光伏并网逆变发电的控制技术现状与发展

韦翠华

（广东科技学院，广东 东莞 523083）

一、光伏逆变技术的研究背景与意义

传统能源如煤炭、天然气等不但面临着资源枯竭，价格日渐上涨等带来的危机，能源使用对环境还造成了重度污染。在这样的情况下，国家高瞻远瞩大力鼓励发展多种新型能源的开发例如风能、太阳能、水能等。光伏发电作为太阳能发电产业发展的核心方向，已广泛应用于社会的方方面面。2020 年，全国光伏发电产业继续扩大而且装机总量达到 253GW，从2019 年的17%增长到了23.5%，同比增长了6.5%。根据国家规划预计，我国的光伏发电装机总量将继续保持高速增长。但是光伏发电技术还存在一些问题，如时间周期的问题，光伏发电局限在有太阳光照的情况下运行，所以白天黑夜、春夏秋冬等时间段对发电均有很大的影响；对地理位置也有要求，光伏发电厂适合建立在遮挡物较少的地方得或者依附建筑物；太阳能的转化效率不高，利用率技术不够成熟，依然有需要解决的技术问题。

太阳能光伏发电产业的飞快发展激发了光伏逆变产业的快速扩充，市场需求不断地扩大，因此光伏逆变的技术借此机遇不断进步、要求不断提高。发达国家的光伏逆变技术及产品已经进入成熟期，我国的光伏逆变技还处在研发和产业的高速发展期。由于光伏并网逆变发电所涉及的各方面技术交叉点多且要求高，发电系统的技术复杂，国内的技术和产品依然有很大的进步和改善的空间。

二、光伏并网发电技术的现状

（一）光伏并网发电系统的类型

太阳能光伏发电可以分为离网和并网两种基本方式，发电系统工作时可采取其中一种方式或两种方式的某个组合进行发电。并网发电是光伏电能广泛利用的主要方式，更是目前太阳能光伏发电技术发展的趋势。从输电角度来看，光伏并网发电系统可分为两大类。一是可调光伏并网发电系统，采用储能装置，在无光时可根据需要并网。另一种是不可调度光伏并网发电系统，由于没有储能环节，系统在无光时停止向电网供电。

可调光伏并网发电系统中的组件包括储能环节，系统先给电池充电，然后根据负载需要将系统作为并网发电或逆变器作为单个立式电站可手动设置系统工作时间和功率。储能装置作为光伏发电等间歇性发电系统的关键部件，主要用于平衡整个系统的能量。由于储能环节的增加，可调度并网系统带来了许多问题，如增加了对电池充电装置的需求降低了系统运行的可靠性和成本;电池寿命短，需要定期更换;报废的电池需要专门部门处理，否则会造成环境污染。但2017 年，针对光伏发电输出不稳定、弃光限电等缺点，国家提倡重点发展光存储技术，而在光伏发电系统中加入储能环节具有以下优点:（1）提高了光伏发电系统输出的连续性和稳定性。当光伏资源丰富时，利用储能系统存储多余的电能；当光伏电量不足时，储能系统将存储的电量释放，保证稳定输出。（2）在实际应用中，储能系统用于在受到环境干扰时调节峰值功率，提高电能的可靠性和质量。（3）在用电过程中可有效实现“削峰填谷”的目的，提高用电利用率。

不可调度式光伏并网发电系统具备集成度和可靠性高，安装调试方便等优点，目前光伏发电系统主要以不可调度式系统为主。不可调度式光伏并网发电系统主要分为以下四种结构：（1）工频变压器隔离方式。这种方式是目前大功率下最常用的结构，真实可靠电压转换和电气隔离，因此安全性能好，可靠性高。但是由于使用工频变压器，整个系统比较笨重，和相对效率低下。（2）高频变压器隔离方式。该方法采用一种带有高频变压器的DC-DC 变换器将光伏电池的输出直流电压进行转换，以满足并网要求电流电压与逆变后直接接入电网。这种系统体积小，重量轻，适用于低功率场合。（3）高频无变压器方式。该方法采用隔离高频DC-DC 升压电路，将太阳能电池阵列的直流电压提高到逆变器并网所需的直流电压，然后通过逆变器接入电网。它具有效率高、直流电压输入范围宽、易于实现最大功率点跟踪等优点。（4）无变压器的模式。该方法的难点在于控制方法和漏电电流探测，但体积、重量和效率更大。

根据供电方式，光伏并网发电系统可分为集中式并网系统(电站)和家庭分布式并网发电系统。前者投资成本高，对电网影响大，而后者则是因为拥有灵活的结构，设置可分散，传输损耗小，响应快这样的优势备受欢迎。家用光伏并网系统不占用单独的区域，适用于太阳能密度低的环境，其灵活性和经济效益优于大型集中式光伏并网系统，对国家有利家庭能源安全，因此受到各国的重视。

（二）光伏并网发电系统输入输出的控制方式

在光伏并网逆变器系统中，输入光伏电源可分为电流源和电压源。使用电流源时，向电网提供正弦电源所需的正弦电流是很难控制的。使用电压源模式，正弦周期电流可调节和控制，满足并网逆变器电流的要求。因此，光伏并网逆变可采用电压源输入的控制方式。

当光伏发电与逆变器并网时，输出和控制对象可以是逆变器电压或逆变器电流。使用电压控制时，由于两个电压源并联工作，如果输出波形不准确，会造成大的环流，会严重影响电网和逆变器系统的运行，发电和逆变器控制难度和要求较高。在使用电流输出时，跟踪电网电压的变化进行调节控制，反向调节可将变电流幅值和畸变限制在很小的程度，因此对电网运行的影响小，易于实现，安全性和可靠性高。因此，光伏并网逆变器可以采用电流源输出可调的控制方式。

（三）光伏并网逆变技术的性能要求

太阳能光伏发电的迅速发展，对光伏发电提出了新的要求，需要实现大规模的并网发电，与电网连接同步运行。对此对伏并网逆变技术与实现提出了一些要求。

1.逆变电流的正弦波输出。使用正弦波脉冲宽度调制方法受电网电压波形的影响，谐波分量的动态变化和功率传输的有效性对如何满足具体要求是值得分析的。逆变电流输出波形总谐波畸变系数的国内外标准要求为5%，每个谐波失真小于3%。负载范围是失真检测的一个重要因素，是满足逆变电流性能分析的主要指标之一。

2.逆变器输出电流与电网电压频率、相位同步。同步控制采用锁相环技术上，或由正弦波正负周期硬件检测电路产生的同步方波。但是目前在该方法技术方面的同步精度、响应速度和稳定性依然有待提高。

3.并网逆变器输入输出效率。目前太阳能光伏电池的转换效率低，因此要求在工作过程中输电传输过程损耗小，并网逆变器效率高。在逆变器同步和谐波控制下，逆变器的最大效率通常在90%到95%之间。变频器的效率与许多因素有关，其中逆变器负载范围的效率应该是性能分析的另一个主要度量。

4.并网逆变器闭环控制系统。逆变器输出电流的控制策略一直是光伏并网发电的研究方向之一。通用的控制方法有PI 控制、磁滞电流控制和空间矢量控制控制、无差拍控制、重复控制、比例共振控制等。这些方法都有各自的特点，但都是从实现结果还需要改进方法，并有一定的技术实现较高的逆指标操作困难。

5.岛效应检测。当电网突然切断时，并网逆变器等发电设备仍在运行，持续向电网供电的现象称为孤岛的效果。孤岛效应产生的不良效果有线路电压和频率不稳定，容易造成用户设备或配电设备损坏或触电的安全事故，甚至有可能危及电网线路维护人员的人身安全，干扰了电网的正常运行关闭过程。所以需要对电路进行孤岛效应的检测，它的检测方法有主动法和被动法。在主动法中，常用的有频率漂移法、电压漂移法、相位测试法等。在被动方法中，我们通常有电网电压幅值与频率、电网电压与并网逆变器电流相位差、并网逆变器电流幅值。

（四）光伏并网逆变的控制技术研究状况

光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制，逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM 控制策略。光伏并网逆变一般采用PWM 的电流控制方式，包括瞬时比较方式和三角波比较方式。逆变器控制应与电网保持跟踪同步，以保证逆变器输出电流是单位功率因数，使逆变器输出的并网电流与并网电压在相同的频率和相位，从而保证馈入并网的电能质量数量。

逆变器的数字化控制是开关源技术中的一个发展方向。数字PID 控制算法需要解决量化误差和采样延迟这两个重要问题，导致被控系统的时滞和系统稳定性的下降需要认真研究。因此，光伏并网逆变器需要采用稳定、可行、无静态误差的控制策略对变换器的输出电流进行控制，并网时考虑电压和电流的双环反馈控制，使逆变器输出高质量的正弦波，并且运行稳定，与电通信网络电压保持在相同的频率和相位。为了获取电网电压的频率和相位，可以利用 DSP 的数字锁相环技术，把电网电压的过零信号和逆变器输出电流的过零信号传送给 DSP 的捕获端口，如PI 计算两次测量的频率差，及时调整并网电流的频率，保持它与电网电压同步。