光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理

1、第1章光伏弁網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理1.1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)就是將太陽能光伏系統(tǒng)與電力網(wǎng)相連接的系統(tǒng)。并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件和技術(shù)關(guān)鍵。 除了將光伏陣列發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為 交流電，與普通逆變器不同的是，并網(wǎng)逆變器還需對轉(zhuǎn)換的交流電的頻率、 電壓、 電流、相位、有功與無功、電能品質(zhì)(電壓波動、高次諧波)等進行控制，使轉(zhuǎn) 換后的交流電的電壓、頻率與電網(wǎng)交流電的電壓、頻率一致。一般來說，并網(wǎng)逆變器具有如下功能：(1)自動開關(guān)。根據(jù)日出到日落的日照條件，盡量發(fā)揮光伏陣列輸出功率 的潛力，在此范圍內(nèi)實現(xiàn)自動開始和停止。(2)最大功率跟蹤()控制。在不同的外界溫度和太陽光照強度條件下， 使

2、光伏陣列盡量保持最大功率輸出的工作狀態(tài)。(3)并網(wǎng)時抑制高次諧波電流流入電網(wǎng)，減少對電網(wǎng)的影響。(4)防止孤島運行。系統(tǒng)所在地發(fā)生停電，但由于光伏發(fā)電繼續(xù)供電，逆 變器的輸出電壓并未變動。此時，就不能正常檢測出是否停電，一旦再恢復(fù)來電， 就有可能造成事故，這種情況稱為孤島運行。為保護設(shè)備維修人員不受到傷害， 并網(wǎng)逆變器需要具備此功能。(5)自動電壓調(diào)整。由于大量的太陽能光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)相聯(lián)，晴天時太陽 能光伏系統(tǒng)的剩余電能會同時送往電網(wǎng)，使電網(wǎng)的電壓上升，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降。 為保持電網(wǎng)的電壓正常，運轉(zhuǎn)過程中要能夠自動防止并網(wǎng)逆變器輸出電壓上升。但對于小容量的太陽能光伏系統(tǒng)來說， 幾乎不會引起電壓

3、上升，所以一般省去此 功能。(6)異常情況排解與停止運行。當系統(tǒng)所在地電網(wǎng)或逆變器發(fā)生故障時， 及時查出異常，控制逆變器停止運轉(zhuǎn)。1.2 并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和原理光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器作為太陽能光伏陣列和電網(wǎng)的連接部分， 在不 同的應(yīng)用場合，根據(jù)太陽能光伏陣列的輸出電流、 電壓和功率等級和并網(wǎng)需求可 以采用多種逆變器的連接方式。（1）集中逆變器。多組串聯(lián)的光伏組件并聯(lián)后再接在逆變器的直流輸入側(cè)， 再通過逆變器變換為交流電并入單相或三相電網(wǎng)。由于只有一個逆變器，系統(tǒng)設(shè)計成本低。但是光伏組件的輸出不平衡使系統(tǒng)損耗較多，此外單逆變器結(jié)構(gòu)使系 統(tǒng)可靠性下降。它主要應(yīng)用于大規(guī)模的沙漠光伏電站。（2）組

4、用逆變器。光伏組件被連接成為幾個相互平行的組用，每個組用都 單獨連接一臺逆變器，故稱為“組串逆變器”。各光伏組用之間沒有在直流側(cè)進 行并接，而是在交流側(cè)與電網(wǎng)并接。每個組用逆變器均具有獨立的最大功率跟蹤 單元，從而減少了光伏組件最佳工作點與逆變器不匹配的現(xiàn)象和部分陰影帶來的 損耗，增加了發(fā)電量。它主要應(yīng)用于中大型光伏電站、 較大型戶用屋頂并網(wǎng)發(fā)電 和城市分布式發(fā)電系統(tǒng)。（3）組件逆變器（光伏模塊）。每個組件連接一臺逆變器，交流側(cè)并入低壓 電網(wǎng)，并對各個組件實現(xiàn)最大功率跟蹤控制， 增加了逆變器對組件的匹配性，同 時模塊化結(jié)構(gòu)也增加了系統(tǒng)的可擴展性。然而過多的逆變器使系統(tǒng)整體效率降低。 它主要應(yīng)用

5、于小型光伏發(fā)電。逆變器一般包括三部分：逆變部分：其功能是采用功率開關(guān)器件實現(xiàn)逆變。有的逆變器為了提高直流側(cè)的電壓范圍和 控制采用了多級的逆變結(jié)構(gòu)；控制部分：其功能是控制整個逆變器工作；保護部分：其功能是在逆變器內(nèi)部發(fā)生故障時起安全保護作用。并網(wǎng)逆變器輸出電流控制方式：瞬時滯環(huán)比較控制方式，定時比較控制方式 （三態(tài)和兩態(tài)），三角波比較控制方式（雙極性、單極性非倍頻和單極性倍頻）。為了防止太陽能光伏陣列的直流電流向電力系統(tǒng)的配電線，給電力系統(tǒng)造成 不良影響，在并網(wǎng)逆變器中一般設(shè)有絕緣變壓器將直流電與交流電分開。絕緣變壓器可以設(shè)置在逆變器與電網(wǎng)配線之間， 也可采用在逆變器的功率轉(zhuǎn)換部分設(shè)置 內(nèi)藏方式

6、。基于并網(wǎng)安全性的考慮，部分國家強制要求并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)絕緣隔 離。根據(jù)采用的絕緣隔離方式，并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)通常分為以下三種：1）工頻變壓器絕緣工頻變壓器絕緣方式主電路將光伏陣列的直流輸出逆變?yōu)榻涣麟姾?，通過工頻變壓器實現(xiàn)并網(wǎng)。其中采用工頻變壓器使輸入和輸出絕緣， 主電路和控制電路簡單。為了追求效率、減少空載損耗，工頻變壓器的工作磁通密度選的比較低， 因此質(zhì)量和體積較大，約占逆變器的總質(zhì)量的50%左右，該結(jié)構(gòu)是最早的一種主電路形式，現(xiàn)在它的應(yīng)用已經(jīng)越來越少。2）高頻變壓器絕緣高頻變壓器絕緣方式主電路由太陽能光伏陣列直流輸入，經(jīng)過高頻逆變器轉(zhuǎn) 換成高頻交流電壓，經(jīng)高頻變壓器變換電壓后，再經(jīng)整流

7、電路轉(zhuǎn)換成直流電，最終經(jīng)過逆變器輸出工頻交流電。其中采用了高頻鏈接的變換電路，所以可使裝置小型化、可集成化、重量輕。與工頻變壓器絕緣方式相比，電路構(gòu)成、控制方 式均比較復(fù)雜，由于經(jīng)過兩級轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)的效率也有所下降。該結(jié)構(gòu)是 20 世紀90年代比較主流的主電路結(jié)構(gòu)。3）無變壓器絕緣在無變壓器絕緣方式的主電路中，光伏陣列的直流輸出經(jīng)過升壓斬波器升壓 至合適的電壓值，再通過逆變實現(xiàn)交流輸出。其中升壓 部分可以適應(yīng)較寬的直 流電壓范圍，有利于光伏陣列實現(xiàn)最大功率輸出， 同時保證了逆變部分輸出電流 相對穩(wěn)定。與變壓器絕緣方式相比，由于無隔離變壓器的絕緣方式除了具有體積小、 質(zhì) 量輕的特點外，還具有效

8、率高、成本較低的特點。雖然沒有采用變壓器進行輸入 和輸出絕緣，但是只要采用適當措施，同樣可保證主電路和控制電路運行的安全 性。它已成為目前主流的并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)。對于無變壓器結(jié)構(gòu)的逆變器，由于輸出電流的直流成分很可能給電網(wǎng)側(cè)設(shè)備 的變壓器造成影響；此外當太陽能陣列的直流部分對地電位發(fā)生變動時， 有可能 通過太陽能陣列的寄生電容而發(fā)生漏電。 因此為了使無變壓器結(jié)構(gòu)的逆變器安全 運行，必須采取一定的措施：（1）由于無變壓器形式主電路沒有變壓器對輸入和輸出絕緣，因此太陽能 光伏陣列的正極或負極不能直接接地。系統(tǒng)的接地點應(yīng)在交流輸出的單相三線制 中性點。另外，由于太陽能陣列面積較大，對地有等效電容

9、存在（正極等效電容 和負極等效電容），該電容的充、放電會對電路的正常工作造成影響。當其低頻 部分達到漏電流的保護閾值時，漏電流保護開關(guān)會切斷供電電源，造成斷電事故； 其高頻部分產(chǎn)生的電磁干擾會影響其他用電設(shè)備的正常工作。等效對地電容充放電電流的低頻部分的影響可以通過控制逆變器變換方式來消除；高頻部分的影響可以由濾波的方式來消除。(2)為了防止太陽能光伏陣列接地造成主電路損壞，還應(yīng)增設(shè)接地保護電路。在系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)通過零序互感器來檢測太陽能陣列的正、負極的接地電流。正常情況下，正、負極的接地電流應(yīng)基本平衡，若不平衡電流值超過接地 保護電路的閾值，說明光伏陣列的正極或負極有可能接地，此時，接地

10、保護電路動作，切斷逆變器的輸出，系統(tǒng)停止工作。1.3 逆變器性能的技術(shù)參數(shù)體現(xiàn)逆變器性能的技術(shù)參數(shù)主要包含以下幾個方面：(1)額定輸出電壓(穩(wěn)壓能力) 在規(guī)定的輸入直流電壓允許波動范圍內(nèi)， 它表示逆變器輸出的額定電壓值。 對輸出額定電壓值的穩(wěn)定度有如下規(guī)定： 在逆 變器穩(wěn)定運行時，電壓波動范圍有一個限定，如其偏差不超過鍵入文字額定值的3%;在負載突變或其他干擾因素影響的情況下，輸出電壓偏差不 超過額定值的8%。(2)電壓波形失真度 當逆變器輸出電壓為正弦波時，應(yīng)規(guī)定允許的最大 波形失真度(諧波含量)。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，對單相逆變器 其值不應(yīng)超過10%,對三相逆變器具值不應(yīng)超過

11、5%。(3)額定輸出頻率 逆變器輸出交流電壓的頻率應(yīng)是一個相對穩(wěn)定值，通 常為工頻50。正常工作條件下其偏差應(yīng)在1%以內(nèi)。(4)輸出電壓不均衡度 這個一般用于三相逆變。在正常工作條件下，逆 變器輸出三相電壓的不平衡度應(yīng)不超過一個規(guī)定值，如5%。(5)額定電流(或額定功率)它表示在規(guī)定的負載功率因數(shù)范圍內(nèi)，逆變器的額定輸出電流。有的產(chǎn)品給出的額定功率，其單位為V*A (伏安)或*A(千伏安)。注：逆變器的額定功率是當功率因數(shù)為 1時(可以通過逆變器控制 系統(tǒng)進行控制)，額定輸出電壓與額定輸出電流的乘積。(6)負載功率因數(shù) 它表示逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦 波條件下，負載功率因數(shù)應(yīng)為

12、 0.7-0.9,額定值為0.9。注：功率因數(shù)越接近1越 好。(7)逆變器效率 它表示在規(guī)定的工作條件下，其輸出功率與輸入功率之比，以百分比表示。逆變器在額定輸出功率下的效率為額定效率，10%額定功率輸出功率下的效率為低負荷效率。(8)啟動特性 它表示逆變器帶載啟動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變 器應(yīng)能夠在額定負載下直接啟動，能夠根據(jù)負載的變化很快的響應(yīng)并調(diào)節(jié)輸出功 率。(9)各種保護能力 如：逆變器的過流保護，應(yīng)能夠保證在負載發(fā)生短路 或電流超過允許值時及時動作，既保護了逆變器本身，又有利于負載安全； 過壓 保護，應(yīng)能夠保證出現(xiàn)故障導(dǎo)致輸出電壓過高時能及時實施保護措施，以使負載免受輸出過電壓

13、的損害；過載保護，當逆變器的負載變化，導(dǎo)致逆變器輸出超出額定功率許多，一般為額定負載的 150%,應(yīng)能夠及時切斷逆變器從而起到保護 的功能。(10)噪聲 電力電子設(shè)備中的變壓器、濾波電感、電磁開關(guān)、大功率開關(guān)器 件及風扇等部件都會產(chǎn)生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應(yīng)不超過80,小功率逆變器的噪聲應(yīng)不超過 65。1.4控制方法()的控制目的就是實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。實質(zhì)上是一個動態(tài) 自尋優(yōu)過程，通過對當前光伏電池輸出的電壓 V與電流I的檢測，求得當前光伏 電池的輸出功率，然后與前一時刻光伏電池的輸出功率相比較，取大的值； 在下 一周期，再檢測V、I,再比較取大值，如此循環(huán)，便可實現(xiàn)控制?？?/p>

14、制算法有很多方式，常用的有恒電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法以 及模糊控制算法等。本節(jié)就對這些常用的方法作一介紹。a)恒電壓跟蹤法從嚴格意義上來說恒電壓跟蹤法是一種曲線擬合的工作方式， 它的工作原理 是：室外溫度一定時，光伏電池的最大功率點的分布幾乎是在一垂直線兩側(cè)， 也 就是說光伏電池的最大功率點對應(yīng)某個恒定電壓， 只需找到 并控制光伏電池 使之輸出恒定在 即可。實際上這是把控制簡化成穩(wěn)壓控制。恒電壓跟蹤法優(yōu)點明顯：控制簡單易實現(xiàn)、可靠性高，能提高光伏電池20% 的效率。缺點就是忽略了環(huán)境溫度對光伏電池輸出電壓的影響。以單晶硅為例， 環(huán)境溫度每升高1度，其光伏電池輸出電壓下降 0.30.4

15、%。也就是說光伏電池最大功率點對應(yīng)的會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。所以恒電壓跟蹤法不適合溫度變化較大的場所。b）擾動觀察法擾動觀察法（，簡稱法）的原理是先給一個擾動輸出電壓信號（），然后測量光伏電池輸出功率的變化并與擾動前的功率相比較，如果大于之前的功率值，表明擾動方向正確，可繼續(xù)向同一（+AU）方向擾動；如果小于之前的功 率值，則往反方向（-U）方向擾動。此方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，要測量的參數(shù) 少，通過不斷擾動達到最大功率的輸出。缺點就是初始值和跟蹤步長U 值的選取，這個對跟蹤精度和速度有很大的影響， 而且在光伏達到最大功率點處擾 動仍會繼續(xù)，這就有可能在最大功率點附近振蕩，導(dǎo)致功率損失，降低光

16、伏電池的效率。c）增量電導(dǎo)法增量電導(dǎo)法（，簡稱法）與擾動觀察法最大的區(qū)別就是避免了盲目性。擾 動觀察法是通過調(diào)整工作點的電壓，使之逐漸接近最大功率點電壓來實現(xiàn)光伏電 池的最大功率點的跟蹤，它不知道最大功率點大致在什么方向。 而增量電導(dǎo)法能 判斷出工作點電壓與最大功率點之間的關(guān)系， 通過每次的測量和比較估算出最大 功率點的大致位置，再根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)整， 避免了電壓調(diào)整時的盲目性，也 保證了在日照強度變化時，光伏電池的輸出端電壓以平穩(wěn)的方式變化， 其電壓的 波動較擾動觀察法小。d）最大功率點跟蹤的模糊控制控制算法是以模糊集合理論、模糊語言以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的控制思想，是一種非線性智能控制方

17、法。模糊控制的基本原理如圖1.1所示在設(shè)計模糊控制器的時候要注意以下幾點: 確定模糊控制器的輸入量和輸出量； 列寫出模糊控制器的規(guī)則； 選擇論域并確定相關(guān)參數(shù)。9 / 9控制電路參數(shù)設(shè)計包括兩部分，電感 L設(shè)計和電容C設(shè)計。經(jīng)計算可得,由高等數(shù)學(xué)求導(dǎo)得最大值算出當-時，L取到最大值:,因此為保證額定情況下滿足紋波電流的要求，L應(yīng)滿足通過計算 ,為保證直流母線的電壓波動小于允許值，則平均電容值應(yīng)大于等于，這樣根據(jù)以上所述的方法求出電路所需要的電感 L和電容C,從 而保證系統(tǒng)工作時能使波動在允許范圍內(nèi)。1.5并網(wǎng)逆變器的控制策略（）控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)， 即通過對一系列脈沖的寬度 進

18、行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（包括形狀和幅值） 0當前的的實現(xiàn)方式 主要有、準最優(yōu)、電流滯環(huán)以及電壓空間矢量（）控制等等。1）三相控制是逆變器較常用的 調(diào)制方式，技術(shù)上已經(jīng)很成熟。方式簡單易實現(xiàn)； 缺點 就是調(diào)制度低，輸出線電壓幅值最大為的輸入電壓的0.866倍。與其它控制方式相比，在相同開關(guān)頻率下，控制方式的開關(guān)損耗較大?；驹砭褪前严Ｍ敵?的正弦波作為調(diào)制信號，把接收調(diào)制的信號作為載波，通過調(diào)制波與載波相比得 到期望的波形。一般采用三角波作為載波，而其等腰三角波應(yīng)用最多。這是因為 等腰三角形上任一點的水平寬度和高度成線性關(guān)系，且左右對稱，當它與任一平緩變化的調(diào)制信號相交時對電路中的

19、開關(guān)器件進行通斷控制，這就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖。所以調(diào)制信號為正弦波時，所得到的就是波形。2）準最優(yōu)控制準最優(yōu)控制與控制不同的地方僅在于調(diào)制信號， 它是在正弦信號的基礎(chǔ)上疊 加一個三次諧波，且三次諧波的相位與調(diào)制波同相。這種準最優(yōu)控制方式的特點 有：電壓利用率較的高，最高可達91%;不包含低次諧波的干擾；功率器件的開 關(guān)頻率與載波頻率相同。3）電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制屬于跟蹤型變流控制，同屬于跟蹤型的還有三角波比較。采用 電流跟蹤型控制技術(shù)有如下優(yōu)點：硬件電路簡單，不需要載波發(fā)生器；電流響應(yīng)快，可用于實時控制； 輸出電壓波形不含有特定諧波； 屬于閉環(huán)控制。4）空間矢量電壓（）控制

20、空間矢量脈寬調(diào)制（）控制技術(shù)常用于交流感應(yīng)電機的一種控制方式，控制三相電壓型逆變器的功率開關(guān)器件的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬寬度。這種開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬寬度的組合在電機定子線圈中產(chǎn)生3個互差電角度且波形失真較小的正弦波電流?？臻g電壓矢量技術(shù)從電機角度出發(fā)， 著眼于使電機獲得幅值包 定的圓形磁場。利用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生實際磁通去逼近基準磁通圓，不僅能達到較高的控制性能，而且由于它把逆變器和電機看作一個整體來處理，使得系統(tǒng)模型簡單，便于用數(shù)字化實現(xiàn)，并且具有噪聲低、電壓利用率高的特點。目前應(yīng)用于逆變器控制是技術(shù)主要有兩個：一是基于固定頻率的電流控制， 該方法利用同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的電流調(diào)節(jié)器計算出電壓指令，在通過電壓空間矢量跟蹤電壓指令信號，從而實現(xiàn)控制方法； 二是利用基于滯環(huán)電流控制的，即利 用電流偏差矢量或電流偏差變化率矢量空間分布給出最佳的電壓矢量切換，是電流偏差控制在滯環(huán)環(huán)寬以內(nèi)，此方式的開關(guān)頻率是變化的。1.6逆變器的保護通常并網(wǎng)逆變器的基本保護功能有： 輸入過壓欠壓保護，輸入過流保護，短 路保護，過熱保護，防雷擊保護；并網(wǎng)保護有：輸出過壓保護，輸出過流保護， 過頻、欠頻保護以及防孤島效應(yīng)保護。各保護功能說明見表1,其中對于光伏并網(wǎng)最重要的一個仍是防孤島效應(yīng)保護，