光伏并網(wǎng)發(fā)電／獨立供電系統(tǒng)的工作原理探究

摘 要：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與光伏獨立供電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)技術(shù)中的重要應(yīng)用領(lǐng)域，適于不同的應(yīng)用場合，兩者的有效結(jié)合即是將并網(wǎng)發(fā)電功能與獨立逆變供電功能集于一體，可以進一步拓展其應(yīng)用范圍并簡化結(jié)構(gòu)和減少投資。分析光伏并網(wǎng)發(fā)電/獨立供電系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)太陽電池的最大功率點跟蹤技術(shù)，采用電網(wǎng)SPWM整流充電方式實現(xiàn)對蓄電池進行合理的充電控制。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)發(fā)電；獨立供電；工作模式；控制策略；最大功率點

中圖分類號：TK89，TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)10-013-04

Probe into the Principle of Work of Grid-connected Electricity Generation and 

the Independent Power Supply System

JI Shengyong

(Anhui Vocational college of Electronics Infortiomation Technology，Bengbu，233030，China)

Abstract：The system of photovoltaic grid and photovoltaic power generation and the independent photovoltaic power system is an important technology in the application field，which is suitable for different applications.The effective integration of the two functions can further expand its scope of application and simplify the structure and reduce investment.This paper analyzes the principle of work of the grid-connected electricity generation and the independent power supply system，and uses grid SPWM rectifier rechargeable battery means to achieve reasonable charge control，according to the solar maximum power point tracking technology.

Keywords：photovoltaic system;grid-connected electricity generating;independent power supply;mode;control strategy;maximum power point

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

光伏并網(wǎng)發(fā)電/獨立供電系統(tǒng)是一種將有源逆變與無源逆變結(jié)合于一體的逆變裝置，除了需要2種不同的控制策略外，還需要兩套不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是發(fā)現(xiàn)這2種逆變主電路的不同之處在于濾波環(huán)節(jié)不同，實際上可以通過對濾波參數(shù)進行整合折中，選用相同的濾波參數(shù)以滿足需要，這樣就能省去一套濾波裝置，從而可以一機兩用。本文采用了單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)兩用功能。三相與單相實現(xiàn)原理一樣，只是控制上要復(fù)雜些。

系統(tǒng)主電路根據(jù)實際設(shè)計有以下幾種結(jié)構(gòu)：

圖1是一種比較簡單實用的結(jié)構(gòu)，他的主要構(gòu)成有：光伏陣列、蓄電池組、雙向全橋變換器、并網(wǎng)逆變和獨立逆變共用的濾波電感L、工頻變壓器、直流平波電容、軟起動電阻、以及若干接觸器。他的具體工作原理是：光伏陣列和蓄電池的直流電能可以由雙向全橋變換器變換成交流電能，提供給負(fù)載或電網(wǎng)；電網(wǎng)的交流電能也可以由雙向全橋變換器變換成直流電能，給蓄電池充電。圖2 與圖1基本相同，只是多了一個太陽能充電器環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)的增加，使得蓄電池既可以由太陽電池充電，又可以由電網(wǎng)整流充電。但是顯然增加了系統(tǒng)的成本。圖1通過一個二極管來代替接觸器KM1，因為大容量的直流接觸器價格比較昂貴，盡量少的使用接觸器，可以降低成本，于是得到圖3，由于系統(tǒng)在SPWM整流充電時需對直流電壓控制，若太陽電池電壓過高二極管導(dǎo)通，不利于直流電壓控制。

2 系統(tǒng)的工作模式

從系統(tǒng)要求出發(fā)，要具備以下幾種工作模式是：

2.1 并網(wǎng)逆變模式

這種工作模式的前提是天氣晴好，且電網(wǎng)電壓正常和蓄電池不需要充電。負(fù)載是交流電網(wǎng)和交流負(fù)載。

2.2 獨立供電模式

這種工作模式的前提是電網(wǎng)電壓故障。負(fù)載是交流負(fù)載。

2.3 整流充電模式

這種工作模式的前提是電網(wǎng)電壓正常且蓄電池欠壓。負(fù)載是交流負(fù)載和蓄電池。

2.4 太陽電池給蓄電池充電模式

這種工作模式的前提是電網(wǎng)故障，不能由電網(wǎng)進行整流充電，且天氣晴好，這時逆變器工作在獨立逆變狀態(tài)，蓄電池處于邊充邊放狀態(tài)，但這時一定要注意檢測蓄電池的電壓，不能過充，否則會損傷蓄電池。由于考慮成本因素沒有加充電器環(huán)節(jié)，以及處于獨立逆變工作狀態(tài)蓄電池不能完全充滿，只能根據(jù)蓄電池的電壓和充電電流大小近似認(rèn)為是否充滿電，這只是一種附加充電方式。

2.5 電網(wǎng)給負(fù)載供電模式

天氣轉(zhuǎn)陰(或夜間)且蓄電池電已充滿，則由電網(wǎng)給負(fù)載供電，逆變器不工作。

知道系統(tǒng)這5種工作模式后，如何進行各種模式之間的切換是需要認(rèn)真解決的一個問題，由于考慮到成本問題，沒有選用圖1，2那種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就使得太陽能給蓄電池充電模式不夠理想，控制的可靠性方面不夠完美，但如果采用高頻逆變器作為并網(wǎng)和獨立逆變的逆變器，從一方面考慮還是具有一定的可行性，因為高頻逆變器中有一個DC/DC升壓環(huán)節(jié)，正好可以利用這個升壓環(huán)節(jié)作為太陽能給蓄電池充電的充電器，使的系統(tǒng)的充電控制策略更加完善，同時由于采用高頻逆變器，可以省去笨重的工頻變壓器。但是在高頻獨立逆變時直流側(cè)需要更多的蓄電池，同樣也會增加成本。下面將在本文采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，介紹5種模式之間的7種切換過程。

(1) 并網(wǎng)逆變和獨立逆變之間的切換

系統(tǒng)開機后首先檢測電網(wǎng)電壓、蓄電池電壓和太陽電池電壓，如果電網(wǎng)電壓正常，且太陽電池電壓正常，蓄電池電壓也是滿的，這時就可以進行并網(wǎng)發(fā)電，逆變器輸出電壓供給電網(wǎng)和交流負(fù)載，此時如果電網(wǎng)發(fā)生故障，則系統(tǒng)在檢測到電網(wǎng)故障后會立即轉(zhuǎn)入獨立逆變狀態(tài)，繼續(xù)給負(fù)載供電，起到不間斷電源的作用。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后又繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。

(2) 并網(wǎng)發(fā)電和整流充電之間的切換

當(dāng)電網(wǎng)正常時，在進行并網(wǎng)發(fā)電時若發(fā)現(xiàn)蓄電池電量不滿，則可以通過手動開關(guān)發(fā)一個I/O信號給控制器，控制器發(fā)相應(yīng)的命令實現(xiàn)整流充電，此時系統(tǒng)停止并網(wǎng)，當(dāng)蓄電池充滿電后，檢測并網(wǎng)條件符合后則自動再轉(zhuǎn)到并網(wǎng)發(fā)電模式。

(3) 并網(wǎng)逆變模式和太陽能充電模式之間的切換

當(dāng)電網(wǎng)正常時，在進行并網(wǎng)發(fā)電時若發(fā)現(xiàn)蓄電池電量不滿，則可以通過手動開關(guān)發(fā)一個I/O信號給控制器，控制器發(fā)相應(yīng)的命令實現(xiàn)太陽能給蓄電池充電。當(dāng)檢測到蓄電池電壓基本滿時則檢測是否符合并網(wǎng)條件，若符合條件，則繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電。

(4) 獨立供電模式和整流充電模式之間的切換

當(dāng)系統(tǒng)工作在整流充電時，若電網(wǎng)發(fā)生故障，則系統(tǒng)檢測到故障后立即轉(zhuǎn)到獨立供電模式。當(dāng)系統(tǒng)工作在獨立逆變狀態(tài)時，電網(wǎng)恢復(fù)且蓄電池電量不足，這時系統(tǒng)又轉(zhuǎn)到整流充電模式。

(5) 獨立供電模式和太陽能給蓄電池充電模式之間的切換

當(dāng)系統(tǒng)工作在獨立供電模式時，若天氣晴好則邊給蓄電池充電邊獨立逆變;當(dāng)天氣轉(zhuǎn)陰時或天黑時則由蓄電池提供能量進行獨立供電。

(6) 獨立供電和電網(wǎng)給負(fù)載供電模式之間的切換

當(dāng)電網(wǎng)給負(fù)載供電時，突然電網(wǎng)發(fā)生故障，則系統(tǒng)會立即轉(zhuǎn)入獨立供電狀態(tài);當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時會繼續(xù)轉(zhuǎn)到由電網(wǎng)供電狀態(tài)。

(7) 整流充電模式和太陽能充電模式之間的切換

當(dāng)系統(tǒng)正在進行整流充電時，電網(wǎng)突然發(fā)生故障，則系統(tǒng)必須工作在獨立供電模式，此時系統(tǒng)處于邊充電邊逆變狀態(tài)，也即是太陽能充電模式，當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后，可以根據(jù)需要再轉(zhuǎn)到整流充電模式。

在知道詳細(xì)的切換過程后，還需要知道在各種工作模式下的控制方法，在并網(wǎng)模式時，需要控制與電網(wǎng)電壓同步的并網(wǎng)電流，而且要保證太陽電池始終以最大功率輸出；獨立供電模式下，需要控制逆變器的交流輸出電壓；整流時需要控制交流輸入電流，并且保證電流與電網(wǎng)電壓反相，才能得到蓄電池的恒壓、恒流控制。

3 蓄電池的充電管理

在獨立供電模式下，鉛酸蓄電池組工作在存儲能量和釋放能量狀態(tài)。

天氣晴好且電網(wǎng)故障時，系統(tǒng)工作在獨立逆變狀態(tài)，可以根據(jù)負(fù)載大小和太陽電池陣列容量給蓄電池充電；當(dāng)天氣轉(zhuǎn)陰(或天黑)且電網(wǎng)故障時蓄電池能量可以經(jīng)過逆變給負(fù)載供電，蓄電池組的在這種工作環(huán)境下工作，會存在以下缺點：

(1) 電源來自于光伏陣列接收到的太陽輻射能量，容量有限，并且受到時間、環(huán)境溫度和太陽輻射強度等因素的影響，具有間斷性的特點；

(2) 蓄電池組的充放電次數(shù)頻繁，經(jīng)常工作于充放電狀態(tài)；

(3) 太陽輻射強度較高時，容易造成蓄電池組過充；太陽輻射強度較低時，又容易造成蓄電池組欠充。

這些缺點的存在可能使得昂貴的蓄電池組壽命減少，由于以上原因，為了保證系統(tǒng)正常供電和蓄電池的長期使用，必須采用合理優(yōu)化的控制方法來減小這些因素對蓄電池的影響。在對蓄電池充放電時，應(yīng)盡可能地按照蓄電池所提供的充放電特性曲線進行，充電時一般采用三段式充電方式，先恒流充電，然后恒壓充電，再涓流充電；當(dāng)蓄電池工作于放電狀態(tài)時，須設(shè)置蓄電池的放電電壓下限值，保證蓄電池的放電深度，不能過放。所以，在蓄電池工作時須檢測蓄電池的充電電流和端電壓，這樣才能實現(xiàn)對蓄電池的三段式充電管理以及放電管理。同時，由于溫度也會影響蓄電池的特性曲線，溫度不同，其歐姆內(nèi)阻和過充電壓閾值也不同，因此，為了實現(xiàn)對蓄電池的有效管理，有時還須對蓄電池過充電壓閾值進行溫度補償。 

在了解了蓄電池的充放電要求后還需要根據(jù)太陽電池的特性來設(shè)計充電器，在設(shè)計充電器之前需要了解太陽電池的最大功率跟蹤技術(shù)。

3.1 最大功率點跟蹤技術(shù)

由于太陽電池本身的特性和成本比較昂貴，希望太陽電池陣列在同樣日照、溫度的條件下輸出盡可能多的電能，以達(dá)到資源的最優(yōu)利用，尤其是在大功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤技術(shù)更顯得重要。日照強度和電池結(jié)溫是影響太陽電池陣列功率輸出的2個重要參數(shù)，太陽電池結(jié)溫和環(huán)境溫度的關(guān)系依賴于日照強度，從太陽電池陣列的I-V特性(見圖4)和不同日照量下的I-V和P-V特性曲線(見圖5)可以看出在日照度不變的條件下，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，太陽電池的開路電壓將減小，短路電流將有微小的增大。在環(huán)境溫度不變的條件下，當(dāng)日照度高時，太陽電池的短路電流Isc將增大，開路電壓Uoc將有微小的增大。考慮到日照度高時一般都具有較高環(huán)境溫度，日照度低時一般都具有較低環(huán)境溫度這一特點，太陽電池1天內(nèi)最大功率點的軌跡接近于太陽電池某一恒電壓處的功率軌跡。

(1) 短路電流(Isc)： 在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流；

(2) 開路電壓(Voc)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓；

(3) 最大功率點電流(Im)：在給定日照強度和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電流；

(4) 最大功率點電壓(Vm)：在給定日照強度和溫度下相應(yīng)于最大功率點的電壓；

(5) 最大功率點功率(Pm)：在給定日照強度和溫度下陣列可能輸出的最大功率，Pm=Im#8226;Vm。

因為太陽電池1天內(nèi)最大功率點的軌跡接近于太陽電池某一恒電壓處的功率軌跡。所以可以采用定電壓控制方法實現(xiàn)最大功率點跟蹤問題。

3.2 系統(tǒng)的充電控制策略

在了解太陽電池的最大功率點跟蹤技術(shù)后，就可以設(shè)計適合鉛酸蓄電池的充電器。由于這部分內(nèi)容在有關(guān)文獻(xiàn)中介紹比較多，在這里不再敘述。

蓄電池的充電主要有2種方式：一種是太陽電池陣列給蓄電池充電，另一種是利用雙向變換器對電網(wǎng)電壓通過SPWM整流對蓄電池充電。前一種充電方式由于需要光伏充電器，增加了系統(tǒng)的成本，但不加光伏充電器，會頻繁的對蓄電池進行不完善充放電，且不能進行最大功率點跟蹤，因此采用電網(wǎng)SPWM整流充電方式作為主要的充電方式；而太陽能給蓄電池充電模式只作為一種輔助的充電方式，一般不使用這種方式給蓄電池充電，只有在獨立逆變時為防止太陽電池能量不足或過剩，作為一種提供能量和存貯能量的裝置才可以設(shè)置采用這種充放電模式，而且這種模式下需要保證蓄電池電壓不能過壓，如果在前面加一級DC/DC充電器，這樣可以對蓄電池進行合理的充電控制。符合蓄電池的使用要求，但成本高。

在采用太陽電池給蓄電池充電工作模式時，只能通過判斷蓄電池電壓來認(rèn)為蓄電池是否充滿，因為沒有蓄電池正常的三段式充電過程，所以很難將蓄電池充滿。本文充電系統(tǒng)主要是通過SPWM整流進行充電，這種充電方式可以很好的滿足充電要求。下面介紹SPWM整流充電控制策略。

蓄電池的充電系統(tǒng)需要控制直流電流、直流電壓、交流網(wǎng)側(cè)電流3個量，因此，該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)包含有 3閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

U*x為蓄電池充電電壓指令值；Ux為蓄電池實際反饋電壓；ASR為蓄電池電壓調(diào)節(jié)器，電壓誤差調(diào)節(jié)輸出為I*x；I*x為充電電流指令值；Ix為實際充電直流電流；ACR1為蓄電池直流電流調(diào)節(jié)器，ACR1的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流的幅值給定，其正負(fù)決定了是并網(wǎng)還是充電，即其逆變器并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓是同相還是反相；TB為同步電壓變換器；I*M與同步變換器輸出U*net的乘積為I*B，I*B再作為網(wǎng)側(cè)交流電流的給定；ACR2為網(wǎng)側(cè)電流調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流I*B的跟蹤控制；ACR1的輸出I*M的正負(fù)變化可以反映系統(tǒng)處于充電狀態(tài)還是并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，也即指令電流I*B與電網(wǎng)的對應(yīng)相位是相同還是相差180°。因為是3閉環(huán)控制，要得到穩(wěn)定的充電電壓和電流就必須合理的設(shè)置3個調(diào)節(jié)器的參數(shù)，同時也要保證一定的快速性。

具體工作原理是：當(dāng)蓄電池電壓小于給定直流電壓時，相當(dāng)于蓄電池欠壓；此時直流電壓調(diào)節(jié)輸出值增大，也就是直流電流給定值增大，于是直流電流調(diào)節(jié)器輸出增大，也就是網(wǎng)測電流給定值增大，于是網(wǎng)測電流調(diào)節(jié)器值增大，變換器導(dǎo)通角增大，電網(wǎng)輸入功率增大，反映到直流電壓升高，直流電流也增大；當(dāng)蓄電池電壓高于直流給定電壓時，直流電壓調(diào)節(jié)器輸出減小，也就是直流電流給定值減小，于是直流電流調(diào)節(jié)器輸出也減小，網(wǎng)測電流給定值也減小，變換器導(dǎo)通角減小，網(wǎng)測輸入功率減小，反映到直流電壓也減小，直流充電電流減小。

由于這部分基本由軟件實現(xiàn)，這里不再敘述。

4 結(jié) 語

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國的廣泛推廣和應(yīng)用，相關(guān)電力變換系統(tǒng)及技術(shù)也會不斷進步和發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變和獨立逆變供電系統(tǒng)雖然其各有特點并分屬不同應(yīng)用場合，但兩者結(jié)合一體的應(yīng)用會更加受到用戶歡迎。逆變器的模塊化和多功能化是今后逆變技術(shù)的發(fā)展方向，不僅是并網(wǎng)發(fā)電和獨立后備供電的兩者控制的結(jié)合，而且還會有多機并聯(lián)供電、多機并網(wǎng)群控等功能的集成。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄭詩程.光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究\\[D\\].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

［2］蘇建徽.光伏水泵系統(tǒng)及其控制的研究\\[D\\].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

［3］趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究\\[D\\].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2003.

［4］汪海寧，蘇建徽，丁明.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率跟蹤控制\\[J\\].電工技術(shù)，2005(9):4-6.

［5］劉鳳君.Delta逆變技術(shù)及其在交流電源中的應(yīng)用\\[M\\].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［6］張鵬，王興君，王松林.光線自動跟蹤在太陽能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用\\[J\\].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(14):189-191，194.

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作者簡介

紀(jì)圣勇 男，1968年出生，碩士，中國高等學(xué)校電子教育學(xué)會會員。研究方向為電氣工程。