光伏發(fā)電如何“并入”電網(wǎng)？帶你讀懂逆變器的工作原理與控制

隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認(rèn)識(shí)到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，必須完成從補(bǔ)充能源向替代能源的過(guò)渡，而且由于工業(yè)文明的不斷發(fā)展，我們對(duì)于能源的需求越來(lái)越多；傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)不可能滿足要求，為了避免面對(duì)能源枯竭的困境，尋找優(yōu)質(zhì)的替代能源成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題；可再生能源如水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能以及生物質(zhì)能等能源形式不斷映入人們的眼簾。

水利發(fā)電作為最早應(yīng)用的可再生能源發(fā)電形式得到了廣泛使用，但也有人就其的環(huán)境問(wèn)題、安全問(wèn)題提出過(guò)質(zhì)疑，況且目前的水能開發(fā)程度較高，繼續(xù)開發(fā)存在一定的困難。風(fēng)能的利用近些年來(lái)也是熱點(diǎn)問(wèn)題，但風(fēng)力發(fā)電存在穩(wěn)定性不高、噪音大等缺點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)會(huì)形成一定沖擊，如何有效控制風(fēng)能的開發(fā)和利用仍是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在剩下的可再生能源形式當(dāng)中，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是最有利用價(jià)值的能源形式之一。

1、太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)

1）太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，每秒鐘太陽(yáng)要向地球輸送相當(dāng)于210億桶石油的能量，相當(dāng)于全球一天消耗的能量；我國(guó)的太陽(yáng)能資源也十分豐富，除了貴州高原部分地區(qū)外，中國(guó)大部分地域都是太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)，目前的太陽(yáng)能利用率還不到1/1000。因此在我國(guó)大力開發(fā)太陽(yáng)能潛力巨大；光伏并網(wǎng)是太陽(yáng)能利用的發(fā)展趨勢(shì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)將主要用于調(diào)峰電站和屋頂光伏系統(tǒng)。

2）在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)是核心部分。

目前并網(wǎng)型系統(tǒng)的研究主要集中于DC-DC和DC-AC兩級(jí)能量變換的結(jié)構(gòu)。DC-DC變換環(huán)節(jié)調(diào)整光伏陣列的工作點(diǎn)使其跟蹤最大功率點(diǎn);DC-AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，同時(shí)獲得單位功率因數(shù)。其中DC-AC是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

3）太陽(yáng)能的利用分為"光熱"和"光伏"兩種，其中光熱式熱水器在我國(guó)應(yīng)用廣泛；光伏是將光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電形式，起源于100多年前的"光生伏打現(xiàn)象"。太陽(yáng)能的利用目前更多的是指光伏發(fā)電技術(shù)。

光伏發(fā)電技術(shù)根據(jù)負(fù)載的不同分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種，早期的光伏發(fā)電技術(shù)受制于太陽(yáng)能電池組件成本因素，主要以小功率離網(wǎng)型為主，滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)電網(wǎng)居民用電問(wèn)題。隨著光伏組件成本的下降，光伏發(fā)電的成本不斷下降，預(yù)計(jì)到2013年安裝成本可降至1.5美元/Wp，電價(jià)成本為6美分/(kWh)，光伏并網(wǎng)已成為可能，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)逐步成為主流。

2、并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

下圖1所示為并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)包括兩大主要部分：

1）其一，太陽(yáng)能電池組件。將太陽(yáng)傳送到地球上的光能轉(zhuǎn)化成直流電能；

2）其二，太陽(yáng)能控制逆變器及并網(wǎng)成套設(shè)備，負(fù)責(zé)將電池板輸出直流電能轉(zhuǎn)為電網(wǎng)可接受的交流能量。

3）根據(jù)功率的不同太陽(yáng)能逆變器的輸出形式可為單相或者三相；可帶隔離變壓器，也可不配隔離變壓器。

（1）光伏電池的理想模型可由下式表示：

其中，vt 為電池板熱電勢(shì)。

（2）圖 3 表述在特定光照條件下電池板的伏安特性。

陰影部分是電池板在相應(yīng)條件下所能夠輸出的最大功率。太陽(yáng)能電池板在高輸出電壓區(qū)域，具有低內(nèi)阻特性，可以視為一系列不同等級(jí)的電壓源；在低輸出電壓區(qū)域內(nèi)，該電源有高內(nèi)阻特性，可以視為不同等級(jí)的電流源。電壓源與電流源的交匯處便是電池板在相應(yīng)條件下的最大輸出功率。在電池板的溫度保持不變的情況下，這個(gè)極大功率值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，最大功率跟蹤能自動(dòng)跟蹤電池板的工作在輸出功率極大的條件。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

圖 4 為太陽(yáng)能控制器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從原理上說(shuō)是以及升壓斬波器，通過(guò)調(diào)整開關(guān)器件 S 的占空比，調(diào)節(jié)電池板的等效負(fù)載阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板的最大功率跟蹤功能。

（3）最大功率跟蹤方法、最大功率跟蹤技術(shù)有兩種技術(shù)路線：

其一是 CVT 技術(shù)，控制電池組件端口電壓近似模擬最大功率跟蹤，這種方法原理簡(jiǎn)單但是跟蹤精度不夠；其二是 MTTP 技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列輸出功率，通過(guò)調(diào)整阻抗的方式滿足最大功率跟蹤。目前，太陽(yáng)能逆變器廠家廣泛采用的 MPPT 技術(shù)。目前，常用的 MTTP 方法有兩種。

A）干擾觀測(cè)法（P&O）：

干擾觀測(cè)法每隔一定時(shí)間增加或減少電壓，通過(guò)觀測(cè)功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一步電壓變化方向改變電壓，如果檢測(cè)到輸出功率減小，則改變電壓變化的方向，這樣光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點(diǎn)。

如果采用 DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn) MPPT 控制，在具體實(shí)施時(shí)應(yīng)通過(guò)對(duì)占空比施加擾動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓或電流， 從而達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。如果采用較大的步長(zhǎng)對(duì)占空比進(jìn)行”干擾”， 這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩幅度比較大，造成一定的功率損失，采用較小的步長(zhǎng)則正好相反。

B）電導(dǎo)增量法（INC）：

光伏電池在最大功率點(diǎn) Pm 處 dP/dU=0，在Pm 兩端 dP/dU 均不為 0。

要使輸出功率最大，必須滿足（4）式，使陣列的電導(dǎo)變化率等于負(fù)的電導(dǎo)值。首先假設(shè)光伏陣列工作在一個(gè)給定的工作點(diǎn)，然后采樣光伏陣列的電壓和電流，計(jì)算 Δv=v(n)-v(n-1) 和 Δi=i(n)-i(n-1)，其中(n)表示當(dāng)前采樣值，(n-1)為前一次的采樣值；如果 Δv=0，則利用 Δi 的符號(hào)判斷最大功率點(diǎn)的位置；如果 Δv≠0，則依據(jù) Δi/Δv+I/V 的符號(hào)判斷。

a.這種跟蹤法最大的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)光伏電池的光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，電壓波動(dòng)較擾動(dòng)觀測(cè)法小。

b.缺點(diǎn)是其算法較為復(fù)雜，對(duì)硬件的要求特別是對(duì)檢測(cè)元件的精度要求比較高，因而整個(gè)系統(tǒng)的硬件成本會(huì)比較高。

3、太陽(yáng)能逆變器及其工作原理：

太陽(yáng)能逆變器的電路拓?fù)淙鐖D 5 所示，5-a)是單相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)洌?-b)是三相并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)洹碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。

圖5 逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1）電路的基本工作原理以圖 6 的單相光伏逆變電路分析。

2）按照正弦波和載波比較方式對(duì) S1-S4 進(jìn)行控制，交流側(cè) AB 處產(chǎn)生 SPWM 波 uAB，uAB 中含有基波分量和高次諧波，在 LS 的濾波作用下高次諧波可以忽略，當(dāng) uAB 的頻率與電網(wǎng)一致時(shí)，is 也是和電網(wǎng)一致的正弦波。

在電源電壓一定的條件下，is 的幅值和相位僅有 uAB 的基波的幅值和相位決定，這樣電路可以實(shí)現(xiàn)整流、逆變以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)茸饔谩D 7 所示是電路的運(yùn)行向量圖，其中 7-a)是整流運(yùn)行，7-b)是逆變運(yùn)行，7-c)是無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行，7-d)是 Is 超前 φ 角運(yùn)行。單相光伏逆變器工作在 7-b)狀態(tài)。

3）電路的基本控制方法：

光伏逆變器對(duì)于功率因數(shù)有較高要求，為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)逆變，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行控制。

通常的電流控制方式有兩種：其一是間接電流控制，也稱為相位幅值控制，按照?qǐng)D 7 的向量關(guān)系控制輸出電流，控制原理簡(jiǎn)單，但精度較差，一般不采用；其二是直接電流控制，給出電流指令，直接采集輸出電流反饋， 這種控制方法控制精度高，準(zhǔn)確率好，系統(tǒng)魯棒性好，得到廣泛應(yīng)用。

4、監(jiān)控保護(hù)單元簡(jiǎn)介

1）監(jiān)控保護(hù)單元的主要作用有：

（1）光伏并網(wǎng)系統(tǒng)作為接入電力系統(tǒng)的裝置，需要設(shè)定合理的保護(hù)措施保護(hù)發(fā)電設(shè)備的安全以及電網(wǎng)的安全；

（2）孤島效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很多不良影響，光伏系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)的典型代表， 如何準(zhǔn)確測(cè)定孤島效應(yīng)也是監(jiān)控保護(hù)單元的重要作用；

（3）太陽(yáng)能光伏電站尤其是大規(guī)模的光伏電站往往建設(shè)在荒漠和無(wú)人區(qū)，智能電量管理和系統(tǒng)狀況檢測(cè)上報(bào)也是光伏發(fā)電系統(tǒng)需要重點(diǎn)考慮的因素。

2）并網(wǎng)保護(hù)裝置：

并網(wǎng)保護(hù)裝置主要實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能：低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、國(guó)頻率保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)以及孤島保護(hù)策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)故障時(shí)及時(shí)處理。

3）孤島檢測(cè)技術(shù)：

孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí)，并網(wǎng)裝置仍然保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時(shí)， 電網(wǎng)將不再控制這個(gè)電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時(shí)可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應(yīng)必須避免。目前常用的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法主要有兩種，分別是被動(dòng)檢測(cè)方法和主動(dòng)式檢測(cè)方法。

(A)被動(dòng)式孤島檢測(cè)：

孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時(shí)的負(fù)載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無(wú)功交換有很大的關(guān)系。電網(wǎng)脫離后有功的波動(dòng)會(huì)引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化，無(wú)功的波動(dòng)會(huì)引起光伏系統(tǒng)輸出頻率的變化。電網(wǎng)脫離后，如果有功或者無(wú)功的波動(dòng)比較明顯，通過(guò)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測(cè)到孤島的發(fā)生，這就是被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后，如果有功和無(wú)功的波動(dòng)都很小，此時(shí)被動(dòng)式檢測(cè)方法就存在檢測(cè)盲區(qū)。

（B）主動(dòng)式孤島檢測(cè)：

主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法中用的比較多的是主動(dòng)頻移法（AFD），其基本原理是 在并網(wǎng)系統(tǒng)輸出中加入頻率擾動(dòng)，在并網(wǎng)的情況下，其頻率擾動(dòng)可以被大電網(wǎng)校正回來(lái)，然而在孤島發(fā)生時(shí)，該頻率擾動(dòng)可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，從而檢測(cè)到孤島的發(fā)生。這類方法也存在”檢測(cè)盲區(qū)”，在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)比較高時(shí)，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動(dòng)會(huì)引起輸出電流波形的畸變，同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要進(jìn)行電能質(zhì)量治理時(shí)，頻率的擾動(dòng)會(huì)對(duì)諧波補(bǔ)償效果造成較嚴(yán)重的影響。

4）智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)：

大型光伏電站由于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，常常為無(wú)人值守電站。為了準(zhǔn)確計(jì)量電站的電能輸出及系統(tǒng)運(yùn)行狀況需要設(shè)立智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)往往基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理工作，這部分的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本文中不在詳述。

5、結(jié)語(yǔ)：

本文主要介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了其主要組成部件的系統(tǒng)框圖、功能。給出了最大功率跟蹤的基本原理，分析了光伏逆變器的主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方式。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為有可能徹底改變?nèi)藗兩畹某?yáng)技術(shù)，擁有美好的未來(lái)，讓我們共同期待光伏技術(shù)在明天為人類作出更大的貢獻(xiàn)。

來(lái)源：上海企科環(huán)境科技

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