精確模擬由于太陽光輻射強弱造成的太陽能電池組件產生的電壓的波動。將該波動的直流電壓連接至光伏逆變器輸入端，在光伏逆變器輸出端對其輸出的電壓和頻率進行測量，以驗證其是否符合設計及相關規定。這就是以電機為主要設備的光伏逆變器試驗站的核心功能和最終目的。

4.結語

電機技術的充分發展，使得電機的設計和制造達到了足夠高的精確度和穩定性，電機的控制技術更是日益成熟。建立在電機技術基礎上的光伏逆變器試驗站具有設備運行安全可靠、控制精度高、控制效果佳、試驗站運轉經濟環保等特點，使光伏逆變器的出廠試驗和型式試驗等更加科學可靠。

參考文獻：

[1] 湯蘊璆，羅應力，梁艷萍.電機學.北京：機械工業出版社，2007.

[2] 王兆安，劉進軍.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2009.

[3] 余力克，王玉.給新能源壯行——太陽能供電方式的可行性研究及其應用[J].中國交通信息化，2007（12）：117-119.

[4] 渠滿，職更辰，屈國建.一種多功能光伏發電系統的可行性研究[J].電網與清潔能源，2013，29（1）：93-96.

[5] 南京國網電瑞繼?？萍加邢薰?一種新能源發電設備試驗系統：中國，CN201520440271.9[P].2015-06-24.

作者簡介：

廖黎曉，女，1989年生，畢業于哈爾濱工業大學電氣工程及其自動化專業，現從事電氣設計及試驗站設計工作。