光伏并网发电系统与并网逆变器研究综述_侯琦耀

2016 年第 2 期电 力 科 技 科技创新与应用光伏并网发电系统与并网逆变器研究综述侯琦耀（ 东北石油大学 ， 黑龙江 大庆 163318）引言伴随着社会的飞速发展 ， 人类对能源的需求也在急剧增加 ， 然而全球的化石储量正在日趋枯竭 。 因此太阳能作为绿色可再生能源凭借其日益突显的优势而受到追捧 。 太阳能已经成为当前世界上最有前景和发展潜力的可再生能源 。 其中太阳能光伏并网发电系统更是光伏利用的重要发展趋势 ， 而并网逆变器作为光伏发电系统和电网接口设备 ， 其重要性更是不言而喻 。1 光伏并网发电系统简介光伏发电系统按照其运行方式可以分 为 以 下 两大类 ： 一类是独立发电系统 ， 另一类是并网发电系统 [1]。 文章主要介绍光伏并网发电系统中的并网逆变器 。1.1 光伏并网发电系统概述太阳能光伏并网发电系统与太阳能发电系统有很明显的区别 ， 主要体现在它可以不经过蓄电池储能过程 ， 而是通过GCI 把太阳能转化为需要的电能 ， 然后将所转化来的电能送上电网 。 它具有以下优点 [2]：（ 1） 利用清洁 可 再生 的 太阳能发电 ， 不消耗化石能源 ， 符合可持续发展战略 。 避免资源短缺或耗尽等问题 ， 且其采用的主材料 ——— 硅储量丰富 。 （ 2） 光伏发电具有先进性 ： 直接从光子到电子的能量转换 ， 省去机械运动过程 。 （ 3） 采用模块化结构 ， 易于安装 、 建造 、 拆卸及迁移 。但现阶段光伏系统也存在着三大问题 ： 其一制造光伏材料的成本远远高于传统能源的制造成本 。 因此推广起来相对困难 。 其二光伏阵列发电效率较低 ， 多数太阳能板的光电转换效率仅为百分之二十左右 。 其三光伏系统由于依赖太阳能 ， 因此受气候影响较大 。 并且分散式发电系统会产生孤岛效应等不良影响 。1.2 光伏并网系统工作原理1.2.1 太阳能电池的工作原理 。 在整个太阳能光伏发电系统中最关键的结构就是太阳能电池列阵 [3]。 其品质好坏与整个光伏系统的性能和质量息息相关 。 太阳能电池工作原理 [4]的基础是半导体 PN 结光升伏打效应 ， 当物体接收到太阳光的光照时 ， 物体内部的电荷的分布状态会立刻改变 ， 分布状态的改变促使物体产生电流和电动势的效应 。 若光线照射到半导体的PN 结时 ， PN 结的两边会产生光生电压 ， 当 PN 结短路时会产生电流 ， 光生伏打效应就是这样一种现象 。 若将 PN 结与外电路进行连接 ， 通过接收持续性的光照 ， 电路中就会不间断地有电流流过 ， 此时可以将 PN 结看成一个电源 ， 其为整个电路提供了持续电流 ， 这也就是太阳能电池发电的基本原理 。1.2.2 光伏并网发电系统的工作原理 。 太阳能电池发电系统是根据光生伏打 [5]效应原理制成的 ， 它能够将接收到的太阳辐射能量直接转换成电能 。 其主要组成部分为太阳能电池方阵和并网逆变器 。 当白天有太阳光照时 ， 太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上 ， 或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电 。 光伏系统主要由电池组件方阵 、 充电控制器 、 蓄电池组 、 并网逆变器 、 升压装置等几部分组成 ， 其工作过程如下 ： 第一步 ， 光伏电池组件将吸收的太阳光直接转化为直流电 ； 第二步 ， 形成的直流电在系统控制器的控制下不断向整个蓄电池进行充电 ； 第三步 ， 逆变器将直流电转化为与电网频率及相位保持同步的交流电 ； 最后 ， 交流电通过升压装置将电量输给电网 。1.2.3 光伏并网发电系统的关键技术 。 光伏并网发电系统的并网控制目标是使得输出电流的频率 、 相位和电网电压能够达到一致 ， 系统的功率因数值为 1。 目前电力上常用的电流控制方法主要是电流滞环控制方法和基于 SPWM的电流控制方法 。太阳能光伏电池的最大功率点跟踪是光伏发电系统中必不可少的部分 ， 最大功率跟踪的目的是使太阳能电池始终工作在最大功率点 。 通过跟踪与搜索太阳能电池的最大功率点 ，实现并网电流最大化 ， 保证并网功率最大化 。 光伏系统常用的跟踪最大功率点的方法 [6]有 ： 滞环比较法 、 电导增量法 、 最优梯度法 、 扰动观察法等 。 这些方法的共同点是都根据太阳能电池的特性曲线上的最大功率点来搜索所对应的电压 。 这些方法各有千秋 ， 不同需要时应酌情选择适合的控制方法 。2 光伏并网逆变器的拓扑结构光伏并网发电系统主要由光伏阵列 、 变换器和控制器三摘 要 ： 光伏发电系统是太阳能产业中极为重要的一环 ， 而大功率光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中极为重要的组成部分 。 基于此文章首先简述了光伏并网发电系统的不同分类方式 ， 介绍了光伏电池的工作原理以及并网发电系统的工作原理 ， 并讨论了光伏并网变换器拓扑结构的发展 ： 单级式 、 双级式和多级式 ， 详细分析比较了各种拓扑结构的优缺点 。关键词 ： 光伏系统 ； 逆变器 ； 并网（ a） 电网换相晶闸管开关逆变器（ b） 全控型开关 （ IGBT） 全桥逆变器图 1 单级无变压器结构的光伏逆变器145- -2016 年第 2 期 电 力 科 技科技创新与应用个部分组成 。 其中太阳能光伏并网逆变器是连接光伏阵列模块和电网的关键部件 ， 它的主要任务是控制光伏阵列模块能够在最大功率点运行以及向电网注入正弦电流 。 目前 ， 光伏逆变器正在由单级向多级发展 ， 拓扑结构大致可分为以下几类 。2.1 单级式并网逆变器拓扑过去的太阳能光伏并网系统逆变器的结构如图 1 （ a） 所示 ， 它采用的是单级无变压器 ， 电压型全桥逆变结构 。 它具有造价低廉 ， 结构简单的特点 。 但由于过去的开关器件水平还很低 ， 系统输出电流的谐波比较大 ， 输出功率因数也只达到 0.6～0.7。 随着当今电子器件的迅速发展 ， 频率大于 16kHz 的高频器件 BJT、 IGBT 等 逐 渐代替 了电 网 换 相 晶 闸 管 [7]。 如 图 1（ b） 所示 ， 采用高频开关电子器件和 SPWM全桥逆变电路 ， 就可以有效地控制输出谐波 ， 但 16～ 20kHz 的开关频率使开关的损耗较快 ， 降低了系统效率 。图 2 所示为单级式并网逆变器结构框图 ， 从中可以看出 ，单级式的逆变系统可以直接转化直流为交流 ， 它的不足是 ：（ 1） 所需的直流输入比较高 ， 成本较高 ， 可靠性却比较低 ；（ 2） 对最大功率点的跟踪缺少独立控制操作 ， 系统输出功率低 ； （ 3） 结构设置不够灵活 ， 不能扩展 ， 无法满足光伏阵列模块的直流输入的多变特性 。图 2 单级式并网逆变器结构框图综上 ， 如果出现了输入的直流信号偏低的情况 ， 应该用交流变压器对整个结构进行升压 ， 通过结构升压就能够得到标准的交流电压和频率 ， 同时可以使输入输出电气隔离 。2.2 双级式并网逆变器拓扑目前并网型逆变器的研究主要集中于 DC-DC 和 DC-AC两级能量转换结构 。 即图 3 所示双级变换并网型光伏系统框图 。 其中 DC-DC 环节通过升压电路来提高光伏电池输出端的电压 ， 使后端的逆变电路也省掉了并网变压器而直接输出匹配电网的交流电压 ， 因为母线电压足够高 ， 在这一级实现最大功率点跟踪的算法 。 由于前一级的升压环节 ， 使 DC-AC 环节的输入相对稳定 ， 且输入电压较高 ， 有利于提升逆变器的工作效率 ， 逆变环节的主要任务是要使输出电流与电网电压实现同相位 ， 同时获得单位功率因数 。图 3 双级变换并网型光伏系统框图2.3 多级式并网逆变器拓扑随着电力电子技术及微电子技术进一步发展 ， 工频升压变压器体积大 、 效率低 ， 价格昂贵的缺点可通过采用高频升压变换得到解决 。 高频升压变换能实现更高密度的逆变 ， 图 4 所示即为多级变换并网型光伏系统框图 。 升压变压器主要是由高频磁芯材料制成的 ， 其工作频率一般维持在 20kHz 以上 ， 它体积小重量轻 ， 电流在高频逆变后能够变成高频交流电 ， 然后经过高频整流器转化成高压直流电 ， 最后再由工频逆变器完成逆变 。图 5 所示为带高频变压器的多级光伏并网逆变器 ， 将逆变结构与带工频变压器的逆变结构进行对比 ， 我们能够发现前者功率密度高 ， 逆变空载损耗低 ， 从而效率也更高 ， 但这种类型的变换器也有其缺点 ， 这就是其电路结构更加复杂 ， 故障点多可靠性差 ， 维检修比较困难 。光伏逆变器由单级到多级的 ， 电能转换级数的增加 ， 能够方便满足最大功率点跟踪的要求 ， 也更符合直流电压的输入范围 。3 结束语伴随着全球经济的不断增长 ， 世界能源结构正在发生着翻天覆地的变化 ， 人类希望开发更加经济更加绿色的新能源来替代化石燃料 ， 而光伏发电技术的发明与应用正是为了解决这个问题 ， 继续对该项技术进行深入研究和探索是很有必要的 ， 具有很重要的意义 。 本篇文章主要从提高光伏发电系统效率的角度进行展开 ， 针对其主要部件 ——— 并网逆变器的相关研究以及发展情况进行了详细的论述 。 介绍了光伏并网发电系统工作原理 ， 详细分析比较了各种拓扑结构的优缺点 ， 对于根据不同需要选择具体的拓扑结构具有一定参考意义 。 同时 ， 纵观并网逆变器由单级到多级的发展也尚存一些问题有待我们继续研究 ， 比如在保证多级并网逆变器效率的同时提高其稳定性 ， 设计高集成度的模块化结构 ， 减少中间转换环节是今后逆变器结构的主要发展与研究方向 。参考文献[1]王辉 .户用光伏并网系统设计及孤岛检测技术研究 [D].华中科技大学 ， 2007.[2]张兴 ， 曹仁贤 ， 等 . 太阳能光伏并网发电及其逆变器控制 [M].北京 ： 机械工业出版社 ， 2010： 5-6 ， 17-28 ， 61-67 ．[3]赵为 .太阳能光伏并网发电系统的研究 [D].2004.[4]王长贵 ， 王斯成 ． 太阳能光伏发电实用技术 [M]． 北京 ： 化学工业出版社 ， 2009： 14-20 ．[5]张洪亮 .并网型单相光伏逆变器的研究 [D].2007.[6]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： 10-20 ．[7]Quan Li, Peter Wolfs. Recent Development in theTopologies for Photovoltaic Module Integrated Converters[J].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2006（ 6） ： 18-22.作者简介 ： 侯琦耀 （ 1992- ） ， 男 ， 黑龙江大庆人 ， 现就读于东北石油大学电气信息工程学院自动化专业 ， 研究方向 ： 自动控制原理及其应用 。图 4 多级变换并网型光伏系统框图图 5 带高频变压器的多级光伏并网逆变器146- -