并網(wǎng)光伏逆變器效率影響因素綜合分析

徐媛

摘要：鑒于光伏發(fā)電具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，隨著光伏發(fā)電的應(yīng)用愈來愈廣泛、光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模愈來愈大，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行也帶來了愈來愈多的挑戰(zhàn)。并網(wǎng)逆變器是光伏陣列與電網(wǎng)進(jìn)行電能交互的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)將光伏板輸出的直流電逆變?yōu)榉舷嚓P(guān)并網(wǎng)要求的交流電并入電網(wǎng)，與電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全高效、穩(wěn)定靈活的互聯(lián)。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器;控制策略;電流控制

1 光伏并網(wǎng)逆變器

1.1 光伏逆變器的類型

光伏逆變系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光伏板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸斎腚娋W(wǎng)或直接供給負(fù)荷，其結(jié)構(gòu)包括DC/AC主電路以及DC/DC轉(zhuǎn)換電路、變壓器、檢測(cè)單元和控制器等外圍輔助裝置。為了保證光伏發(fā)電的穩(wěn)定性和高效性，光伏逆變通常具備最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、電壓頻率和相位調(diào)制、防孤島和低電壓穿越等功能。光伏逆變器的分類方式多種多樣。根據(jù)逆變器的輸出波形可分為方波逆變器、階梯波逆變器和正弦波逆變器;根據(jù)逆變控制方式可分為調(diào)頻式（PFM）逆變器和調(diào)脈寬式（PWM）逆變器;根據(jù)逆變器輸出相數(shù)可分為單相逆變器和三相逆變器等;根據(jù)逆變系統(tǒng)直流側(cè)所連接的光伏陣列、光伏組串和光伏組件的區(qū)別，將光伏逆變器分為集中式逆變器、組串式逆變器和組件模塊。

1.2 光伏并網(wǎng)對(duì)逆變器的要求

（1）從光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)角度考慮，需避免對(duì)公共電網(wǎng)造成污染;這就要求逆變器在并網(wǎng)輸出時(shí)能夠向電網(wǎng)饋入失真度小的正弦波電流。通常情況下，逆變器的開關(guān)頻率對(duì)波形的失真度有較大影響，頻率越高，經(jīng)過濾波器后輸出電流更接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。基于DSP的數(shù)控逆變系統(tǒng)當(dāng)中，能夠?qū)⒐夥⒕W(wǎng)發(fā)發(fā)電系統(tǒng)逆變器的開關(guān)頻率提高，使輸出電流正弦度得到有效提升。與此同時(shí)，為了確保其開關(guān)頻率的性能，還有必要優(yōu)化選取逆變器主功率元件。若低壓系統(tǒng)屬性為小容量，則大多數(shù)情況下應(yīng)用的是功率場(chǎng)效應(yīng)管，其存在的通態(tài)壓降較低，開關(guān)頻率則較高;然而功率場(chǎng)效應(yīng)管在電壓上升的情況下，其通態(tài)電阻會(huì)加大，所以基于高壓大容量系統(tǒng)當(dāng)中通常應(yīng)用的是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）;基于超大容量系統(tǒng)當(dāng)中，通常選取的是可關(guān)斷晶閘管（SCR），以此充當(dāng)功率元件。

（2）根據(jù)相關(guān)協(xié)議以及標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)逆變器需要擁有防孤島效應(yīng)的作用，在形成孤島效應(yīng)時(shí)，能夠通過電網(wǎng)頻率或電網(wǎng)電壓判斷產(chǎn)生孤島，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)逆變器保護(hù)而并停止輸出。孤島效應(yīng)指的是，在電網(wǎng)供電發(fā)生中斷，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仍在運(yùn)行，并且與本地負(fù)載連接處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為孤島效應(yīng)。從技術(shù)層面而言，要想使孤島效應(yīng)得到有效防范，需加強(qiáng)檢測(cè)電網(wǎng)斷電的情況。

（3）要想使電網(wǎng)以及逆變器在運(yùn)行過程中的可靠性及安全性得到有效保障，需確保逆變器和電網(wǎng)之間形成有效的隔離狀態(tài)，同時(shí)合理、科學(xué)地應(yīng)用逆變器接地技術(shù)。首先，在電氣隔離方面通常應(yīng)的是變壓器。其次，基于三相輸出光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，有必要根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)給出的相關(guān)規(guī)定，優(yōu)化選取接地方式。此外，對(duì)于用電設(shè)備外殼則經(jīng)保護(hù)線和接地點(diǎn)金屬性連接。

1.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的控制方法分析

（1）控制總體思路

對(duì)于光伏逆變器來說，在并網(wǎng)運(yùn)行過程中需滿足一些必要的條件，主要包括：其一，輸出電壓和電網(wǎng)電壓需確保頻率、相位以及幅值均保持一致;其二，輸出電流和電網(wǎng)電壓之間在頻率、相位（功率因數(shù)為1）均保持一致;其三，輸出需與電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求相滿足。而上述條件要想得到有效滿足，便需要確保逆變器的控制策略的優(yōu)化及先進(jìn)性。

（2）光伏陣列工作點(diǎn)控制策略

對(duì)于光伏陣列工作點(diǎn)來說，其控制的方法通常有兩種：第一，恒電壓控制方法，指的是把光伏陣列端電壓穩(wěn)定在某一個(gè)值的方法，進(jìn)一步將系統(tǒng)功率點(diǎn)加以確立。這種方法的主要優(yōu)勢(shì)為控制簡(jiǎn)單，且能夠確保系統(tǒng)具備很好的穩(wěn)定性。第二，MPPT控制方法，指的是經(jīng)實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改變的工作狀態(tài)，對(duì)陣列的最大工作點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，進(jìn)一步使系統(tǒng)的最大功率輸出得到有效實(shí)現(xiàn)。這屬于一類自主尋優(yōu)的方法，具備優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，然而在穩(wěn)定性方面和恒電壓控制方法相比較為不足。應(yīng)用MPPT方法過程中，通常會(huì)采取干擾觀察、電導(dǎo)增量的方式進(jìn)行;現(xiàn)狀在研究MPPT方法過程中，主要體現(xiàn)在簡(jiǎn)單以及高穩(wěn)定性的控制算法實(shí)現(xiàn)方法。

（3）逆變器跟蹤電網(wǎng)控制策略

電網(wǎng)跟蹤控制屬于逆變系統(tǒng)控制的主要工作，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量以及運(yùn)行效果產(chǎn)生直接性的影響。對(duì)于光伏并網(wǎng)逆變器來說，是在PWM逆變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，因此逆變器的控制歸類為逆變器PWM電流控制方法。在PWM非線性控制方法方面，傳統(tǒng)模式下會(huì)采取瞬時(shí)比較方法和三角波比較方法。其中，瞬時(shí)比較方法存在補(bǔ)償電流誤差不穩(wěn)定的問題;三角波比較方法則在硬件方面顯得復(fù)雜，存在偏大的跟隨誤差，同時(shí)在放大器的增益方面也存在局限性，電流響應(yīng)和瞬時(shí)比較方法相比更緩慢。從現(xiàn)狀來看，以載波周期為基礎(chǔ)的閉環(huán)電流控制方優(yōu)勢(shì)更為突出，以無差拍PWM技術(shù)為例，該技術(shù)把目標(biāo)誤差在下一個(gè)控制周期內(nèi)徹底處理，使穩(wěn)態(tài)無靜差效果得到有效實(shí)現(xiàn);這種方法具備固定的開關(guān)頻率，同時(shí)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的速度較快，在光伏并網(wǎng)數(shù)字控制中適用。

2 光伏并網(wǎng)逆變器效率的提升

2.1 歐洲效率的提升

對(duì)對(duì)于光伏逆變器而言，不僅最大輸出功率的增加可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，歐洲效率的提高同樣可以，而且更加明顯。歐洲效率的定義不同于我們通常所說的平均效率或者最高效率。它充分考慮了太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化，更加準(zhǔn)確地描述了光伏逆變器的性能。歐洲效率是由不同負(fù)載情況下的效率按照不同比重累加得到的，其中半載的效率占其最大組成部分。

2.2 功率器件的選型

在通用逆變器的設(shè)計(jì)中，綜合考慮性價(jià)比因素，IGBT是最多被使用的器件。因?yàn)镮GBT導(dǎo)通壓降的非線性特性使得IGBT的導(dǎo)通壓降并不會(huì)隨著電流的增加而顯著增加。從而保證了逆變器在最大負(fù)載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是對(duì)于光伏逆變器而言，IGBT的這個(gè)特性反而成為了缺點(diǎn)。因?yàn)闅W洲效率主要和逆變器不同輕載情況下效率的有關(guān)。在輕載時(shí)，IGBT的導(dǎo)通壓降并不會(huì)顯著下降，這反而降低了逆變器的歐洲效率。相反，MOSFET的導(dǎo)通壓降是線性的，在輕載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，而且考慮到它非常卓越的動(dòng)態(tài)特性和高頻工作能力，MOSFET成為了光伏逆變器的首選。

3 結(jié)束語(yǔ)

光伏電站的并網(wǎng)逆變器的技術(shù)優(yōu)化對(duì)發(fā)電效率影響較大，為了光伏電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)此方面的技術(shù)研究，盡力提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅知蘭.電力系統(tǒng)電氣設(shè)備選擇與使用計(jì)算.中國(guó)電力出版社，2004年