解析光伏并网逆变器的设计理念与控制方法

张 棋

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京210032）

光伏并网逆变器是光伏发电的关键设备，对其进行科学设计与控制使用不仅能够大幅度降低电力企业的生产成本，也能在很大程度上推广清洁能源的使用，为缓解目前比较严峻的环境保护形势做出贡献。

1 光伏并网逆变器设计理念以及研究现状

1．1 光伏并网逆变器的组成分析

光伏并网逆变器主要是将直流电转变为交流电并通过逆变器的升压将电力输送到电网运行系统中以满足经济活动对电力能源的需求。其主要的结构有以下三个部分：光伏阵列、逆变器以及电网。

（1）光伏阵列

光伏阵列（Photovoltaic Array）是由多片光伏模组构成的连结，也是更多光伏电池的连结，太阳能电池透过光伏效应可以将太阳光能转成直流电并储存在蓄电池当中，但一块光伏模组（光伏板）能够产生的电流通常电量较低，不够一般住宅使用，所以电力发电企业经常将数块光伏模组连结在一起而形成了阵列来收集丰富的太阳能［1］。

（2）逆变器

逆变器是整个光伏发电系统的核心部件，也是目前世界各国主要的研究对象。逆变器可以将收集到的直流电经过升压等操作转化为社会经济生产生活所需要的交流电，然后通过与电网连接的形式将电力输送给用户。传统的逆变器由于升压等操作使用的设备成本比较高昂，导致了太阳能转化的电力经济成本较高，没有得到有效的推广普及。随着科学技术的快速发展，目前对逆变器的研究已经取得了突破性的进展，其所设计的理念已经能够符合实际生产生活所需，光伏发电技术正被大力推广。

（3）电网

电网是将逆变器转化的交流电输送给用户的重要途径。目前我国的电网系统已经基本成型，在全国范围内能够保证电力资源的合理分配和使用，对我国经济的快速增长起到了重要的推动作用。电网对电力有着较高的要求，因此直流电必须经过逆变器的处理后方可连接网点，以保证不会对整个电力供应系统造成损害。

1．2 光伏并网逆变器的设计思想

光伏并网逆变器的设计必须满足电网对逆变器的需求，主要包括以下方面：

（1）电能质量

逆变器在向电网输出电能的过程中由于逆变器自身的开关频率造成的正弦波波动较大，会对电网的运行造成一定程度的污染和影响，导致电网不能正常安全的运转，逆变器输送的电能质量也得不到保证，既浪费了大量的电能，也对电力供应系统造成了一定程度的影响。因此在设计逆变器时要充分考虑正弦波的影响，向电网输送失真度较小的正弦波，满足电网的电能质量需求。

（2）防止孤岛效应的发生

孤岛效应（Islanding Effect）是指电网在正常运转过程中突然失压，然而并网光伏发电系统并没有相应的停止工作，仍保持对电网中邻近部分线路进行供电一种效应。孤岛效应的发生主要是由于逆变器在设计过程中出现了纰漏，导致与电网连接输送电力时没有充分考虑孤岛效应的存在，这对整个电网的安全运行以及输电设备都有影响。

（3）安全隔离接地技术

电网与逆变器的连接需要进行有效的隔离以保障整个光伏并网逆变器能够安全稳定的运行。世界上主要的发达国家光伏发电隔离技术已经形成了统一的标准，因此在设计中可以充分考虑国外的先进标准，保障设计的科学合理性，以满足电网的整体运行能够处在安全的环境中。

1．3 光伏并网逆变器的研究现状

（1）国外研究现状

目前在光伏发电技术上德国一枝独秀，欧洲其他国家也处在技术发展的先进行列，随着能源供给的日趋紧张，美国、日本等发达国家也相应的进行了相关方面的研究，取得了比较显著的成果。发展中国家在这方面起步较晚，但是由于接触到的研究成果相对比较先进，追赶的步伐较快，处于中等水平［2］。

（2）国内研究现状

我国在光伏并网发电以及逆变器设计与控制上起步较晚，导致了目前光伏发电产业还没有形成一定规模，企业的生产能力和电能质量还有待于进一步提高。随着我国经济的快速发展以及相关研究领域取得了突破性进展，我国自主设计的光伏并网逆变器已经能够满足实际所需，电能质量也得到了市场的检验，向社会输送电能越来越多。

2 光伏并网逆变器的控制策略分析

2．1 光伏阵列工作点追踪控制

光伏发电系统主要的能源获取方式为光伏阵列对太阳能的吸收以及存储转化工作。目前光伏阵列的控制方式主要为恒电压控制以及MPPT两种方法。

恒电压控制（CVT）是通过对阵列端电压的测控使电压稳定在一个合理的数值，通过对数值进行控制来保证系统功率点的稳定和科学，继而为光伏阵列提供合理的控制方法。其优点主要是操作较为简单，不需要复杂的技术控制，可操作性好，控制系统的稳定性相应较高，能够满足电力企业的发电需求。然而其缺点同样明显，因为是对光伏阵列的电压进行测控，当阵列所在地区的昼夜温差较大时，会导致阵列系统功率点与实际的电压数值出现较大程度的偏离，影响系统的正常使用。

MPPT是目前世界范围内普遍采用的阵列功率点的控制方法和策略，其主要采取实时调整光伏阵列的姿态来追踪阵列的最大工作点，从而实现了光伏发电系统的最大功率输出。由于可以实时调整阵列姿态，如此一来就保证了太阳能最大化的吸收和转化，并将转化的直流电存储在蓄电池中，对太阳能的转化效率较高，而且自动化的操作方式也能够在大范围地区使用。由于MPPT是一种自主追踪方式，动态性能上较好，虽然在系统稳定性上不如CVT，却可以在温差较大的环境中使用，相对来说能够满足目前的电力能源供给，实用性较好［3］。

2．2 光伏逆变系统对电网的追踪控制

对电网的追踪控制是整个逆变器系统的核心工作内容，也是保证电网电能质量与稳定性的基础。目前主要的追踪控制方式为脉冲宽度调制（PWM），是利用计算机微处理器的数字输出来对实际电路进行控制的一种非常有效的技术，在光伏发电系统中广泛运用。脉冲宽度调制方法是一种模拟控制方式，主要是根据相应载荷的数值变化调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现控制晶体管或MOS管导通时间的改变，从而促使开关稳压电源输出形式的改变。PWM控制技术以其控制方式简单、灵活以及动态响应能力突出的优点而成为光伏发电技术的首选控制方式，也是世界范围内获得了一致认可的方法，对电网的追踪以及电能的输送起到了至关重要的作用。

2．3 孤岛效应的防范与检测

孤岛效应一旦发生需要在最短时间内解决，以保证系统的稳定运行，目前主要的检测方式分为被动式与主动式两种。被动式方法主要是通过对电网电压、电流强度、相位以及频率等进行检测，来对系统运行做一个有效的检查，发现问题时能够及时处理。如果电网的负载与逆变器的输出相匹配，则被动式的检测方式无法发挥功效。主动式方法是定时对光伏并网逆变器发出干扰信号，以确定整个电路的平稳运行、各个系统正常工作的一种检测方式。但是主动式检测容易受到检测盲区的干扰导致检测工作出现纰漏，无法有效地检测系统异常情况。

3 结束语

综上所述，光伏并网逆变器的重要性不言而喻，其设计理念与控制方法对整个光伏发电系统具有重要的影响。因此，就需要对其投入较大精力和资金进行研究，推动光伏发电技术的推广使用，满足我国经济建设对电能的需求，向社会提供更多优质的电力服务。

［1］ 安志龙．光伏并网控制策略与低电压穿越技术研究［D］．保定：华北电力大学，2012．

［2］ 马兰珍．新型三相五电平光伏并网逆变器及其并网控制策略研究［D］．重庆：重庆大学，2013．

［3］ 张胜权．三相光伏并网逆变器控制策略研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013．