新型光伏并網系統

摘 要：新型光伏發電系統包含逆變整流模塊、蓄電池充放電模塊、直流負載逆變模塊、交流負載逆變模塊、光伏優化模塊和直流母線，其中，光伏優化模塊的作用是找到光伏板的最大功率并把電能輸送到直流母線上去；直流負載控制模塊和逆變模塊的作用是把直流母線上的能量轉換成負載需要的電能并把電能消耗掉；逆變整流模塊和蓄電池模塊的作用是根據直流母線上的電壓通過下垂控制使得母線電壓維持穩定。在此方法中，模塊與模塊之間不需要通訊，每個模塊只需要檢測母線電壓便可達到輸入輸出功率平衡。逆變整流模塊，優化模塊和蓄電池充放電模塊均可以通過檢測母線電壓來控制本模塊的運行方式，進而達到功率匹配的目的。

關鍵詞：光伏，并網，靈活，就近消納，受控并網

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

光伏電力并網系統是普遍應用的一種方式，使用方式簡單加上政府扶植和經濟上的補貼，促進了一大批項目應用；從技術角度看，這種應用方式對電網來說還需要相當多的技術措施和手段來配合，這是由于其發電直接提供給電網，經過高壓送電及二次變電后用戶才能用電，其電力交換及輸送增加了電力設施的投入和電力耗損；從效果上看也不是一個高效方式，只是在一定規模下的一種簡便的應用方式[1]。

而另一種光伏電力普遍應用的方式是離網發電供電系統。發電直接提供給負載，供電效率相對較高，但是，由于光伏電力的不穩定及間歇性，對要求穩定供電的負載，則需要通過蓄電池蓄電后供給負載，雖然與光伏并網系統相比，電力傳輸的耗損減少了，降低了電網輸電、變電的設施投入，但增加了蓄電池及相應設施的投資，而且目前蓄電池成本高壽命短，使得用電成本成倍增加，不具備普遍意義上的光伏電力市場化[2]。

為解決現有技術與應用產品的上述缺陷，使光伏電力與電網（即：市電網和微電的電力）能夠合理和科學的融合互補，此新型光伏并網系統應運而生。與現有光伏電站（電廠）并網發電的應用方式相比，光伏電力更多的情況下更適于發電單元與負載相結合，即發即用，就近消納，受控并網；這也是全球業界公認的光伏電力的最佳應用方式。

一、實施方法

本系統采用下垂控制，使各模塊間可以協調運行。各模塊根據直流母線上的電壓調整狀態，使得直流母線上的電壓維持在一個相對穩定的范圍之內，使得輸入輸出功率平衡。各模塊之間不存在直接的依賴關系，可以根據需要自由組合。在無電地區，可以把太陽能直接轉換成需要的電能，如有必要，可在任意時候增加蓄電池模塊，用來穩定電能輸出，日后如有了電網，只需要增加逆變整流模塊便可把電能回饋到電網上去，或把電網電能提供給負載。此發明極大提高了光伏系統使用的靈活性，解決了現有技術與產品上的缺陷，滿足了即發即用，就近消納，受控并網的最佳工作方式。

此系統中，各模塊通過采集直流母線電壓來確定工作模式，使得直流母線電壓工作在穩定的范圍之內，各模塊通過設置門限電壓來確定工作模式的切換時機。其中光伏優化模塊最為清潔能源，需要最大限度的把其產生的電能是用掉，這也是此發明的一個基本出發點。

圖1

圖1給出了新型光伏并網系統框圖。如圖所示，本系統包括：逆變整流模塊100，蓄電池充放電模式200，直流負載控制模塊300，逆變模塊400，直流母線500和光伏優化模塊600。其中，逆變整流模塊100的作用是當直流母線上的電壓大于一定值時，逆變整流模塊100工作在逆變狀態，把直流母線上的能量傳送到商用電網上去；當直流母線上的電壓小于一定值時，逆變整流模塊工作在整流狀態，把商用上的電能傳送到直流母線上以供負載使用。蓄電池充放電模塊200的作用是當太陽能電量大于負載消耗的電量時，如果蓄電池沒有充滿電量，則太陽能剩余電量通過蓄電池充放電模塊對蓄電池進行充電，當蓄電池充滿電量時，充放電模塊200自動斷開與直流母線100的連接。當太陽能電量小于負載消耗的電能時，如蓄電池內部有電能，蓄電池充放電模塊工作在放電裝填，把蓄電池能量回饋到直流母線上，給直流母線以支持。直流負載控制模塊300與逆變模塊400的作用是把直流母線上的電能轉換成負載需要的電能，并給負載提供電能支持。直流母線500的作用是把各模塊連接起來，提供各模塊電能相互轉換的通道[3]。光伏優化模塊600的作用是使光伏板工作在最大功率點，最大限度的產出電能，正常情況下，光伏優化模塊工作在最大功率輸出模式，當輸出電壓高于一定值后，光伏優化模塊認為其輸出電能過高，在此狀態下，光伏優化模式600工作在限功率模式，或恒壓模式，即輸出電壓恒定，輸出電流隨負載功率變化而變化；當輸出電流高于一定值后，光伏優化模塊認為其輸出電流過大而處于保護狀態，在此狀態下，光伏優化模塊工作在恒流模式[4]。所以，各模均通過檢測直流母線上的電壓而協調工作，使得輸入輸出功率匹配，達到最大限度的利用太陽能效率，實現即發即用，就近消納，受控并網的目的。

逆變整流模塊100包括功率控制模塊，直流電壓采集模塊，和控制器。除此之外，逆變整流模塊還應包括電網電壓采集模塊，輸入輸出保護等。其中，功率控制模式的結構根據功率的不同而有所不同。當為單相并網時，一般采用全橋拓撲結構，并帶有濾波電路和隔離變壓器，起到濾波、隔離變壓的作用；當為三項并網時，一般采用三相橋的拓撲結構，并帶有濾波電路和隔離變壓器，起到濾波、隔離變壓的作用。直流電壓采集模塊的作用是把采集直流母線上的電壓，并經過比例放大器，濾波，AD轉換等環節把直流母線電壓信息傳給控制器里的模式切換代碼，以供其使用。模式切換代碼的作用是根據直流母線電壓確定模式切換的時機。即模式切換代碼存在兩個門限值Vinvh和Vinvl，當直流母線電壓大于Vinvh時，逆變整流模塊進入逆變模式，當直流母線電壓小于Vinvl時，逆變整流模塊100進入整流模式。

蓄電池充放電模塊200包括功率控制模塊201，直流電壓采集模塊202和控制器203。除此之外，蓄電池充放電模塊200還應包括蓄電池電壓采集模塊，輸入輸出保護等。其中功率控制模塊根據蓄電池電壓和容量的不同而有所不同，典型應用是BUCK電路或BOOST電路，當電流較大時，可采用同步整流電路和準諧振電路來減小損耗，提高效率。直流電壓采集模塊的作用是把采集直流母線上的電壓，并經過比例放大器，濾波，AD轉換等環節把直流母線電壓信息傳給控制器里的模式切換代碼，以供其使用。模式切換代碼可根據蓄電池的狀態和直流母線上的電壓值來選擇相應的工作模式。圖5為模式切換代碼204的流程圖。

功率優化模塊包括其中包括功率控制模塊，控制器和輸出電壓電流采集模塊。除此之外，優化模塊600還應包括輸入電壓采集模塊，輸入輸出保護等。其中功率控制模塊根據光伏板的輸出電壓不同而有所區別，典型拓撲結構為升降壓電路拓撲。輸出電壓電流采樣模式的作用是把輸出電壓電流信息送給控制器，以供模式切換代碼使用。模式切換代碼的作用是根據輸出電壓電流信息確定功率優化模塊600工作最大功率輸出模式，恒壓模式或恒流流模式。

二、結束語

新型光伏發電系統可以達到發電單元與負載相結合，即發即用，就近消納，受控并網的目的，在此系統中，各模塊通過采集直流母線電壓來確定工作模式，使得直流母線電壓工作在穩定的范圍之內，各模塊通過設置門限電壓來確定工作模式的切換時機。其中光伏優化模塊最為清潔能源，需要最大限度的把其產生的電能是用掉，極大提高了光伏能源的利用率。

參考文獻：

[1]Martina Calais，Vassilios G.Agelidis，Lawrence J.Borle and Michael S.Dymond，A Transformerless Five Level Cascaded Inverter Based Single Phase Photovoltaic System，2000.

[2]謝自美.電子線路設計，實驗，測試（第二版）[M].華中科技大學出版社，2000.

[3]正家龍，王小海，章安元.集成電子技術基礎教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]馮垛生.太陽能發電原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[作者簡介]韓玉爭，男，河北三河人，工程師，研究方向：電力電子。