基于户用型太阳能光伏发电并网设备研究

张鹏

（无锡新世纪太阳能电力有限公司，江苏 无锡 214108）

引言

随着太阳能光伏技术的开发和应用，采用SPWM 技术的并网控制逆变器装置在分布式光伏并网发电系统领域获得了广泛应用。与传统整流器相比，这种逆变器装置的主电路采用可关断的全控器件，可以实现电能的双向传输。这种逆变器装置不仅具有受控的AC/DC 整流功能，而且还具有DC/AC的逆变功能。通过数字控制技术在并网逆变器交流侧可实现单位功率因数运行和正弦化电流波形，在分布式光伏并网发电系统中采用PWM 并网逆变器可以在向电网馈送能量的同时，减少装置对电网的污染，实现高质量的并网发电。

1 光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统主要由太阳能电池板(即光伏阵列)，并网逆变器，滤波电抗器和DSP控制电路构成。整个系统的结构如图1所示。

图1 太阳能光伏发电并网系统组成

由图1 可见光伏并网发电系统利用太阳能电池板将太阳能转化为直流电能，再利用并网逆变器的受控电流源特性，控制逆变器运行在发电状态，将直流电转化为交流电馈送电网。整个系统能量的变换和传递过程，是利用IPM 模块构成的并网逆变器电路来实现的，而并网逆变器的控制则是通过DSP 生成驱动主电路的PWM 信号来完成。

针对光伏发电并网设备的研究内容，包括：

①系统总体方案设计

●整个控制系统采用不可调度式，无需蓄电池等储能装置，免除了由于存在蓄电池而带来的运行和维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。

●整个系统分为控制和逆变两部分。

●研究重点包括PWM 控制器、驱动电路、DC/DC 变换器、MPPT 技术及逆变器部分。

②系统控制技术的研究开发

●并网控制方法与策略研究，包括：最大功率点控制、波形跟踪和控制方法。

●通过比较多种PWM 控制方式，确定适合该系统的控制策略。

●并网系统保护装置的研究。

●能量管理策略的研究。

③系统逆变技术的研究开发

●逆变器并网方式研究开发。

●DC/DC 变换器控制系统研究开发。

●逆变效率分析、"孤岛"检测保护、主功率元件的选择等研究。

④系统整机技术的研究开发

●整机稳定性及效率分析、电流传感器和电压传感器研究。

●系统工作参数计算机仿真，通过仿真技术应用，寻找最佳工作参数。

2 并网设备关键技术研究

①基于BOOST 升压电路的光伏阵列MPPT 跟踪技术和单级式正弦逆变与最大功率点跟踪统一结构的主电路拓扑技术，使得MPPT控制、逆变控制、相位同步等控制目标在一个变换环节中的得到实现，保证输出电流呈连续状态，达到简化系统组成，提高系统运行可靠性的目的。

②运用太阳能最大功率点跟踪技术，实现最大功率输出，充分利用太阳能的能量，使装置效率≥96%。

通过对太阳能阵列的功率输出采样，将其与前一时刻的功率相比较，舍小取大，根据比较的结果，控制阵列电压、电流的增大或减小，而后再比较，如此不停的周而复始自主寻优，确定系统工作点。

③建立先进的并网逆变控制方法Deadbeat 无差拍PWM 技术、瞬时无功控制理论，在一个控制周期内，实现电网无功和谐波的无差拍补偿，达到高水平柔性输配电装置的控制效果。

能量管理和控制策略采用双闭环控制：

A、电流环：提取参考电流，计算补偿电流、无功电流。

B、功率环：实现最大功率跟踪，控制功率流向。

PWM 方式比较：

-滞回比较PWM，电流变化小时会使电流相对误差过大，电流变化大时，可能使器件的开关频率过高。

-定步长PWM，电流跟随最大相对误差不确定。

-三角波比较PWM，输出含有载波频率段的谐波。

-优化PWM，运算量大，不适于变化环境的计算。

-无差拍PWM。单周期，开关频率固定，动态响应快。

在电网电源和负载之间并联了GCPV，负载消耗的有功功率并不需要由电网完全提供，因此电网输出的电流明显小于通过负载的电流，有效值约为2.26A。

在matlab 环境下，对基于瞬时无功理论的谐波和无功电流的检测进行了仿真，仿真使用的负载为整流桥并联阻容负载，在负载的进线端串联了三个电抗器，目前市场上大量的整流负载都安装了输入滤波电抗器，同时这三个电抗器也提供无功功率的消耗，其信号流程处理的方法完全按照瞬时无功的检测方法。采用瞬时无功的基波电流提取算法，使GCPV 能够实时补偿电网电流中的谐波和无功成分。

根据三相电压源型PWM 并网逆变器的数学模型，可知并网逆变器通过控制三相电压源型逆变器桥臂输出电压来控制输出电流，在控制输出电流得同时，为提高光伏并网逆变系统发电量，充分利用在同等光照条件的光伏阵列所能提供的最大功率，在相应的光伏并网逆变器装置控制系统中引入了最大功率点跟踪(MPPT)技术。

④采用包含孤岛效应等在内的光伏并网保护控制策略，极大地改善了光伏并网系统的可靠性。

⑤采用基于正反馈有功干扰的孤岛检测方法，避免对公共电网的电力污染。保护响应快、可靠性高。

综上所述，采用以上关键技术研究形成的5kW 太阳能发电并网设备，从输出波形图可以看出，三相系统具有较好的正弦输出电流波形，且三相电流保持平衡。

3 结束语

本文比较完善的阐述了基于DSP的光伏并网设备的组成及其关键技术。设计的并网设备能够有效实现光伏阵列并网发电功能。在并网逆变器装置设计过程中，利用高速的数字信号处理器和智能功率模块硬件集成度高、保护功能强大、性能可靠等特点简化了并网设备的硬件设计和成本，同时提高了设备运行的可靠性。

展望光伏逆变控制技术的发展，必将伴随电力电子技术、控制技术、计算机技术、新型功率器件及应用、模块电源技术的发展，其核心目标就是要求逆变控制系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低。由此光伏并网系统未来的技术发展与创新就是：新型电路拓扑结构的设计、智能控制技术的应用，神经网络技术的结合、高频开关技术、软开关技术、智能监测与保护技术、模块化技术的应用与改进、电磁兼容性更好等。

[1]李俊峰，王仲颖主编，《中华人民共和国可再生能源法解读》[M]，化学工业出版社，2005

[2]沈辉，曾祖勤主编，《太阳能光伏发电技术》[M]，化学工业出版社，2005

[3]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强主编，《太阳能光伏发电及其应用》[M]，科学出版社，2005