光伏發電系統并網逆變器設計與控制研究

索博鵬+陸文俊

摘 要：本研究分析了并網逆變器的工作原理和電網、光伏陣列及用戶對并網逆變器的要求。要使并網逆變器輸出的電能符合電網的要求，必須做好對逆變器的控制，這主要通過對光伏陣列最大功率點的控制和檢測電網控制來實現，并做好孤島效益的檢測和控制。本研究為并網逆變器的設計和控制措施提供了指導依據。

關鍵詞：光伏發電系統；并網逆變器；控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.180

1 引言

近年來，隨著我國的光伏發電系統建設的持續快速發展，光伏發電能力的逐步增強，有效的促進了光伏發電技術的進步。為進一步緩解我國能源結構不合理、能源需求緊張的矛盾，發展分布式光伏發電成為我國能源發展的重要發展方向。但是，由于光伏發電系統所需投資大、成本高，并且光電轉換效率不高，將制約光伏發電技術的發展。因此，迫切需要研發造價低、性能優異的光伏材料、組件，同時，需要進一步提高光伏發電系統光電轉換效率。我國光伏發電系統所產生的電通常為直流電[1]，但由于負載端所需電壓各異，無法確保對發電系統中負載的兼容，也很難滿足交流負載的民用需要。另外，要實現光伏系統所產電能可被接入電網，要求將直流電能轉換成交流電能。因此，必須加強交流光伏發電系統的開發建設。

2 并網逆變器的工作機理和分類

并網逆變器的主要作用是將電池組件輸出的直流電轉換成交流電，同時，在轉換過程中，對交流電進行控制，使其符合并網電壓的需要。逆變器的控制機理和電路拓撲有關。逆變器是交流光伏發電系統的主要組成部分，也是關鍵部位。并網逆變器作為光伏系統的關鍵元器件，其主要工作職能是實現光伏發電系統能量的轉換。其運轉能力的強弱直接關系整個并網系統能否安全可靠運轉，并且影響整個光伏系統的使用年限的長短。逆變器轉換效率的高低與其本身能量損失有關，同時還會對整個光伏發電系統的發電量和相關組件的配置產生重大影響。因此，逆變器將與光伏并網發電系統的經濟效益相關，同時，還關系著系統能否穩定運行。做好逆變器的型號和控制方式的選擇，關系著并網發電系統的運行效率和運行成本控制。

3 光伏并網發電系統對并網逆變器的選擇要求

并網逆變器是光伏發電系統的重要構件之一。作為連接光伏陣列和電網的關鍵部位，并網逆變器的主要作用是轉換產自光伏陣列的電能。逆變器輸出與電網一致的正弦波電流后注入電網。其頻率和相位與電網相同，同時還可跟蹤光伏發電系統的最大輸出功率點。

3.1 電網的要求

光伏并網發電系統經逆變器轉換后輸出的正弦波電流要符合電網的要求。也就是說，并網逆變器輸出的正弦波其失真度要足夠小。并網逆變器的開關頻率會影響正弦波的波形失真度，通過提高逆變器的開關頻率性能、選擇好逆變器的朱功率元件，可有效減小正弦波的失真度，符合電網要求。同時，并網逆變器還需具有防孤島效益的保護作用，在電網因故障、誤操作等原因中斷供電時，可及時有效的檢測出電網的斷電狀態，并迅速切離。可采用變壓器來實現與電網的有效隔離。同時，要嚴格國際規定做好并網逆變器的接地。

3.2 光伏陣列的要求

光伏陣列的光電轉換效率易受輻照強度和溫度的影響而發生變化，因此要求通過并網逆變器調節控制電池組件的輸出電壓。該輸出電壓要接近電池組件最大功率點時的輸出電壓，從而確保電池組件的輸出電量達到最高效率[2]。

3.3 用戶的要求

當前我國光伏發電成本高企、光電轉換效率低。要提高光伏發電系統的效率，必須提升逆變器的效率。同時，由于當前光伏發電系統主要建設在偏遠地區，為了便于遠程管理和檢修，可通過逆變器穩妥的電路結構和靈活的控制方式來實現。逆變器要具備多種防護性能，如當遇到交流輸出短路、過熱過載時可以啟動防護性能。由于發電系統的端電壓隨輻照強度和負載的不同而變化，在實際應用中，由于多組電池組件串聯，其直流電壓也較高，并且各組件的功率和電壓各不相同，并且不同的串并聯組合，這就要求逆變器直流輸入電壓工作范圍要比較寬，同時，能夠控制輸出穩定的交流輸出電壓，符合并網電網的要求。由于并網發電，所以光伏并網發電系統無需蓄電池，節約了成本，減少了損耗，有效提高了效率。逆變器轉換效率的大小直接關系著電池組件的容量，也決定著整個光伏發電系統的發電能力。同時，要提高并網逆變器的使用壽命和運行可靠性。光伏組件的使用年限需達到20-30年，在此期間，如果并網逆變器發生故障，整個光伏發電系統停止運轉，將會帶來一定的經濟損失。

4 并網逆變器的控制策略

并網逆變器輸出與電網頻率、相位相同的正弦波和電流，這是實現光伏發電系統順利接入電網的基本要求，同時，輸出電能的質量也必須滿足電網要求。要做好滿足這些條件，必須實現對并網逆變器進行控制。首先要做到對光伏陣列工作點的有效控制。可采用恒電壓或MPPT兩種方式。其中，MPPT主要采用跟蹤光伏陣列最大工作點的方式。其次，要實現對電網的有效跟蹤控制。由于對并網逆變器的控制來實現對防孤島效益的有效保護。在電網失電時，逆變器對電壓、頻率和相位等參數進行檢測。當判斷出電網的斷電狀態，必須迅速切除并網逆變器，確保電網安全。因此必須做好對孤島效益的檢測和控制。

5 結論

發展光伏發電技術，對于緩解我國能源結構不合理，需求緊張的矛盾有非常重要的意義，同時還可實現對環境的保護。提升并網逆變器的轉換效率以減少光伏發電系統的損耗。同時，為實現光伏系統輸出電能滿足接入電網的要求，要求并網逆變器輸出的交流電的波幅和相位等與電網相符合。同時，要做好對并網逆變器的有效控制。可通過對光伏陣列工作點的控制和跟蹤電網控制來實現，并做好孤島效益的檢測和控制。

參考文獻：

[1]陳維，沈輝，鄧幼俊，舒杰.光伏發電系統中逆變器技術應用及展望[J].電子電力技術，2006，40（04）：130-133.

[2]王久和，慕小斌，張百樂，張震.光伏并網逆變器最大功率傳輸控制研究[J].電工技術學報，2014（06）：49-56.

作者簡介：索博鵬（1987-），男，陜西渭南人，本科，助工，主要從事新能源光伏發電。