太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法

太阳能光伏并网控制逆变器工作原理及控制方法石勇，许强西安爱科电r有限责任公司，710019摘要:太阳能光伏发电是21世纪最为热门的能源技术领域之-，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注，本文介绍了太阳能光伏并网控制逆变器的匚作过程,分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理,太阳能光伏逆变器的并网原理及主要控制痛，1引言随苔「、文切的不断发展，我们对于能源的症求越来越家传统的化石能源口经不上能满足克求，为了避免白对能源枯竭的木境，」找优质的替代能源成为人们关注的热点问题顼再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等能源形式不断映入人们的眼帘水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的水能开辟程度较高，继续开辟存在一定的艰难.风能的利用近年来也是热点问题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等力发,大规模并网对电网会形成一定T-L、-j—r-IJM-.1ir-n/、I.AL.TT，flTO口「EJUL,-X-ZsA

4.h--=*♦!-nrAAX*1T-zxzxJL.水能开辟程度较高，继续开辟存在一定的艰难口风能的利用近年来也是热点问题，但风力发巾存在稳定性不房、噪*大等缺点，大规模并网对电网会形成一走冲击，如何有效控制风能的开辟和利川仍是学术界关注的热点，在剩下的可再生能源形式泪I中，太阳能发电技术是最有利也价值的能源形式之太』能储量丰富，每秒钟太阳要向地球输送相［T210亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量，我国的太阳能资源也十分丰富，除了贵州高原部份地区外，中国大部份地域都是太阳能资源丰富地区，目前的太阳能利用率还不到1/

1000.因此在我国大力开辟太阳能潜力I或者太阳能的利用分为“光热”和“光伏〃两种，其中光热式热水器在我国应用广泛光伏是将光能转化为电能的发电形式，起源r1多年前的〃光生伏打现象七太阳能的利用目前更多的是指光伏发电技术光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题随着光伏组件成本的F降，光伏发〃的成本不断下降，道汁至I」2022企安装成本W降至

1.5美加畋,电价成本为6美分/kWh,光伏并网已经成为可能.并网型光伏系统逐步成为主流制器军标肖疆俺矍勰髓蕉觥麹辘馥艇，淄晒驱w遮峭黑触舞青叫题如孤.岛效应的保护，-并及对勺上位机通讯传递能材传输/土图I所示为井网型光伏系统的结构并网型光伏系统包括两大主要部份；其次阳3太就国空磕懒翻塞件.将太阳传送到地球上的光能转化成直流电能;成套设备，负为将电池板输出仃流电能转为电网M接受的交流能思根据功率的不同太阳能逆变器的输山形式可为单相或者〔相；可闵9诉小佑皿1*/牛市、油粕U/r钾相由攸楂刑甘山后县*生中、流原估可B蹄蠢娥T群棋项翳电池艘度相关ID为帝电流没有太1』1光照射的情况下,硅型太阳能电池板的基本外特性类似于普通的二极管暗电流是指光伏电池在没有光照条件卜，.在外电由的作川FPN结流过的单一向电流.V为开路电压,Rs为出联电阻一般小于1欧姆,R为旁路电阻为儿十千欧0SH监光伏电池的理想模型诃巾下式表示寸图I并网型光伏发电系统太阳能控制逆变器及并网成套设备，主要包括控制器、逆变器以及监控保护单元组成控制器L要实现太阳能电池板的最大功率跟踪,逆变器主要负责将控顷s」）_〃氓1其中，机为电池板热电势图2光伏电池的等效电路图Rs图3表述在特定光照条件下电池板的伏安特性，阴影部份是屯池板在相应条件下所能够输出的最大功率.太阳能电池板在高输出屯庶X域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率c在电池板的温度保持不变的情况卜，这个极大功率值会随希光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的1一作在输出功率极大的条件u卜，这个极大功率俏会随卷光照强度的变化巧变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的工作在输fI口力率极大的条件u▲茹流I1i|v AJ

3.2太田能控制器电路拓扑图4为太阳能控制器的电路拓扑结构，从原理上说是以及升压斩波器，通过调整开关器件S的占空比，调节电池板的等效负载阻抗，实现对电池板的f九大功率跟踪-21能0图4控制电路结构

3.3最大功率跟广、…由池板最大功率跟踪技术有两种技术路线.广3艮强W脩术，控制电池组件端口电压近似摹拟最大功率跟踪,这种方法原理简单但是跟踪精度不够;其二是MT「P技术，实时检测光伏阵列输巾功率，通过调整阻抗的方式满足最大纨耙踪目前,太归能逆变器厂家广泛采川的MPPT技术，日前,常闩的MTTP方法有两种，A干扰观测法PO、干扰观测法每隔-定时间增加或者减少电压,通过观测功率变化方向，来决定卜一步的控制信•饥如果输出功率增加，那末继续按照上步电压变化方同改变电压，如果检测到输山功率减小,则改变电压变化的方向,这样光伏阵列的实际工作点统能逐渐接近「UT最大_L力率点oil［果采JU DC/DC变换器实现MPPT控制，在具体实施时应通过对占空比施加扰动来调节光伏阵列输出电压或者屯流，从而达到跟踪最大功率点的目的如果采川较大的步长对上空比进行“干扰七这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近振荡幅度比较大，造成定的功率损失，采用较小的步长则正好相反，B电导增量法INC*光伏电池在最大功率点Pm处dP/dU=0,在Pm两端dP/dU均不为0,矗L2而%项/⑶则有_L土二，+也二04UdUUdU要使输出功率最大，必须满足”式,使阵列的电导变化率等于负的屯导值首先假设光伏阵列工作在-个给定的工作点,然后采样光伏阵列的电压和电流，计算Av=v n-v nT和Ai=i nT nT,其中n表示当前采样值，nT为前一次的采样值如果Av=0,则利用Ai的符号判断最大功率点的位置；如果△〃,则依据Ai/Av+T/V的符号判断这种跟踪法最大的优点是当光伏电池的光照强度发生变化时输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电压波动较扰动观测法小缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特殊是对检测元件的精度要求比较高，于是整个系统的硬件成本会比较*4太阳能逆变器及其工作原理太阳能逆变器的电路拓扑如图5所示，5-a）是单相并网逆变器电路拓扑，5-b）是三相并网逆变器屯路拓扑从电路拓扑结构上看属于电压型控制逆变电路从控制方式上属于电流控制型电路b图5逆变器电路拓扑结构4J电路的基本工作原理以图6的单和光伏逆变电路分析图7「口相光伏逆变器运行向M图按照4弦波和载波比较方■式对S S进行控制，交流WAB处产生SPWM波SB,AB中含有基波分量和高次谐波，在墨的滤波作用下高次谐波可以忽略，当财的频率与M网，致时，也是和电网一致的正弦波”在电源电压定的条件下，A的幅值和相位仅有的基波的幅值和相图6单相光伏逆变器电路位决定，这样电路可以实现整流、逆变以及无」力补偿等彳字;h图7所小是电路的运行币新图，其中7句是整流运行，7-b）是逆变运行，7-c）是无功补偿运行，7-d是L超前角迅行“单相光伏逆变器工作在7-b状态

4.2电路的基本控制方法光伏逆变器对「功率因数右较亶要求，为了准确实现廿卫率因数逆变，〃要对输出电流进行控制，通常的电流控制力式有两种其一是间接电流控制，也称为相位幅值控制，按照图7的向量关系控制输出电流，控制原理简单，但精度较全普通不采用；其二是直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈，这种控制方法控制精度显准确率好，系统鲁棒性好，得到广泛应皿5监控保护单元简介监控保护单元的主要作用伯■＞光伏井网系统作为接入电力系统的装ih*要设定合传的保护措施保护发电设备的安全以及电网的安全；令孤岛效应会产K不少不良影质，光伏系统作为分布式发电系统的典型代表，如何准确测定孤岛效应也是监控保护单元的重要作用；O太阳能光伏电站特别是大规模的光伏电站往往建设在荒漠和无人区，智能电量管理和系统状况检测上报也是光伏发电系统需要重点考虑的因素5J井网保护装置并网保护装置主要实现以下保护功能低电压保护、过电压保护、低频率保护、国频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容通常大型光伏电站需要设置冗余保护装置,保证系统故障时及时处理

5.2孤岛检测技术孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时,井网装置仍然保持对失压电网中的某一部份路线继续供电的状态L【电网的某一区域处『光伏发电的孤岛状态时，电网将不不控制这个电力孤岛的电床和频率孤岛效应会对光伏发电系统•与电网的重连接创造艰难，同口寸可能引起电气元件以及人身安全危常因此孤岛效应必须避免目前常川的孤岛效应检测方法主要有两种，分别是被动检测方法和主动式检测方法A被动式孤岛检测孤岛的发生和电网脱离时的负载特性及与电网之间的有功和无功交换有很大的关系电网脱离后有功的波动会弓I起光伏系统端口电压的变化，无功的波动会引起光伏系统输出频率的变化电网脱离后，如果有功或者无功的波动比较明显，通过监测并网系统的端口电压或者输出频率就可以检测到孤岛的发生，这就是被动式孤岛检测力法的原理然而在电网脱离后，如果有功和无功的波动都很小，此时被动式检测方法就存在检测盲区，B主动式孤岛检测:主动式孤岛检测方法中用的比较多的是主动频移法ATD,其基本原理是在并网系统输出中加入频率扰动，在打网的情况卜，其频率扰系统以被大电网校正何来，然而在孤岛发生时，该频率扰动W以使系统变得不稳定，从而检测到孤岛的发生这种方法也存在“检测盲区气在负载品质因数比较高时，若电压幅值或者频率变化范闱小于某一值，系统无法检测到孤岛状态此外，频率扰动会引起输出屯流波形的畸变，同时分析发现，当需要进行电能质量管理时，频率的扰动会对谐波补偿效果造成较严束的影响.智能电^管理及系统状况监控系统大型光伏电站也丁地处偏远地区，往往为无人值守电站为了准确计量电站的电能输出及系统运行状况需要设立智能电景管理及系统状况监控系统.系统往往基于计算机数据处理平台以及苴联网技术将分散的发电系统信息采集到集中控制中心进行数据分析处理工作，这部份的工作原理及系统结构在本文中不在详述6结语本文上要介绍了光伏并网系统的结构,分析了其顷组成部件的系统框图、功能，给出了最大功率跟踪的基本原理，分析了光伏逆变器的主要电路拓扑结构及控制方式太即能光伏发电技术作为仃可能彻底改变人们生活的朝问技术，拥有夸姣的未来，让我们共同期待光伏技术在明天为人类作山更大的贡献。