朱寬勝

（南京城市職業(yè)學院，江蘇 南京 210002）

0 引言

太陽能光伏發(fā)電并網系統(tǒng)各方面的性能也取得了很大發(fā)展并趨于成熟。發(fā)達國家在并網發(fā)電技術及器件方面都取得了一定的成就，如高頻并網模塊、多機并聯、最大功率點跟蹤等。

并網逆變器是太陽能光伏發(fā)電的核心部件，發(fā)展各種性能的并網逆變器對并網起著至關重要的作用。其中，最大功率點跟蹤、孤島效應和并網控制成為研究的熱點。

1 光伏發(fā)電工作原理

1.1 并網光伏系統(tǒng)的容量設計

（1）確定現場參數：包括太陽能光伏系統(tǒng)的安裝容量、氣象條件及地理環(huán)境、太陽能輻射值及每個月的平均值等。

（2）計算方陣最佳傾角：實現太陽能輻射量的最大化，這是光伏發(fā)電并網系統(tǒng)要考慮的重要問題之一。因為光伏并網發(fā)電系統(tǒng)是直接與電網連接，電能能在發(fā)出之后被實時利用，效率比較高，因此，要確定太陽能光伏方陣的最佳傾角，實現太陽能全年的最大接收量。

（3）確定性能比（PR）：不同地方的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，各種參數必然有所區(qū)別，因此性能比也不盡相同。但隨著研究的深入，現在一般性能比確定在0.7左右。

（4）發(fā)電量的估算：太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可用下面公式進行估算：

①準備工作：出水管高度為1.1m，出水管周圍0.5m2地面內要夯實、水平，預留的排水管道距離出水樁位置約30cm。準備5kg混凝土。

式中，Eout是全年并網光伏系統(tǒng)輸出的電能（k W·h）；Ht為光伏系統(tǒng)接收的太陽總輻射量在一年中與標準時的太陽輻射強度G＝1 000 W／m2相比后得到的最大光照時數（h）；P0為太陽能光伏系統(tǒng)的額定功率（k W）；PR為系統(tǒng)的性能比。

1.2 并網光伏系統(tǒng)與電網的連接

（1）“上網電價”方式：光伏并網系統(tǒng)輸出的電能是輸出端的電能（即電網一側），將輸出端的電能全部接入電網，而自己的用電則來自電網。國家為鼓勵發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常是高價收購發(fā)出的電能，而自己所用的電能則跟其他人一樣，享受同等的優(yōu)惠政策。

（2）“凈電表計量”方式：光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能是接在進戶電表之后，即太陽能系統(tǒng)發(fā)出的電能首先供自己使用，當有多余時才輸入電網，而在電能不夠用的時候，則使用電網的電能。

1.3 太陽能光伏發(fā)電的基本原理

太陽能電池是利用光電轉化原理將太陽能轉化為電能。工作原理以P-N結為基礎，每片光伏電池都有自身的電壓，大約為0.5 V。輸出電流還與溫度的變化、光照強度、光伏電池的大小和連接方式有關，為了使輸出功率能夠大一些，要將很多光伏電池通過串并聯的方式組成光伏陣列。

半導體P-N結的勢壘區(qū)存在著較強的內建靜電場，當太陽光照射P-N結時，在電場的作用下做漂移運動，N型半導體區(qū)的電子留在N區(qū)，空穴流向P型半導體區(qū)，電子成為多數載流子；而P型半導體區(qū)的空穴留在P型半導體區(qū)，電子流向N型半導體區(qū)，空穴成為多數載流子，在電場的作用下，一旦接負載即可產生直流電流，如圖1所示。

2 太陽能光伏發(fā)電并網控制

2.1 并網控制的目的與方式

光伏發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能與電網連接，而電網電壓與接入的電流存在相位差，控制的直接目的是使并網的電流與電壓的相位差為0，這也是控制的主要目的。其原理如圖2所示。常見的控制方式有電壓控制和電流控制。

圖2 光伏并網控制原理圖

2.2 并網控制方法

太陽能光伏發(fā)電發(fā)出的電能是直流電，需要經過一系列轉化才能并網，例如逆變、控制、檢測和保護等。一般情況下，逆變器要和控制器結合起來共同控制電能的并網。當然，光伏并網需要多項技術，屬于高新技術，發(fā)展并網逆變控制器，對光伏發(fā)電技術起著非常重要的作用。

（1）在光伏發(fā)電并網系統(tǒng)的運行中，逆變器處理過的電能要輸出為正弦電流，對電網沒有沖擊，且必須滿足電網規(guī)定的相關指標，如高次諧波必須控制到最低，以減少對電網的沖擊；不能有直流分量，當然也不能對電網造成諧波干擾等。

（2）當太陽能光照強度發(fā)生變化時，也要求逆變器能根據光照和負載的變化高效運行。

（3）太陽能電池輸出功率與很多因素相關，如光照、溫度、負載的變化等，這就要求逆變器要有最大功率跟蹤功能，從而使其能進行自我調節(jié)，來實現最佳運行。

（4）在特定場合下要求在電網斷電的情況下，也依然能提供電能。

并網逆變電流控制法是由一個電流反饋控制內環(huán)實現的，圖3所示為電流控制并網光伏逆變器的基本結構。光伏電流逆變器的原理是使輸出電流跟隨參考指令電流信號，這個電流信號是由MPPT策略和電網電壓相位決定的。經過比較實際的瞬時相電流ia、ib、ic和參考指令電流信號ia＊、ib＊、ic

＊，信號通過電流控制器處理之后產生開關控制信號sa、sb、sc控制逆變器工作。光伏并網控制的核心之一就是電流控制器，電流控制策略的好壞關系著并網系統(tǒng)性能的優(yōu)劣性。

圖4 最大功率點跟蹤系統(tǒng)結構原理圖

圖3 電流控制模式并網光伏逆變器基本結構

2.3 并網光伏發(fā)電的優(yōu)點

太陽能光伏發(fā)電并網技術是將發(fā)出電能通過處理后與電網連接，這種方式有許多優(yōu)點：

（1）發(fā)出的電能直接與電網連接，不再使用蓄電池儲能，節(jié)約了太陽能光伏發(fā)電的投資成本，使發(fā)出的電能成本明顯降低；而且也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不再考慮蓄電池可能出現的狀況；當然也有利于環(huán)境保護，因為沒有蓄電池的污染了。

（2）光伏并網發(fā)電分散發(fā)電供電，進出電網靈活，可以增強電網的穩(wěn)定性，有利于提高電力系統(tǒng)在自然災害等異常條件下的抵抗力，也有利于平衡電力系統(tǒng)的負荷，從而降低電力系統(tǒng)的損耗。

（3）光伏電池可以安裝在建筑物上，節(jié)約了占地面積，而且基本對建筑物沒有影響，增加了建筑物的利用率。

3 最大功率點跟蹤

3.1 最大功率點跟蹤技術

光伏電池輸出特性是非線性的，而且受光照強度和環(huán)境溫度影響較為明顯。在任何光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池都存在一個最大功率輸出點。此外，負載變化將影響光伏器件的輸出功率。因此，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的方法之一就是及時調整系統(tǒng)負載特性，即調整光伏電池的工作點，使之工作在最大功率點，即使在不同的光照和溫度下，也可使光伏電池工作在最大功率點附近，這一過程稱為最大功率點跟蹤。最大功率點跟蹤系統(tǒng)結構原理圖如圖4所示。

3.2 基于參數選擇方式的間接控制法

開路電壓比例系數法是為克服溫度對系統(tǒng)的影響，由恒定電壓法改進而成的。通過光伏電池的外特性可知，光伏電池的最大功率點電壓Um在不同的光強和溫度條件下，將隨光伏電池的開路電壓Uoc變化而變化，且兩者之間存在著近似線性的關系：

其中，ku為開路電壓比例常數，對于不同的光伏電池，ku有不同的值，一般為0.7左右；Uoc可以通過周期地將光伏電池和負載斷開來測量，用此方法即可計算出最大功率點電壓Um。

這種方法的優(yōu)點是：就原理來說，比較簡單，系統(tǒng)控制的設計可以用簡單的模擬電路實現，控制結果也具有很強的抗擾動能力，即使因采樣錯誤或外界強烈干擾出現系數偏差，也能在下一個控制周期得以修正。缺點是：由于最大功率點電壓和開路電壓之間采用的只是個近似的比例系數，所以光伏電池并不是工作在真正意義上的最大功率跟蹤點上。

3.3 基于采樣數據的直接控制法

電導增量法是通過比較光伏電池的瞬時電導和電導的變化量來實現最大功率跟蹤的一種控制算法。由光伏電池的功率—電壓輸出特性可以看出其是一個單峰值的曲線，最大功率點處于曲線頂點。

電導增量法正是利用光伏電池工作在最大功率點時輸出電導的變化量等于0的原理，通過比較光伏電池的電導增量和瞬間電導值來改變控制信號。在實際使用電導增量法時，需要給出一個合適的閾值E，并設定＝±E時系統(tǒng)工作于最大功率點，當電導增量變化小于這個閾值時，無需改變工作點；當電導增量變化大于這個閾值時，則要相應變化工作點。所以選擇合適的步長和閾值非常關鍵。調節(jié)步長的大小，可決定跟蹤速度和在最大功率點附近來回波動幅值。對于幅值的大小，理論上越小越好，越小則越能接近最大功率點。但實際中，閾值若設置得太小，系統(tǒng)很可能會永遠達不到穩(wěn)定，始終在一定的范圍內震蕩。

這種方法的優(yōu)點是：控制精確度較高，響應速度相對較快，光伏電池輸出電壓能夠跟蹤變化，而且較為穩(wěn)定。缺點是：對控制系統(tǒng)的硬件要求比其他方法要高，且對傳感器精度和系統(tǒng)各個部分的響應速度要求也非常高，所以造價相對高一些。

4 結語

本文介紹了太陽能光伏發(fā)電的工作原理，提出了太陽能光伏發(fā)電的并網方式、要求等，對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)與電網連接方式作了闡述，光伏發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能與電網連接，而電網電壓與接入的電流存在相位差，控制的直接目的就是使并網的電流與電壓相位差為0，這也是控制的主要目的。最大功率點跟蹤技術在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，大大提高了電能并網的效率。希望通過本文對太陽能光伏發(fā)電并網控制的研究，能促進太陽能光伏并網發(fā)電技術發(fā)展，提高能源利用率，從而為更好地推廣太陽能技術打下基礎。

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