三峽大學(xué) 解立輝

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小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略探討

三峽大學(xué) 解立輝

【摘要】在新的背景下我們面臨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，如何充分利用有限的能源創(chuàng)造更大的價(jià)值，是解決能源問題的需求，科技的重要性日益凸顯。本文將著重闡述小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制原理，深入了解小功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)，并結(jié)合小功率光伏并網(wǎng)逆變器的原理和控制目標(biāo)，制定出科學(xué)合理的小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略。

【關(guān)鍵詞】小功率光伏并網(wǎng)；逆變器；控制策略

目前世界能源危機(jī)問題十分嚴(yán)重，開始影響人們的生產(chǎn)和生活，為了解決這個(gè)問題，人們開始重視再生能源的應(yīng)用。而大陽能資源作為一種穩(wěn)定的能源受到人們重視。逆變器可有效提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行效率，是小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵部分，小功率光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行效率比較高、本身體積比較小等特點(diǎn)必然會(huì)成為未來太陽能利用的主要趨勢。

1　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)原理

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)介于電力網(wǎng)與太陽能光伏系統(tǒng)之間，通過光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以有效的將太陽能光伏系統(tǒng)中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以起到中轉(zhuǎn)和連接的作用。并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，通過對光伏陣列發(fā)出的直流電，通過調(diào)壓、逆變等方式變?yōu)榻涣麟姡涣麟姷恼麄€(gè)轉(zhuǎn)換過程是源逆變的過程是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的本質(zhì)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器除了需要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還需要控制交流電的電壓、電流、電能品質(zhì)、頻率等，其轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)需要嚴(yán)格正常電網(wǎng)內(nèi)的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保持頻率、電壓等各方面數(shù)據(jù)的一致，避免流入電網(wǎng)內(nèi)的電壓出現(xiàn)問題。

1.2光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器是其最重要的結(jié)構(gòu)，并網(wǎng)逆電器介于太陽能光伏陣列和電網(wǎng)直接，起到了中轉(zhuǎn)和連接的作用。并網(wǎng)逆變器的連接不是固定不變的，其連接方式需要根據(jù)太陽能光伏陣列和對電壓、電流的實(shí)際需要要設(shè)置的。根據(jù)不同的設(shè)置也可以分為以下三種并網(wǎng)逆變器，包括集中逆變器、組串逆變器、組件逆變器三種并網(wǎng)逆變器。按照功能分并網(wǎng)逆變器可以分為以下三種，分別為逆變部分、控制部分、保護(hù)部分，這個(gè)三個(gè)部分可以有效的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換和保障安全的功能。按照并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)來分可以分為以下三種，分別為工頻變壓器絕緣、高頻變壓器絕緣、無變壓器絕緣，這幾種電路結(jié)構(gòu)可以充分保持電流轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性和安全性，是目前主流的電路結(jié)構(gòu)。

2　小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制目標(biāo)

小功率光伏逆變器對光伏陣列內(nèi)的電流進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)換的頻率、電壓、相位等數(shù)據(jù)需要嚴(yán)格按照公共電網(wǎng)內(nèi)的頻率、電壓、相位的數(shù)據(jù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，保證二者數(shù)據(jù)的相同，這樣轉(zhuǎn)換出的交流電才能并入公共電網(wǎng)。小功率光伏并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行原理可以通過單相來描述。

圖1是并網(wǎng)逆變器輸出矢量圖，圖中顯示的是轉(zhuǎn)換前后的電流和電壓，如圖1所示。

圖1　并網(wǎng)逆變器輸出矢量圖

圖中的I0指的是逆變器的輸出電流，U0和Ug分別為小功率光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓，圖中的L和R則分別表示輸出濾波電抗器和線路電阻。為了保證輸出的電流不出現(xiàn)問題，必須要保持同頻率、同電壓、同相位，以相同的數(shù)據(jù)為基本的參考。為了保持逆轉(zhuǎn)前后的各種數(shù)據(jù)的相同，輸出濾波電抗器的電壓的相位比電網(wǎng)電壓超前90°。通過對圖1的分析可以得出逆變器輸出電壓的幅值和相位。

逆變器輸出電壓的公式中逆變器的輸出電壓可以通過電網(wǎng)電壓與輸出逆變器內(nèi)部電壓之和得出的。其中Ug的頻率、周期、相位的數(shù)據(jù)可以直接通過儀器測量出來。I0的相位可以通過電流的負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)據(jù)可以通過計(jì)算和測量得出，而公式中R最難得到的。因此要采用一些先進(jìn)的科學(xué)手段，對轉(zhuǎn)換前后的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，通過使用小功率光伏并網(wǎng)逆變器來控制各種數(shù)據(jù)，包括頻率、周期、相位等數(shù)據(jù)，最終將功率因素變?yōu)?，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)回饋發(fā)電。

3　小功率光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

3.1 逆變器的控制策略

一般并網(wǎng)逆變器采用電流源電壓控制、電流源電流控制、電壓源電壓控制、電壓源電流控制四種控制方法。小功率光伏并網(wǎng)逆變器對數(shù)據(jù)進(jìn)行控制主要采用電壓源電流控制和電壓源電壓控制兩種控制方式，這兩種控制方式可以有效的避免被系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，保證輸入電流的穩(wěn)定性。

電壓控制和電流控制使對并網(wǎng)逆變器控制的主要方式。并網(wǎng)逆變器的主要功能是轉(zhuǎn)換流入的直流電為交流電。一般流入并網(wǎng)逆變器的電流為直流電，由于輸入和輸出的電壓不一致，會(huì)出現(xiàn)環(huán)流的情況，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，一般當(dāng)電流輸入逆變器時(shí)一般采用電壓源輸入的控制方式。而逆變器的輸出時(shí)如果依然使用電壓源的控制方式，操作比較繁瑣復(fù)雜，因此，電流輸出光伏并網(wǎng)逆變器過程中采用電流輸出的控制方式。

3.2 并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

在并網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)中DC/DC、DC/AC變流器的結(jié)構(gòu)和變化目標(biāo)具有獨(dú)立性，在對電流的轉(zhuǎn)換中根據(jù)DC/DC、DC/AC變流器的結(jié)構(gòu)和變化目標(biāo)的特點(diǎn)進(jìn)行最大功率跟蹤與并網(wǎng)控制，因此研究并網(wǎng)系統(tǒng)的控制需要從最大功率跟蹤的控制與并網(wǎng)控制兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.2.1最大功率跟蹤的控制

對于最大功率跟蹤的控制策略的研究要從在連續(xù)狀態(tài)下逆變器輸入側(cè)直流母線電壓的公式入手，具體可以用如下公式表示：

在公式中Vdc表示逆變器輸入側(cè)直流母線電壓，D為對占空比。V為光伏陣列輸出電壓。從公式中可以看出如果逆變器輸入側(cè)直流母線電壓想對穩(wěn)定，光伏陣列輸出電壓會(huì)受到占空比的影響，通過D的控制可以使輸出的最大功率在電壓附近，最終實(shí)現(xiàn)對最大功率跟蹤的控制。

3.2.2并網(wǎng)逆變器控制策略

（1）電流瞬時(shí)值控制。電流瞬時(shí)值控制的控制方法為實(shí)時(shí)控制，輸出的電流和電壓不含次諧波的特點(diǎn)，在并網(wǎng)逆變器控制中比較常見。要找出電流瞬時(shí)值控制的策略，首先要了解電流瞬時(shí)值的比較方式，具體如圖2所示。從圖2中可以看出電流瞬時(shí)值通過直流電壓反饋控制環(huán)和交流電流控制環(huán)兩種將電流信號進(jìn)行比較，圍繞電流指令上下變化。這種電流瞬時(shí)控制會(huì)引起諧波的干擾，在實(shí)際操作中主要采用固定開關(guān)瞬時(shí)頻率電流控制方法對滯環(huán)電流進(jìn)行瞬間控制。

圖2　電流瞬時(shí)值比較方式圖

（2）雙閉環(huán)控制。雙閉環(huán)控制在逆變器控制中應(yīng)用比較廣泛，可以很好的控制直流到交流的逆變，保證在轉(zhuǎn)換的過程中光伏電網(wǎng)的最大功率輸出，并通過對無功分量的計(jì)算實(shí)現(xiàn)APF的補(bǔ)償。

（3）SVPWM控制策略。SVPWM控制是依據(jù)逆變器空間電壓和電流矢量切換來實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制的一種控制策略。同時(shí)輸出高質(zhì)

量的正弦波來提高電壓的使用效率，這種策略是目前比較有效的控制并網(wǎng)逆變器的方法，但是在使用過程中需要避免由大量的計(jì)算而影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性，這種方法對相關(guān)人員的運(yùn)行能力要求比較高。

（4）無差拍控制。無差拍控制以系統(tǒng)狀態(tài)方程為控制方式對并網(wǎng)逆變器控制的策略，通過這種方式會(huì)使輸出電壓保持較好的輸出質(zhì)量，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快。但是應(yīng)用誤差拍控制過程中要注意保持模型的準(zhǔn)確性，避免系統(tǒng)強(qiáng)烈的震蕩。

總結(jié)：在當(dāng)前世界各地能源都十分緊缺的背景下，太陽能發(fā)電作為一種新型的能源轉(zhuǎn)換形式，具有廣泛的應(yīng)用前景。逆變器可有效提高電能轉(zhuǎn)換的質(zhì)量和系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的效率，是小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵部分，逆變器控制系統(tǒng)的性能很大程度上決定著并網(wǎng)的成敗，因此對多種光伏并網(wǎng)逆變器控制策略進(jìn)行整合，保證電能資源轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和安全性。

參考文獻(xiàn)

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