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隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們逐漸認識到必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，必須完成從補充能源向替代能源的過渡，而且由于工業(yè)文明的不斷發(fā)展，我們對于能源的需求越來越多；傳統的化石能源已經不可能滿足要求，為了避免面對能源枯竭的困境，尋找優(yōu)質的替代能源成為人們關注的熱點問題；可再生能源如水能、風能、太陽能、潮汐能以及生物質能等能源形式不斷映入人們的眼簾。

水利發(fā)電作為最早應用的可再生能源發(fā)電形式得到了廣泛使用，但也有人就其的環(huán)境問題、安全問題提出過質疑，況且目前的水能開發(fā)程度較高，繼續(xù)開發(fā)存在一定的困難。風能的利用近些年來也是熱點問題，但風力發(fā)電存在穩(wěn)定性不高、噪音大等缺點，大規(guī)模并網對電網會形成一定沖擊，如何有效控制風能的開發(fā)和利用仍是學術界關注的熱點。在剩下的可再生能源形式當中，太陽能發(fā)電技術是最有利用價值的能源形式之一。

1、太陽能光伏并網技術的重點

1）太陽能儲量豐富，每秒鐘太陽要向地球輸送相當于210億桶石油的能量，相當于全球一天消耗的能量；我國的太陽能資源也十分豐富，除了貴州高原部分地區(qū)外，中國大部分地域都是太陽能資源豐富地區(qū)，目前的太陽能利用率還不到1/1000。因此在我國大力開發(fā)太陽能潛力巨大；光伏并網是太陽能利用的發(fā)展趨勢，光伏發(fā)電系統將主要用于調峰電站和屋頂光伏系統。

2）在光伏并網系統中，并網是核心部分。目前并網型系統的研究主要集中于DC-DC和DC-AC兩級能量變換的結構。DC-DC變換環(huán)節(jié)調整光伏陣列的工作點使其跟蹤最大功率點;DC-AC逆變環(huán)節(jié)主要使輸出電流與電網電壓同相位，同時獲得單位功率因數。其中DC-AC是系統的關鍵設計。

3）太陽能的利用分為"光熱"和"光伏"兩種，其中光熱式熱水器在我國應用廣泛；光伏是將光能轉化為電能的發(fā)電形式，起源于100多年前的"光生伏打現象"。太陽能的利用目前更多的是指光伏發(fā)電技術。光伏發(fā)電技術根據負載的不同分為離網型和并網型兩種，早期的光伏發(fā)電技術受制于太陽能電池組件成本因素，主要以小功率離網型為主，滿足邊遠地區(qū)無電網居民用電問題。隨著光伏組件成本的下降，光伏發(fā)電的成本不斷下降，預計到2013年安裝成本可降至1.5美元/Wp，電價成本為6美分/(kWh)，光伏并網已成為可能，并網型光伏系統逐步成為主流。

2、并網型光伏系統結構：圖1所示為并網型光伏系統的結構。并網型光伏系統包括兩大主要部分：

1）其一，太陽能電池組件。將太陽傳送到地球上的光能轉化成直流電能；

2）其二，太陽能控制逆變器及并網成套設備，負責將電池板輸出直流電能轉為電網可接受的交流能量。

3）根據功率的不同太陽能逆變器的輸出形式可為單相或者三相；可帶隔離變壓器，也可不配隔離變壓器。

（1）光伏電池的理想模型可由下式表示：圖片

其中，vt 為電池板熱電勢。


（2）圖 3 表述在特定光照條件下電池板的伏安特性。陰影部分是電池板在相應條件下所能夠輸出的最大功率。太陽能電池板在高輸出電壓區(qū)域，具有低內阻特性，可以視為一系列不同等級的電壓源；在低輸出電壓區(qū)域內，該電源有高內阻特性，可以視為不同等級的電流源。電壓源與電流源的交匯處便是電池板在相應條件下的最大輸出功率。在電池板的溫度保持不變的情況下，這個極大功率值會隨著光照強度的變化而變化，最大功率跟蹤能自動跟蹤電池板的工作在輸出功率極大的條件。

（3）最大功率跟蹤方法、最大功率跟蹤技術有兩種技術路線：其一是 CVT 技術，控制電池組件端口電壓近似模擬最大功率跟蹤，這種方法原理簡單但是跟蹤精度不夠；其二是 MTTP 技術，實時檢測光伏陣列輸出功率，通過調整阻抗的方式滿足最大功率跟蹤。目前，太陽能逆變器廠家廣泛采用的 MPPT 技術。目前，常用的 MTTP 方法有兩種。

A）干擾觀測法（P&O）：干擾觀測法每隔一定時間增加或減少電壓，通過觀測功率變化方向，來決定下一步的控制信號。如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一步電壓變化方向改變電壓，如果檢測到輸出功率減小，則改變電壓變化的方向，這樣光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當前最大功率點。如果采用 DC/DC 變換器實現 MPPT 控制，在具體實施時應通過對占空比施加擾動來調節(jié)光伏陣列輸出電壓或電流， 從而達到跟蹤最大功率點的目的。如果采用較大的步長對占空比進行”干擾”， 這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達到穩(wěn)態(tài)后光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近振蕩幅度比較大，造成一定的功率損失，采用較小的步長則正好相反。

B）電導增量法（INC）：光伏電池在最大功率點 Pm 處 dP/dU=0，在Pm 兩端 dP/dU 均不為 0。

要使輸出功率最大，必須滿足（4）式，使陣列的電導變化率等于負的電導值。首先假設光伏陣列工作在一個給定的工作點，然后采樣光伏陣列的電壓和電流，計算 Δv=v(n)-v(n-1) 和 Δi=i(n)-i(n-1)，其中(n)表示當前采樣值，(n-1)為前一次的采樣值；如果 Δv=0，則利用 Δi 的符號判斷最大功率點的位置；如果 Δv≠0，則依據 Δi/Δv+I/V 的符號判斷。

a.這種跟蹤法最大的優(yōu)點是當光伏電池的光照強度發(fā)生變化時，輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，電壓波動較擾動觀測法小。

b.缺點是其算法較為復雜，對硬件的要求特別是對檢測元件的精度要求比較高，因而整個系統的硬件成本會比較高。

3、太陽能逆變器及其工作原理：太陽能逆變器的電路拓撲如圖 5 所示，5-a)是單相并網逆變器電路拓撲，5-b)是三相并網逆變器電路拓撲。從電路拓撲結構上看屬于電壓型控制逆變電路。從控制方式上屬于電流控制型電路。


1）電路的基本工作原理以圖 6 的單相光伏逆變電路分析。


2）按照正弦波和載波比較方式對 S1-S4 進行控制，交流側 AB 處產生 SPWM 波 uAB，uAB 中含有基波分量和高次諧波，在 LS 的濾波作用下高次諧波可以忽略，當 uAB 的頻率與電網一致時，is 也是和電網一致的正弦波。在電源電壓一定的條件下，is 的幅值和相位僅有 uAB 的基波的幅值和相位決定，這樣電路可以實現整流、逆變以及無功補償等作用。圖 7 所示是電路的運行向量圖，其中 7-a)是整流運行，7-b)是逆變運行，7-c)是無功補償運行，7-d)是 Is 超前 φ 角運行。單相光伏逆變器工作在 7-b)狀態(tài)。

3）電路的基本控制方法：光伏逆變器對于功率因數有較高要求，為了準確實現高功率因數逆變，需要對輸出電流進行控制，通常的電流控制方式有兩種：其一是間接電流控制，也稱為相位幅值控制，按照圖 7 的向量關系控制輸出電流，控制原理簡單，但精度較差，一般不采用；其二是直接電流控制，給出電流指令，直接采集輸出電流反饋， 這種控制方法控制精度高，準確率好，系統魯棒性好，得到廣泛應用。

4、監(jiān)控保護單元簡介

1）監(jiān)控保護單元的主要作用有：

（1）光伏并網系統作為接入電力系統的裝置，需要設定合理的保護措施保護發(fā)電設備的安全以及電網的安全；

（2）孤島效應會產生很多不良影響，光伏系統作為分布式發(fā)電系統的典型代表， 如何準確測定孤島效應也是監(jiān)控保護單元的重要作用；

（3）太陽能光伏電站尤其是大規(guī)模的光伏電站往往建設在荒漠和無人區(qū)，智能電量管理和系統狀況檢測上報也是光伏發(fā)電系統需要重點考慮的因素。

2）并網保護裝置：并網保護裝置主要實現以下保護功能：低電壓保護、過電壓保護、低頻率保護、國頻率保護、過電流保護以及孤島保護策略等內容。通常大型光伏電站需要設置冗余保護裝置，保證系統故障時及時處理。

3）孤島檢測技術：孤島效應是指并網逆變器在電網斷電時，并網裝置仍然保持對失壓電網中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當電網的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時， 電網將不再控制這個電力孤島的電壓和頻率。孤島效應會對光伏發(fā)電系統與電網的重連接制造困難，同時可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應必須避免。目前常用的孤島效應檢測方法主要有兩種，分別是被動檢測方法和主動式檢測方法。

(A)被動式孤島檢測：孤島的發(fā)生和電網脫離時的負載特性及與電網之間的有功和無功交換有很大的關系。電網脫離后有功的波動會引起光伏系統端口電壓的變化，無功的波動會引起光伏系統輸出頻率的變化。電網脫離后，如果有功或者無功的波動比較明顯，通過監(jiān)測并網系統的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測到孤島的發(fā)生，這就是被動式孤島檢測方法的原理。然而在電網脫離后，如果有功和無功的波動都很小，此時被動式檢測方法就存在檢測盲區(qū)。

（B）主動式孤島檢測：主動式孤島檢測方法中用的比較多的是主動頻移法（AFD），其基本原理是 在并網系統輸出中加入頻率擾動，在并網的情況下，其頻率擾動可以被大電網校正回來，然而在孤島發(fā)生時，該頻率擾動可以使系統變得不穩(wěn)定，從而檢測到孤島的發(fā)生。這類方法也存在”檢測盲區(qū)”，在負載品質因數比較高時，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統無法檢測到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動會引起輸出電流波形的畸變，同時分析發(fā)現，當需要進行電能質量治理時，頻率的擾動會對諧波補償效果造成較嚴重的影響。

4）智能電量管理及系統狀況監(jiān)控系統：大型光伏電站由于地處偏遠地區(qū)，常常為無人值守電站。為了準確計量電站的電能輸出及系統運行狀況需要設立智能電量管理及系統狀況監(jiān)控系統。系統往往基于計算機數據處理平臺以及互聯網技術將分散的發(fā)電系統信息收集到集中控制中心進行數據分析處理工作，這部分的工作原理及系統結構在本文中不在詳述。

5、結語：本文主要介紹了光伏并網系統的結構，分析了其主要組成部件的系統框圖、功能。給出了最大功率跟蹤的基本原理，分析了光伏逆變器的主要電路拓撲結構及控制方式。太陽能光伏發(fā)電技術作為有可能徹底改變人們生活的朝陽技術，擁有美好的未來，讓我們共同期待光伏技術在明天為人類作出更大的貢獻。

原標題：淺談太陽能光伏并網控制逆變器工作原理及控制方法