光伏并網逆變發電的控制技術現狀與發展

韋翠華

（廣東科技學院，廣東 東莞 523083）

一、光伏逆變技術的研究背景與意義

傳統能源如煤炭、天然氣等不但面臨著資源枯竭，價格日漸上漲等帶來的危機，能源使用對環境還造成了重度污染。在這樣的情況下，國家高瞻遠矚大力鼓勵發展多種新型能源的開發例如風能、太陽能、水能等。光伏發電作為太陽能發電產業發展的核心方向，已廣泛應用于社會的方方面面。2020 年，全國光伏發電產業繼續擴大而且裝機總量達到 253GW，從2019 年的17%增長到了23.5%，同比增長了6.5%。根據國家規劃預計，我國的光伏發電裝機總量將繼續保持高速增長。但是光伏發電技術還存在一些問題，如時間周期的問題，光伏發電局限在有太陽光照的情況下運行，所以白天黑夜、春夏秋冬等時間段對發電均有很大的影響；對地理位置也有要求，光伏發電廠適合建立在遮擋物較少的地方得或者依附建筑物；太陽能的轉化效率不高，利用率技術不夠成熟，依然有需要解決的技術問題。

太陽能光伏發電產業的飛快發展激發了光伏逆變產業的快速擴充，市場需求不斷地擴大，因此光伏逆變的技術借此機遇不斷進步、要求不斷提高。發達國家的光伏逆變技術及產品已經進入成熟期，我國的光伏逆變技還處在研發和產業的高速發展期。由于光伏并網逆變發電所涉及的各方面技術交叉點多且要求高，發電系統的技術復雜，國內的技術和產品依然有很大的進步和改善的空間。

二、光伏并網發電技術的現狀

（一）光伏并網發電系統的類型

太陽能光伏發電可以分為離網和并網兩種基本方式，發電系統工作時可采取其中一種方式或兩種方式的某個組合進行發電。并網發電是光伏電能廣泛利用的主要方式，更是目前太陽能光伏發電技術發展的趨勢。從輸電角度來看，光伏并網發電系統可分為兩大類。一是可調光伏并網發電系統，采用儲能裝置，在無光時可根據需要并網。另一種是不可調度光伏并網發電系統，由于沒有儲能環節，系統在無光時停止向電網供電。

可調光伏并網發電系統中的組件包括儲能環節，系統先給電池充電，然后根據負載需要將系統作為并網發電或逆變器作為單個立式電站可手動設置系統工作時間和功率。儲能裝置作為光伏發電等間歇性發電系統的關鍵部件，主要用于平衡整個系統的能量。由于儲能環節的增加，可調度并網系統帶來了許多問題，如增加了對電池充電裝置的需求降低了系統運行的可靠性和成本;電池壽命短，需要定期更換;報廢的電池需要專門部門處理，否則會造成環境污染。但2017 年，針對光伏發電輸出不穩定、棄光限電等缺點，國家提倡重點發展光存儲技術，而在光伏發電系統中加入儲能環節具有以下優點:（1）提高了光伏發電系統輸出的連續性和穩定性。當光伏資源豐富時，利用儲能系統存儲多余的電能；當光伏電量不足時，儲能系統將存儲的電量釋放，保證穩定輸出。（2）在實際應用中，儲能系統用于在受到環境干擾時調節峰值功率，提高電能的可靠性和質量。（3）在用電過程中可有效實現“削峰填谷”的目的，提高用電利用率。

不可調度式光伏并網發電系統具備集成度和可靠性高，安裝調試方便等優點，目前光伏發電系統主要以不可調度式系統為主。不可調度式光伏并網發電系統主要分為以下四種結構：（1）工頻變壓器隔離方式。這種方式是目前大功率下最常用的結構，真實可靠電壓轉換和電氣隔離，因此安全性能好，可靠性高。但是由于使用工頻變壓器，整個系統比較笨重，和相對效率低下。（2）高頻變壓器隔離方式。該方法采用一種帶有高頻變壓器的DC-DC 變換器將光伏電池的輸出直流電壓進行轉換，以滿足并網要求電流電壓與逆變后直接接入電網。這種系統體積小，重量輕，適用于低功率場合。（3）高頻無變壓器方式。該方法采用隔離高頻DC-DC 升壓電路，將太陽能電池陣列的直流電壓提高到逆變器并網所需的直流電壓，然后通過逆變器接入電網。它具有效率高、直流電壓輸入范圍寬、易于實現最大功率點跟蹤等優點。（4）無變壓器的模式。該方法的難點在于控制方法和漏電電流探測，但體積、重量和效率更大。

根據供電方式，光伏并網發電系統可分為集中式并網系統(電站)和家庭分布式并網發電系統。前者投資成本高，對電網影響大，而后者則是因為擁有靈活的結構，設置可分散，傳輸損耗小，響應快這樣的優勢備受歡迎。家用光伏并網系統不占用單獨的區域，適用于太陽能密度低的環境，其靈活性和經濟效益優于大型集中式光伏并網系統，對國家有利家庭能源安全，因此受到各國的重視。

（二）光伏并網發電系統輸入輸出的控制方式

在光伏并網逆變器系統中，輸入光伏電源可分為電流源和電壓源。使用電流源時，向電網提供正弦電源所需的正弦電流是很難控制的。使用電壓源模式，正弦周期電流可調節和控制，滿足并網逆變器電流的要求。因此，光伏并網逆變可采用電壓源輸入的控制方式。

當光伏發電與逆變器并網時，輸出和控制對象可以是逆變器電壓或逆變器電流。使用電壓控制時，由于兩個電壓源并聯工作，如果輸出波形不準確，會造成大的環流，會嚴重影響電網和逆變器系統的運行，發電和逆變器控制難度和要求較高。在使用電流輸出時，跟蹤電網電壓的變化進行調節控制，反向調節可將變電流幅值和畸變限制在很小的程度，因此對電網運行的影響小，易于實現，安全性和可靠性高。因此，光伏并網逆變器可以采用電流源輸出可調的控制方式。

（三）光伏并網逆變技術的性能要求

太陽能光伏發電的迅速發展，對光伏發電提出了新的要求，需要實現大規模的并網發電，與電網連接同步運行。對此對伏并網逆變技術與實現提出了一些要求。

1.逆變電流的正弦波輸出。使用正弦波脈沖寬度調制方法受電網電壓波形的影響，諧波分量的動態變化和功率傳輸的有效性對如何滿足具體要求是值得分析的。逆變電流輸出波形總諧波畸變系數的國內外標準要求為5%，每個諧波失真小于3%。負載范圍是失真檢測的一個重要因素，是滿足逆變電流性能分析的主要指標之一。

2.逆變器輸出電流與電網電壓頻率、相位同步。同步控制采用鎖相環技術上，或由正弦波正負周期硬件檢測電路產生的同步方波。但是目前在該方法技術方面的同步精度、響應速度和穩定性依然有待提高。

3.并網逆變器輸入輸出效率。目前太陽能光伏電池的轉換效率低，因此要求在工作過程中輸電傳輸過程損耗小，并網逆變器效率高。在逆變器同步和諧波控制下，逆變器的最大效率通常在90%到95%之間。變頻器的效率與許多因素有關，其中逆變器負載范圍的效率應該是性能分析的另一個主要度量。

4.并網逆變器閉環控制系統。逆變器輸出電流的控制策略一直是光伏并網發電的研究方向之一。通用的控制方法有PI 控制、磁滯電流控制和空間矢量控制控制、無差拍控制、重復控制、比例共振控制等。這些方法都有各自的特點，但都是從實現結果還需要改進方法，并有一定的技術實現較高的逆指標操作困難。

5.島效應檢測。當電網突然切斷時，并網逆變器等發電設備仍在運行，持續向電網供電的現象稱為孤島的效果。孤島效應產生的不良效果有線路電壓和頻率不穩定，容易造成用戶設備或配電設備損壞或觸電的安全事故，甚至有可能危及電網線路維護人員的人身安全，干擾了電網的正常運行關閉過程。所以需要對電路進行孤島效應的檢測，它的檢測方法有主動法和被動法。在主動法中，常用的有頻率漂移法、電壓漂移法、相位測試法等。在被動方法中，我們通常有電網電壓幅值與頻率、電網電壓與并網逆變器電流相位差、并網逆變器電流幅值。

（四）光伏并網逆變的控制技術研究狀況

光伏并網發電系統中的逆變器需要對電流和功率進行控制，逆變器輸出電流主要采用各種優化的PWM 控制策略。光伏并網逆變一般采用PWM 的電流控制方式，包括瞬時比較方式和三角波比較方式。逆變器控制應與電網保持跟蹤同步，以保證逆變器輸出電流是單位功率因數，使逆變器輸出的并網電流與并網電壓在相同的頻率和相位，從而保證饋入并網的電能質量數量。

逆變器的數字化控制是開關源技術中的一個發展方向。數字PID 控制算法需要解決量化誤差和采樣延遲這兩個重要問題，導致被控系統的時滯和系統穩定性的下降需要認真研究。因此，光伏并網逆變器需要采用穩定、可行、無靜態誤差的控制策略對變換器的輸出電流進行控制，并網時考慮電壓和電流的雙環反饋控制，使逆變器輸出高質量的正弦波，并且運行穩定，與電通信網絡電壓保持在相同的頻率和相位。為了獲取電網電壓的頻率和相位，可以利用 DSP 的數字鎖相環技術，把電網電壓的過零信號和逆變器輸出電流的過零信號傳送給 DSP 的捕獲端口，如PI 計算兩次測量的頻率差，及時調整并網電流的頻率，保持它與電網電壓同步。