太陽能光伏發電系統中的控制技術研究

伍天賜

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司，長沙 4 10000）

1 引言

太陽能是一種清潔的新能源，是我國未來的能源結構當中重要的組成部分，其開發與利用對于能源發展意義重大。太陽能光伏發電是一種主要的開發途徑，其主要是利用太陽能電池吸收光能，從而產生光生電子-空穴對，通過太陽能電池的內建電場使光生電子和空穴被分離，進而在太陽能電池的兩端產生正負電荷積累形成光生電壓，最終產生可利用的電能。當前，太陽能光伏發電系統得到了重大的發展，其中關鍵的控制技術起到了重要的作用。

2 太陽能光伏發電系統的最大功率點跟蹤

由于太陽能電池會受到環境溫度、日照強度等因素的影響，其輸出功率會出現較大的波動。太陽能電池的輸出功率會因環境溫度、日照強度的變化而變化，因而其輸出功率需要根據所能產生的電能進行自動調節，確保其與負載相配合，從而達到最大的功率轉換效率，以提高光伏方陣利用率。光伏方陣最大功率點跟蹤（MPPT）是最主要的控制方法，此外還有爬山法、增量電導法、恒壓跟蹤法、自適應算法、爬山改進法等，下面主要針對MPPT進行分析。由于光伏陣列在負載、環境變化下，輸出電壓與電流呈現出非線性，在特定工作環境下存在唯一的最大功率輸出點，光伏陣列能不能在最大功率點工作取決于其負載大小。由于外界的溫度變化，以及光照強度無法采用人為的方法進行控制，且這兩個影響因素在一天之中會不斷的變化。為了確保光伏陣列的輸出特性也能隨著外部環境的改變而做出相應的變化，能夠始終在最大功率點工作，就必須適時改變光伏陣列所接的負載。為此，可以通過在光伏陣列與負載之間串聯最大功率點跟蹤電路來達到目的。較為常用的最大功率點跟蹤電路是一個DC/DC變換器，DC/DC變換器占空比與其所帶負載的函數就是光伏陣列所帶的等效負載，對占空比進行調節就能夠實現改變光伏陣列所帶負載的目的，以達到最大功率點跟蹤，充分利用光伏陣列產生的電能的效果。

3 太陽能光伏發電系統的儲能及充放電控制

儲能及充放電的控制對于太陽能光伏發電系統也有重要的影響，控制器要完成最大輸出功率跟蹤，保持最大功率輸出，以預防蓄電池出現深度放電與過充電，并達到最佳狀態。一般而言，在線式電壓檢測主要是通過檢測蓄電池的端電壓，在其大于某個限定值時就判斷為已充滿，從而停止太陽電池向蓄電池充電[1]。但是，在停止充電后端電壓會下降，蓄電池充電實際上并未充足，從而使蓄電池的壽命、充電器整體效能的提高遇到瓶頸，因而需要選擇新的離線式檢測。通過一個太陽電池給多個蓄電池模塊進行輪換充電，在充電電路斷開后各個蓄電池端壓都有足夠的時間恢復正常，可以確保檢測結果正確反映蓄電池容量。并且，在原有電路增加放電自鎖功能、下限自鎖電路，利用放電自鎖功能可以防止蓄電池對負載進行小電流放電，并防止蓄電池深度放電以起到保護蓄電池的作用。在太陽能光伏發電系統當中，無論是蓄電池的負載，還是太陽電池的輸出，又或者是蓄電池的自放電，都是不確定量，因而儲能及充放電控制可以采取模糊控制方法來實現。

4 太陽能光伏發電系統的并網控制

由于太陽能光伏發電系統最終是要并入電網的，因而太陽能光伏發電系統的輸出交流電電壓、頻率等必需確保與電網相同，相位也要保持一致，如此才能達到利用的目的[2]。太陽能光伏發電系統的并網控制需要通過逆變器來完成。通過電流型脈寬調制逆變器使饋入電流對電網產生的電力諧波降低，將其總諧波失真控制在一個較低的水平，并且確保輸出電流同步波形控制，以及最大功率轉換控制得到有效的兼顧。并網逆變器的控制模式為雙環控制，其中，外環參考電壓采用理想的正弦波，將輸出電壓和參考電壓的比較當作PI調節器的輸入，并且將PI調節器的輸出當作內環電流環的參考值。在雙環控制的基礎上，還可以同步鎖相控制。在太陽能光伏發電系統的并網控制，逆變器是與電網直接并聯，如果電網斷電逆變器處于持續發電的狀態就會產生孤島效應，會使逆變器損壞，并使維修人員面臨危險。因而，必須有完備的保護措施，并且確保逆變器有自動偵測功能。孤島效應的偵測可以采用被動式檢測技術對保護電路、電壓諧波檢測，急劇相位偏移等電網狀態進行檢測，以判斷電網是否出現故障，也可以采用主動式檢測法，通過由電力轉換器產生干擾信號來觀察電網是否受到影響，以判斷是否出現故障。通過逆變器自動偵測確保出現孤島效應后逆變器能夠及時脫離電網，確保設備與人員的安全。

5 結語

總之，太陽能光伏發電的前景良好，是未來新能源開發的一個主要方向。相關的控制技術對于太陽能光伏發電系統的發展意義重大，是系統的效能、安全性的重要保障。隨著電子技術、光伏組件、計算機等相關技術的進步，控制技術也必然會不斷進步，從而提高太陽能光伏發電系統的優越性。