淺談光伏逆變器的優(yōu)化方法

宋彥　袁耀輝

摘要：太陽能發(fā)電技術日趨成熟，在能源危機的前提下，光伏發(fā)電也越來越得到各國重視。文章對傳統(tǒng)光伏逆變器進行分析，對其提出了可能實施的優(yōu)化方法，從而提升光伏系統(tǒng)的整體效率。通過對各個原理部件以及控制方式的研究來完善PV發(fā)電系統(tǒng)，希望對光伏逆變器以及光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進步能起到一定的推動作用。

關鍵詞：太陽能發(fā)電技術；光伏逆變器；光伏系統(tǒng)；光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)；綠色能源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM615 文章編號：1009-2374（2015）19-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.024

1 概述

為了追求迅猛的經(jīng)濟發(fā)展，環(huán)保問題往往被放于第二位，隨著溫室效應的日益加重以及霧霾天氣的日漸頻繁，世界各國開始關注環(huán)境問題，如何高效地利用能源，減少能源利用中產(chǎn)生的污染物，成了世界關注的焦點。能源問題一直是世界各國關注的焦點問題，由于常規(guī)能源的不可恢復性，人類終有一天需要面臨能源枯竭的難題，于是各種可再生能源應運而生。其中太陽能以其豐富的儲量和清潔性得到了廣泛的推廣，而利用太陽能發(fā)電便是其中之一。太陽能發(fā)電我們一般稱之為光伏發(fā)電（PV），它是利用太陽能電池將光能轉換為電能。隨著科學技術的不斷進步，PV發(fā)電有望成為最具發(fā)展前景的電能源供應技術。半導體是PV發(fā)電的主要原材料，它在太陽的照射下能產(chǎn)生電壓，通過合理的設計組合就可以達到將太陽的光能轉化為電能量，然而，轉化的效率并不高，大概在20%左右，這是光伏發(fā)電難以普及的原因之一，但是巨大的太陽能儲量多少彌補了太陽能發(fā)電的這一缺陷。

2 光伏系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的一般組成包括太陽能電池組件、直接交流轉換器、系統(tǒng)控制器、交流升壓裝置以及負載等，如圖1所示。太陽能電池組件一般是由多組太陽能電池板構成，它作為光伏電站的發(fā)電源泉相當于水電站的水庫一樣，由于太陽能的利用率較低，因此，太陽能電池組件數(shù)量多、占地面積廣。太陽能的利用先開始于太空領域，工作環(huán)境優(yōu)越，可以在光照下滿功率運行，但是在地球上需要考慮到天氣影響以及大氣層對光能的削減，使得太陽能電池無法滿功率運行，所以在地球上建設光伏系統(tǒng)需要結合地理位置、氣溫、光照日等因素，并且在通過DC/AC轉換后才能并入電網(wǎng)。

圖1 光伏系統(tǒng)構成圖

DC/AC轉換器也即光伏逆變器可以說是PV發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的核心，它是太陽能電站與交流電網(wǎng)的鏈接樞紐，可以將太陽能電池組收集到的直流電壓通過整流濾波電路轉換成交流電，再通過交流變壓器轉換成與交流電網(wǎng)同頻同相的交流電從而實現(xiàn)與電網(wǎng)的并入。因此DC/AC轉換效率越高，那么光伏發(fā)電效率也會相應提高，所以深入研究光伏逆變器，對其不斷進行優(yōu)化改善，對提高光伏發(fā)電效率、降低發(fā)電成本有著舉足輕重的作用。

3 光伏逆變器

3.1 光伏逆變器的構成

光伏逆變電路主要由傳感器、Boost升壓電路、逆變電路、隔離變壓器、周波換電路及輸出濾波器構成，通過軟件控制程序進行控制，使其能工作在要求之內。基于光伏逆變器的基本構成，本文嘗試從逆變器的組成部件展開，討論其可能的改善方法，來優(yōu)化光伏逆變器的轉換效率。

3.2 傳感器

現(xiàn)如今太陽能發(fā)電技術主要利用電壓電流傳感器來實時監(jiān)測太陽能電池的PV功率，再通過軟件程序控制來實現(xiàn)太陽能電池最大功率輸出化。但是由于光伏電源分布較多，使得傳感器用量較大，出錯率也易發(fā)生，成本也相對較大，因此為了優(yōu)化經(jīng)濟效益降低成本，可以考慮以減少傳感器數(shù)量為目的，針對三相整流器提出了一種無直流電壓傳感器控制方法，這樣可以大大節(jié)省傳感器的使用成本，使得光伏發(fā)電更有競爭力。但是如果直接省去傳感器，那么對于系統(tǒng)的算法設計，以及系統(tǒng)監(jiān)測方面帶來了比較多的問題，在短時間內可能無法做到較高的效率，需要通過長期的實驗比對才有可能投入實際運行，從長遠角度出發(fā)，省去傳感器所帶來的經(jīng)濟效益是巨大的，但是從短期來說，我們應從傳感器的制作以及測量精度方面入手來實現(xiàn)對太陽能電池功率最大化輸出，雖然不能直接提升經(jīng)濟效益，但是間接地提升了太陽能的利用率，使其經(jīng)濟效益間接的得到了提升，因此，我們應從傳感器的測量精度入手，提升逆變器的轉化效率。

3.3 升壓電路與逆變電路

太陽能電池發(fā)出的是波動的不穩(wěn)定直流電，需要先通過直流整流模塊轉化成穩(wěn)定的直流電壓，再通過升壓電路將直流電提升到合適的電壓，通過DC/AC轉換電路——逆變電路（我們將直流電變成交流電的過程稱作逆變轉化）轉換成我們需要的正弦交流電。這是升壓電路與逆變電路的主要作用，雖然這兩部分電路在體積上占有的比例不大，而且隨著科技的發(fā)展其體積會越來越小，但是它可以說是逆變器的核心。現(xiàn)如今我們主要運用的功率開關轉化元件主要是IGBT，出于對電路的優(yōu)化考慮，我們可以嘗試運用其他的一些功率開關元件比如mosfet等其他一些新開發(fā)的元器件，來設計一些新的升壓以及逆變電路，以提升其轉化效率，縮小其所占有的體積，從而不僅能夠提升逆變器的工作效率，同時也能降低土建等方面的經(jīng)濟成本，這是一個值得研究的優(yōu)化方向。

3.4 隔離變壓器

隔離變壓器，我們也可以說是升壓變壓器，在完成直接交流轉化后，我們得到了正弦穩(wěn)定的交流電，但是它的電壓較低，無法直接并入交流電網(wǎng)，需要通過變壓器來實現(xiàn)電壓的提升從而并入主電網(wǎng)。一般為了能直接并入電網(wǎng)，我們傳統(tǒng)上采用工頻變壓器，相對于高頻變壓器來說，工頻變壓器的成本與運輸難度都相對較高，特別是在現(xiàn)如今土地資源日益緊缺的情況下，工頻變壓器不太適用于如今的需求環(huán)境。但是僅僅采用高頻變壓器，并不是最好的優(yōu)化方式，因為變壓器的體積與占地不會有太大的變化，僅僅是相對的節(jié)約，因此我們可以大膽地考慮去掉變壓器這一環(huán)節(jié)，采用無隔離變壓器光伏逆變器設計方式。一旦得以實現(xiàn)，那么其經(jīng)濟效益是不可估量的。endprint

3.5 控制算法

光伏逆變器除了需要優(yōu)秀精密的硬件電路以外，我還需要優(yōu)秀的控制算法，這樣才能使其工作在最優(yōu)的狀體之下，最大限度地利用硬件資源，提升整個逆變器的轉化效率，從而使得整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率得以提升，最終產(chǎn)生優(yōu)厚的經(jīng)濟效益。逆變器控制算法是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部分，其主要包括最大功率跟蹤控制、逆變輸出控制、鎖相跟蹤和運行模式切換等。不同的采樣對象決定了不同的算法，比如實時控制電流響應與實時控制電壓響應就需要不同的算法，而不同的算法必然各有優(yōu)劣，如采用實時控制電流響應，那么就不需要進行斬波處理，但是濾波器的設計難度會大大增加。算法的運用也是千變萬化，但是，軟件算法，與硬件不同，硬件主要受限于當今的科學技術以及材料運用，而軟件是需要設計者的想象力，因此軟件的優(yōu)化需要設計者突破常規(guī)束縛，嘗試將各個算法進行取長補短，靈活應用，根據(jù)具體的硬件電路來設計響應的軟件后臺，這樣才能使硬件電路物盡其用，發(fā)揮出最大的

效率。

4 結語

由于目前光伏發(fā)電成本仍然較高，在推進光伏“綠電”時，除了依靠國家的補助政策外，降低光伏發(fā)電的成本是最主要的方法，因此對于光伏系統(tǒng)核心部件——光伏逆變器的優(yōu)化顯得尤為重要，當然為了提升整個光伏系統(tǒng)的效率，其他的光伏系統(tǒng)組件優(yōu)化也是非常必要的。隨著科技的發(fā)展，愈來愈多的新材料脫穎而出，因此在光伏逆變器的優(yōu)化方面應勇于突破傳統(tǒng)設計，采用新工藝新材料，從而達到光伏系統(tǒng)的高效率運轉，相信光伏發(fā)電有望成為未來主要電能來源之一。

參考文獻

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作者簡介：宋彥（1966-），女，甘肅蘭州人，珠海康泰明輸變電工程有限公司工程師，研究方向：配電設備及配電

工程。

（責任編輯：陳 倩）endprint