光伏逆变器功率输出特性研究

耿新辉

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

光伏逆变器功率输出特性研究

耿新辉

(国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

从光伏逆变器的物理结构和控制机理入手，研究分析了其有功功率和无功功率输出特性，研究表明：光伏逆变器作为光伏发电系统的核心部件，在进行电能交直流变换的同时，也具备一定无功功率调节能力，光伏发电系统的实际运行应充分利用这部分无功调节容量。

光伏逆变器；结构；功率输出特性

0 引言

太阳能是地球上最丰富的能源，其受地域限制较小，几乎可以在地球上任一个地区使用。我国的太阳能资源十分丰富，每年陆地接收的太阳辐射总量大约是1.9×1015kW·h，相当于2.4万亿t标准煤的能量，具备开发光伏发电的良好资源条件。在我国，有2/3的国土面积年日照小时数在2 200 h以上[1]。近年来，我国并网太阳能发电呈现跨越式发展，截至2012年底，我国并网光伏发电装机容量已近800万kW，在青海形成了百万千瓦级光伏发电基地。根据国家新能源发展规划，到2015年，我国并网光伏发电容量将达到3 500万kW。随着光伏发电站数量和规模的不断加大，光伏发电本身所特有的季节、昼夜的功率输出波动性对电网安全稳定运行带来了一定的影响，主要表现在光伏发电站并网后的系统继电保护、安全稳定控制、电能质量、电网调频与调压和经济运行等方面。因此，有必要深入研究光伏发电的功率输出与控制特性，提高光伏发电的可预测性与可控性。而作为光伏发电系统的核心部件——光伏逆变器，其控制机理和功率输出特性直接影响到整个光伏发电系统电能的输出特性。

1 光伏逆变器的典型物理结构

根据是否包含直流变换器，逆变器可以分为单级式和多级式[2]，如图1所示。单级式光伏并网逆变器直接与光伏方阵相连，中间有直流电容作为能量缓冲单元；双级式光伏逆变器是级联型结构，光伏方阵的输出电压经过一级直流Boost升压电路后再连接逆变器，直流变换器同时实现升压和最大功率追踪功能。根据是否包含隔离变压器，逆变器又可以分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器。

图1 光伏逆变器典型拓扑结构

2 光伏逆变器的功率输出特性

2.1 有功功率输出特性

逆变器的有功出力特性主要与气象环境、最大功率跟踪控制策略及电站级有功指令有关[3]。逆变器将光伏方阵的直流电能逆变成交流电能，考虑到开关损耗，因此其输出功率必然小于光伏方阵的输出功率。而光伏方阵的输出功率主要由辐照度、温度及直流电压决定。通过采用最大功率跟踪(MPPT)可以调整直流电压，使逆变器的输出功率最大化，但仍然小于当前气象环境下的光伏方阵所能产生的最大功率。根据系统频率和电网调度指令等，电站级控制器将对逆变器的有功功率进行限幅[4]。如图2所示。

图2 扰动观察法实现MPPT的过程

2.2 无功功率输出特性

不考虑光伏发电站的无功补偿装置作用，光伏发电的无功出力能力主要由光伏逆变器决定。在根据光伏逆变器的并网原理得到逆变器无功出力特性的基础上，光伏发电站的无功出力特性为站内所包含逆变器的无功出力能力叠加得到。在已知有功出力的情况下，无功出力主要受所设计的逆变器开关管容量的限制。其次，即使在逆变器容量足够大的情况下，还受传输线路、电网电压、电网调度指令等因素的限制。

参考图3，光伏发电系统注入交流系统的有功、无功可以表示为：

(1)

式中，Pgen、Qgen为逆变器输出的有功、无功功率；Ub、Uterm为逆变器桥臂电压和交流侧输出电压；xL为桥臂电抗；δ为电压相角差。

图3 单级式光伏发电单元

则：

(2)

上述变量计算时，单位均取标幺值。

而Pgen在0～Pmax之间变化，光伏发电系统的实际工作区域如图4中阴影区域所示。

图4 光伏发电系统的有功、无功极限图

所能发出的无功上下限为：

(3)

在实际的逆变器中，由于xL较小，因此图4中圆的半径r很大，而实践中受光伏逆变器容量Sgen(即视在功率)的限制，因此实际的无功功率极限范围小于图中的阴影部分。

3 结语

研究表明：光伏逆变器作为光伏发电系统的核心部件，在进行电能转换的同时，也可以提供一部分无功调节容量。在实际运行时，应充分考虑和利用这部分无功调节能力，并提高有功功率的可控性，最终实现光伏发电友好接入电网。

[1]尹忠东，朱永强.可再生能源发电技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010

[2]赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2008

[3]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版社，2009

[4]苏建徽，余世杰，赵为，等.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001(4)

2014-07-11

耿新辉(1963—)，男，江苏南京人，高级工程师，主要从事配电自动化、微电网和新能源接入研究工作。