逆变器在光伏发电系统中的应用

第 27 卷 第 17 期2011 年 9 月甘肃科技Gansu Scienceand TechnologyVol. 27 No. 17Sep. 2011逆变器在光伏发电系统中的应用秦天像（ 酒泉职业技术学院 机电工程系 ， 甘肃 酒泉 735000）摘 要 综合阐述了光伏发电逆变技术发展趋势 ， 并介绍了太阳能逆变器的原理 。 针对目前我国采用低压 、 小容量并网运行的逆变技术导致逆变器数量多 、 系统结构复杂的现状 ， 介绍了一种实现智能控制是发展太阳能逆变器技术的关键 。关键词 逆变器 ； 光伏发电 ； 智能控制中图分类号 TM91世界范围内的能源短缺已成为制约人类社会可持续发展的重要因素 ， 大力发展新的可替代能源已成为当务之急 。 太阳能的利用越来越多地受到人们的关注 ， 光伏并网发电已成为太阳能发电领域研究和发展的最新亮点 。 酒泉市被国家发改委批准为首个千万千瓦级的风电基地和百万千瓦级的太阳能基地之后 ， 酒泉市政府审时度势 ， 抢抓新能源产业发展的机遇 ， 提出了大力发展新能源 “ 6 2” 产业群 ， 即发展风能 、 光能 、 调峰电源 、 电网建设 、 新能源装备制造 、 资源综合利用和水能 、 核乏燃料处理等产业 ， 那么研究逆变器在太阳能发电中作用就显得更为重要 。1 光伏发电中逆变技术发展趋势随着光伏发电的迅速发展 ， 对光伏发电提出了新的要求 ， 需要大规模的并网发电 ， 与电网连接同步运行 。 并网逆变器作为光伏发电的核心 ， 对其要求也越来越高 。首先 ， 要求逆变器输出的电量和电网电量保持同步 ， 在相位 、 频率上严格一致 ， 逆变器的功率因数近于 1； 其次 ， 满足电网电能质量的要求 ， 逆变器应输出失真度小的正弦波 ； 第三 ， 具有对孤岛检测的功能 ， 防止孤岛效应的发生 ， 避免对用电设备和人身造成伤害 ； 第四 ， 为了保证电网和逆变器安装可靠运行 ， 两者之间的有效隔离及接地技术也非常重要 。1. 1 结构发展趋势过去逆变器的结构由工频变压器结构的光伏逆变器转化多转换级带高频变压器的逆变结构 ， 功率密度大大提高 ， 但也导致了逆变器的电路结构复杂 ，可靠性降低 。 现阶段的光伏并网逆变器普遍采用了串级型 ， 经过反复研究表明 逆变器采用多串级逆变结构 ， 融合了串级的设计灵活 、 高能量输出与集中型低成本的优点 ， 是今后光伏并网逆变结构的一种发展趋势 。1. 2 控制策略发展趋势光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制 ， 逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM 控制策略 。 对光伏阵列工作点跟踪控制主要有 恒电压控制策略和 MPPT 光伏阵列功率点控制策略 。 现代控制理论中许多先进算法也被应用到光伏逆变系统的控制中 ， 如人工神经网络 、 自适应 、 滑模变结构 、 模糊控制等 。 将来光伏并网系统的综合控制成为其研究发展的新趋势 。 基于瞬时无功理论的无功与谐波电流补偿控制 ， 使得光伏并网系统既可以向电网提供有功功率 ， 又可以实现电网无功和谐波电流补偿 。 这对逆变器跟踪电网控制的实时性 、 动态特性要求更高 。逆变器对于孤岛效应的控制 ， 孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式 。 常常采用主动检测法 ，如脉冲电流注入法 、 输出功率变化检测法 、 主动频率偏移法和滑模频率偏移法等 。 随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用 ， 当多个逆变器同时并网时 ，不同逆变器输出的变化非常大 。 将来多逆变器的并网通信 、 协同控制已成为其孤岛效应检测与控制发展趋势 。2 太阳能逆变器的原理通常把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流 ， 相控整流是最常见的交 直流变换过程 ； 而把直流电能变换成交流电能的过程称之为逆变 ， 它是整流的逆过程 。 在逆变电路中 ， 照负载性质的不同 ， 逆变分为有源逆变和无源逆变 。 如果把该电路的交流侧接到交流电源上 ， 把直流电能经过直 交流变换 ， 逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去 ， 称作有源逆变 ， 相应的装置称为有源逆变器 ， 控制角大于 90 的相控整流器为常见的有源逆变器 。 而把直流电能变换为交流电能 ， 直接向非电源负载供电的电路 ， 称之为无源逆变电路 ， 又称为变频器 。逆变器类型有他励逆变器 、 自励逆变器 、 脉宽调制 （ PWM） 型逆变器 。 其中他励逆变器需要外部交流电压源 ， 给晶闸管提供整流电压 。 他励逆变器主要应用在大功率并网情况下 ； 对于功率低于 1MW的光伏发电系统 ， 主要采用自励逆变器方式 。 自励逆变器不需要外部交流电压源 ， 整流电压由逆变器的一部分储能元件 （ 比如电容 ） 来提供或通过增加待关断整流阀 （ 像 MOSFET 或 IGBT） 的电阻值来实现 。 输出电压被脉冲调制的自励逆变器被称为脉冲逆变器 。 这种逆变器通过增加周期内脉冲的切换次数 ， 来降低电压 、 电流的谐波含量 ； 谐波含量与脉冲切换次数呈正比 。 目前 ， 并网逆变器的输出控制模式主要有两种 电压型控制模式和电流型控制模式 。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量 ，系统输出和电网电压同频同相的电压信号 ， 整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源 ； 电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标 ， 系统输出和电网电压同频同相的电流信号 ， 整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源 。3 太阳能逆变器的智能控制设计太阳能逆变器时要考虑两个关键因素即效率和谐波失真 。 效率可分成两个部分 太阳能的效率和逆变器的效率 。 逆变器的效率在很大程度上取决于设计使用的外部元件 ， 而不是控制器 ； 而太阳能的效率与控制器如何控制太阳能电池板阵列有关 。每个太阳能电池板阵列的最大工作功率在很大程度上取决于阵列的温度和光照 。 MCU 必须控制太阳能电池板阵列的输出负载 ， 以使阵列的工作功率最大 。 由于这不是一个数学密集型算法 ， 因此可使用低成本 MCU 来完成任务 。目前 ， 大多数太阳能逆变器只能从太阳能电池板的某个最佳位置对电池板的整体效率进行优化 。这种优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率 。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行 ， 系统的效率就非常低 ， 白白浪费采集太阳能的良机 。在光伏系统中 ， 太阳能电池板是由多个串联组并联后形成的 。 就像节日灯饰一样 ， 假如串联中的某个电池发生故障 ， 就会导致整个电池组失效 。 此外 ， 当有局部阴影或碎砾等遮蔽光伏系统时 ， 这种情况也会发生 。 为了解决上述问题 ， 目前太阳能电池板都集成了旁路二极管 ， 从而使电流可以绕过被遮蔽的失效电池板部分 。 启动二极管后 ， 它们可将电流重新路由 ， 即改道绕过失效电池串上 。 这样一来 ， 不仅浪费了受遮蔽电池板的供电潜能 ， 而且会降低整个电池组的总电压 。 基于选取电池板最佳操作点的原则 ， 逆变器必须决定是应该优化受影响电池串的电压 ， 还是应该优化其他没受影响电池组所产生的能量 。 在大多数的情况下 ， 逆变器都会选择优化没有影响的电池组 ， 并相应地降低受影响电池组所产生的能量 ， 甚至是完全关闭受影响电池组 。 所导致的结果是 ， 太阳能光伏系统只要出现 10 的遮蔽 ， 便会使太阳能发电量下降一半 。 产生这一现象的原因主要是现行的光伏系统并不能与极度敏感的太阳能电池架构相匹配 。 因此 ， 我们需要采用更高智能的技术和产品来开发太阳能 。据了解 SolarMagic产品 ， 能够智能管理太阳能光伏电池板电量 ， 从而使太阳能管理更智能 ， 更高效 。 一个解决方案就是所谓的 “ 微型逆变器 ” ， 即在每块电池板上都加装逆变器 。 可是影响光伏系统的关键因素是可靠性 、 成本和效率 。 先进的微型优化器技术可大幅改善太阳能发电工业的成本效益和产能 。 由于具备在太阳能发电的深厚知识 、 经验以及可靠的核心技术 ， Solar Magic 技术可监察并优化每块电池板的发电量 ， 并改善电池板中的电流流向 。通过采用 Solar Magic 技术 ， 太阳能发电系统可挽回50 以上因输电失配或阴影遮蔽而损失的发电量 。微型优化器将智能地管理每块电池板 ， 让它们可以最佳的功率点去运行 ， 即使串联电池组内有个别电池板发生故障也不会影响系统的整体效率 。参考文献 ［ 1］ 王一波 . 大型并网光伏逆变技术的发展与趋势 ［ G］ ．2009“ 金 太 阳 ” 世 界 光 伏 产 业 峰 会 “ 大 型 光 伏 电 站（ LSPV） 未来发展论坛 ， 2009 － 11 － 19．［ 2］ 赵争鸣 ， 刘建政 ， 孙晓瑛 ， 等 ． 太阳能光伏发电及其应用 ［ M］ ． 北京 科学出版社 ， 2005．［ 3］ 吴燕红 ， 邹云屏 ， 吴智超 ， 等 . 新型混合不对称九电平逆变器的调制方法及输出频谱特性 ［ J］ ． 电源技术应用 ， 2006， 9（ 2） 10-15．［ 4］ 刘凤君 . 现代逆变技术及应用 ［ M］ ． 北京 电子工业出版社 ， 2006．17第 17 期 秦天像 逆变器在光伏发电系统中的应用