太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法

太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法 光伏电池的理想模型可由下式表示： 其中， vt 为电池板热电势。 图 3 表述在特定光照条件下电池板的伏安特性。 阴影部分是电池板在相应条件下所能够 输出的最大功率。太阳能电池板在高输出电压区域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同 等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源。 电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率。 在电池板的温度保持不 变的情况下，这个极大功率值会随着光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟 踪电池板的工作在输出功率极大的条件。 3.2 太阳能控制器电路拓扑 图 4 为太阳能控制器的电路拓扑结构，从原理上说是以及升压斩波器，通过调整开关器 件 S 的占空比，调节电池板的等效负载阻抗，实现对电池板的最大功率跟踪功能。 3.3 最大功率跟踪方法 最大功率跟踪技术有两种技术路线：其一 是 CVT 技术，控制电池组件端口 电压近似模拟最大功率跟踪， 这种方法原理简单但是跟踪精度不够； 其二是 MTTP 技术，实时检测光伏阵列输出功率，通过调整阻抗的方式满足最大功率跟踪。 目前，太阳能逆变器厂家广泛采用的 MPPT 技 术。目前，常用的 MTTP 方法有两 种。 （A）干扰观测法（P&O）： 干扰观测法每隔一定时间增加或减少电压，通过观测功率变化方向，来决 定下一步的控制信号。如果输出功率增加，那么继续按照上一步电压变化方向 改变电压，如果检测到输出功率减小，则改变电压变化的方向，这样光伏阵列 的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点。如果采用 D C/DC 变换器实现 MPPT 控制，在具体实施时应通过对占空比施加扰动 来调节光伏阵列输出电压或电流， 从而达到跟踪最大功率点的目的。如果采 用较大的步长对占空比进行“干扰“， 这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后光伏阵列的实际工作点 在最大功率点附近振荡幅度比较大，造成一定的功率损失，采用较小的步长则 正好相反。 B）电导增量法（ INC） ： 光伏电池在最大功率点 Pm 处 dP/dU=0，在 Pm 两端 dP/dU 均不为 0。 要使输出功率最大，必须满足（ 4）式，使阵列的电导变化率等于负的电导值。首先假 设光伏阵列工作在一个给定的工作点， 然后采样光伏阵列的电压和电流， 计算 Δv=v(n)-v(n-1) 和 Δi=i(n)-i(n-1)，其中 (n)表示当前采样值， (n-1)为前一次的采样值；如果 Δv=0，则利用 Δi 的符号判断最大功率点的位置；如果 Δv≠0，则依据 Δi/Δv+I/V 的符号判断。 这种跟踪法最大的优点是当光伏电池的光照强度发生变化时， 输出端电压能以平稳的方 式追随其变化，电压波动较扰动观测法小。缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特别是对 检测元件的精度要求比较高，因而整个系统的硬件成本会比较高。 4 太阳能逆变器及其工作原理 太阳能逆变器的电路拓扑如图 5 所示， 5-a)是单相并网逆变器电路拓扑， 5-b)是三相并 网逆变器电路拓扑。从电路拓扑结构上看属于电压型控制逆变电路。从控制方式上属于电流 控制型电路。 4.1 电路的基本工作原理以图 6 的单相光伏逆变电路分析。 按照正弦波和载波比较方式对 S1-S4 进行控制，交流侧 AB 处产生 SPWM 波 uAB， uAB 中含有基波分量和高次谐波，在 LS 的滤波作用下高次谐波可以忽略，当 uAB 的频率与电网一致时，is 也是和电网一致的正弦波。在电源电压一定的条件下， is 的幅值和相位仅有 uAB 的基波的幅值和相位决定，这样电路可以实现整流、 逆变以及无功补偿等作用。图 7 所示是电路的运行向量图，其中 7-a)是整流运 行，7-b)是逆变运行，7-c)是无功补偿运行，7-d)是 Is 超前 φ 角运行。单相光 伏逆变器工作在 7-b)状态。 4.2 电路的基本控制方法 光伏逆变器对于功率因数有较高要求，为了准确实现高功率因数逆变，需要 对输出电流进行控制，通常的电流控制方式有两种：其一是间接电流控制，也称 为相位幅值控制，按照图 7 的向量关系控制输出电流，控制原理简单，但精度较 差，一般不采用；其二是直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈， 这种控制方法控制精度高，准确率好，系统鲁棒性好，得到广泛应用。 5 监控保护单元简介 监控保护单元的主要作用有： 光伏并网系统作为接入电力系统的装置， 需要设定合理的保护措施保护发电 设备的安全以及电网的安全； 孤岛效应会产生很多不良影响，光伏系统作为分布式发电系统的典型代表， 如何准确测定孤岛效应也是监控保护单元的重要作用； 太阳能光伏电站尤其是大规模的光伏电站往往建设在荒漠和无人区， 智能电 量管理和系统状况检测上报也是光伏发电系统需要重点考虑的因素。 5.1 并网保护装置 并网保护装置主要实现以下保护功能：低电压保护、过电压保护、低频率保 护、国频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容。通常大型光伏电站需要 设置冗余保护装置，保证系统故障时及时处理。 5.2 孤岛检测技术 孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时， 并网装置仍然保持对失压电网中的 某一部分线路继续供电的状态。当电网的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时， 电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。 孤岛效应会对光伏发电系统与电网 的重连接制造困难，同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此孤岛效应必 须避免。目前常用的孤岛效应检测方法主要有两种，分别是被动检测方法和主动 式检测方法。 (A)被动式孤岛检测： 孤岛的发生和电网脱离时的负载特性及与电网之间的有功和无功交换有很 大的关系。电网脱离后有功的波动会引起光伏系统端口电压的变化，无功的波动 会引起光伏系统输出频率的变化。电网脱离后，如果有功或者无功的波动比较明 显，通过监测并网系统的端口电压或者输出频率就可以检测到孤岛的发生，这就 是被动式孤岛检测方法的原理。然而在电网脱离后，如果有功和无功的波动都很 小，此时被动式检测方法就存在检测盲区。 （B）主动式孤岛检测： 主动式孤岛检测方法中用的比较多的是主动频移法（AFD），其基本原理是 在并网系统输出中加入频率扰动，在并网的情况下，其频率扰动可以被大电网校 正回来，然而在孤岛发生时，该频率扰动可以使系统变得不稳定，从而检测到孤 岛的发生。这类方法也存在“检测盲区“，在负载品质因数比较高时，若电压幅值 或频率变化范围小于某一值，系统无法检测到孤岛状态。另外，频率扰动会引起 输出电流波形的畸变，同时分析发现，当需要进行电能质量治理时，频率的扰动 会对谐波补偿效果造成较严重的影响。 智能电量管理及系统状况监控系统 大型光伏电站由于地处偏远地区，常常为无人值守电站。为了准确计量电站 的电能输出及系统运行状况需要设立智能电量管理及系统状况监控系统。 系统往 往基于计算机数据处理平台以及互联网技术将分散的发电系统信息收集到集中 控制中心进行数据分析处理工作， 这部分的工作原理及系统结构在本文中不在详 述。 6结语 本文主要介绍了光伏并网系统的结构，分析了其主要组成部件的系统框图、 功能。给出了最大功率跟踪的基本原理，分析了光伏逆变器的主要电路拓扑结构 及控制方式。太阳能光伏发电技术作为有可能彻底改变人们生活的朝阳技术，拥 有美好的未来，让我们共同期待光伏技术在明天为人类作出更大的贡献。 PATS2000 光伏并网逆变器测试系统 详细规格 Datasheet 菊水皇家研发生产光伏逆变器测试系统、测 试设备（电网模拟器、太阳能电池 模拟器，防孤岛测试负载、光伏逆变器老化电 源）。欢迎来我司参观考察。 深圳市菊水皇家科技有限公司 联系：周璇 电话：15889357387 地址：深圳市南山区西丽镇阳光工业区翻身小区 1 0栋6楼 菊水皇家研发生产光伏逆变器测试系统、测 试设备。欢迎来我司参观考察。 深圳市菊水皇家科技有限公司 联系：周璇 电话：15889357387 地址：深圳市南山区西丽镇阳光工业区翻身小区 1 0栋6楼