導(dǎo)讀: 本文從介紹并網(wǎng)逆變器類型著手，對(duì)并網(wǎng)逆變器的工作原理、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)光伏陣列輸出的最大功率跟蹤mppt及并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應(yīng)做了簡(jiǎn)單的介紹。
1 引言
逆變技術(shù)作為光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，它將太陽能電池的直流電能變換成與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電能饋入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器作為太陽能電池與電網(wǎng)的接口裝置，在新能源的開發(fā)和利用中起著至關(guān)重要的作用，光伏產(chǎn)業(yè)也將在21世紀(jì)得到推廣?，F(xiàn)代逆變技術(shù)為光伏逆變提供了強(qiáng)有力的理論支持，半導(dǎo)體器件技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)為并網(wǎng)逆變的研究提供了技術(shù)支持。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器大多采用工作在spwm狀態(tài)的全橋式逆變方案。如何提高逆變器的性能，提高開關(guān)頻率，提高逆變器的功率密度，同時(shí)滿足電能質(zhì)量要求成為近年研究的熱點(diǎn)，逆變器正朝著高功率密度、高變換效率、高可靠性、智能化的方向發(fā)展。
本文從介紹并網(wǎng)逆變器類型著手，對(duì)并網(wǎng)逆變器的工作原理、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)光伏陣列輸出的最大功率跟蹤mppt及并網(wǎng)系統(tǒng)中孤島效應(yīng)做了簡(jiǎn)單的介紹。最后展望了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器朝著高性能、高效率、智能化的方向發(fā)展的趨勢(shì)。
2 逆變器類型
根據(jù)采用隔離變壓器的類型，并網(wǎng)逆變可分為低頻環(huán)節(jié)、高頻環(huán)節(jié)以及非隔離型并網(wǎng)逆變。低頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器采用工頻變壓器作為與電網(wǎng)的接口，因此存在體積和重量大、音頻噪音大的缺點(diǎn)；而非隔離型并網(wǎng)在一些國(guó)家禁止使用，因此現(xiàn)在普遍采用直接掛在電網(wǎng)上運(yùn)行的高頻環(huán)節(jié)并網(wǎng)逆變器。
并網(wǎng)逆變器按輸入控制方式可以分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器。以電流源為輸入的逆變器，其直流側(cè)需要串聯(lián)一個(gè)大電感來提供比較穩(wěn)定的直流電流輸入，但串入大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前世界范圍內(nèi)大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。
并網(wǎng)逆變器按輸出控制模式可以分為電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為控制量，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為控制目標(biāo)，系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。在電壓型控制模式中，逆變器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，因此并網(wǎng)電流的質(zhì)量完全取決于電網(wǎng)電壓的質(zhì)量，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓質(zhì)量很高時(shí)，才能得到高質(zhì)量的并網(wǎng)電流。如果電網(wǎng)電壓受到干擾或出現(xiàn)不平衡時(shí)，由于并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)呈低阻抗特性，所以并網(wǎng)電流相應(yīng)的也會(huì)受到干擾。而在電流型控制模式中，輸出電流是受控量，它的質(zhì)量受電網(wǎng)電壓的影響較小，這是因?yàn)閷?duì)電網(wǎng)來說并網(wǎng)逆變器呈高阻抗特性。所以采用電流型并網(wǎng)模式可以減小電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的影響，從而改善并網(wǎng)電流的質(zhì)量。
若按逆變器主電路的結(jié)構(gòu)來分，三相電壓型逆變器主要分為組合式逆變器、半橋式逆變器和全橋式逆變器。
組合式逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由完全相同的三個(gè)單相逆變器星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)單相和三相四線制供電。該電路結(jié)構(gòu)不但具有極強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力，而且還可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。但是這種電路結(jié)構(gòu)的不足之處是所需元器件數(shù)多、成本高。
三相半橋式逆變器由三個(gè)單相半橋式逆變器組合而成，如圖2所示。該逆變器的特點(diǎn)：
?。?）若串聯(lián)的兩個(gè)電解電容足夠大，則可以保證中點(diǎn)的電位不偏移，具有很強(qiáng)的帶不平衡負(fù)載的能力，但是也大大的增加了系統(tǒng)的體積和重量；
?。?）輸入直流電壓利用率較低。相同的輸出電壓，三相半橋逆變器所需的直流輸入電壓是三相全橋逆變電路的倍。
三相全橋式逆變器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單、易于控制、功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，還可以采用諧振緩沖技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件的軟開關(guān)，不足之處是帶不平衡負(fù)載的能力較弱，如圖3所示。大功率的并網(wǎng)逆變器為了避免直流側(cè)電壓產(chǎn)生較大的脈動(dòng)基本上都使用三相逆變結(jié)構(gòu)。
3 光伏并網(wǎng)逆變器工作原理
逆變器由igbt等功率開關(guān)器件構(gòu)成，控制電路使開關(guān)元件有一定規(guī)律的連續(xù)開通或關(guān)斷，使輸出電壓極性正負(fù)交替，將直流輸入轉(zhuǎn)換為交流輸出。光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器一般采用各種優(yōu)化的pwm（脈沖寬度調(diào)制）策略來實(shí)現(xiàn)，對(duì)給定的電流波形進(jìn)行跟蹤，將矩形波的交流電轉(zhuǎn)換為正弦波交流電，功率的控制則是通過對(duì)太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)現(xiàn)。本文所研究的光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置選擇三相全橋式逆變電路，如圖4所示，由于太陽能電池一般是電壓源，因此逆變器的主電路采用電壓型，在與外電網(wǎng)相聯(lián)時(shí)，為電壓型電流控制方式。三相全橋逆變器將光伏陣列的直流電壓變?yōu)楦哳l三項(xiàng)斬波電壓，濾波環(huán)節(jié)采用lcl濾波器，lcl濾波器相比傳統(tǒng)的單l濾波器有以下優(yōu)點(diǎn)：lcl在高頻段的衰減性能更好，以-60db/dec的速度衰減；其次lcl是三階濾波器，所以對(duì)于同樣的諧波標(biāo)準(zhǔn)和較低的開關(guān)頻率，可以使用較小的電感，在大功率場(chǎng)合可以相對(duì)的減小系統(tǒng)的體積和成本；最后對(duì)于同樣的性能指標(biāo)要求，可以通過加大支路電容的方法進(jìn)一步減小電感值。通過濾波器濾波變成正弦波電流后，再經(jīng)過工頻隔離變壓器隔離升壓后產(chǎn)生6kv（10kv）/50hz的工頻交流電，送入電網(wǎng)。逆變環(huán)節(jié)的核心是通過電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，來完成逆變的功能，它需要控制回路來完成，通常采取電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制模式，控制信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理芯片來完成對(duì)主電路的控制。逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的主要控制目標(biāo)是逆變器輸出正弦波電流與電網(wǎng)電壓在頻率、相位上同步，并且能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，且電流的總畸變失真要低，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，功率因數(shù)接近于1。由于電壓控制不能使系統(tǒng)同時(shí)保證響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的要求，所以其控制通常采取電流控制方式。
4 最大功率跟蹤mppt
最大功率點(diǎn)跟蹤是當(dāng)前采用較為廣泛的一種光伏陣列功率點(diǎn)控制方式。從對(duì)光伏電池的分析可以看出，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度的影響。在一定的外部條件下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但只有在某一電壓值下，輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏電池的工作點(diǎn)稱之為最大功率點(diǎn)。為了充分發(fā)揮光伏電池的效能，提高系統(tǒng)的整體效率，對(duì)光伏電池的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤就十分必要。mppt
的實(shí)質(zhì)是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法，以跟蹤光伏陣列最大功率工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出。它是一種自主尋優(yōu)方式，動(dòng)態(tài)性能較好，較傳統(tǒng)的cvt
控制策略可獲得更大的功率，但穩(wěn)定端電壓能力較差?？梢栽趍ppt控制的外環(huán)增加一個(gè)穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)，來改善這一缺陷，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前mppt
控制有很多的實(shí)現(xiàn)方式，如擾動(dòng)觀測(cè)法、導(dǎo)納增量法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯控制方法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法等，它們實(shí)現(xiàn)mppt控制的基本原理都是類似的，但算法各有差異。
5 孤島效應(yīng)
孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器仍然向電網(wǎng)輸送電能，從而形成一個(gè)電力公司無法控制的自給供電孤島，稱之為“孤島效應(yīng)”。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中孤島的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，對(duì)用戶的用電設(shè)備和檢修人員的安全造成重大危害。孤島發(fā)生時(shí)，若孤島中的電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì)對(duì)用戶的設(shè)備造成損壞；電網(wǎng)的掉電可能使光伏發(fā)電系統(tǒng)過載運(yùn)行，易被燒毀；與光伏發(fā)電系統(tǒng)相連的線路仍然帶電，對(duì)檢修人員造成危險(xiǎn)。所以當(dāng)電網(wǎng)停電后，必須立刻中止系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的供電，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生。反孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是電網(wǎng)斷電的檢測(cè)，且檢測(cè)時(shí)間越短效果越好。一般采取被動(dòng)檢測(cè)法和主動(dòng)檢測(cè)法。被動(dòng)檢測(cè)法是實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的頻率和相位，通過頻率和相位的異常來判斷電網(wǎng)是否失電。采用被動(dòng)的孤島檢測(cè)方法不足以在負(fù)載匹配的情況下有效檢測(cè)出孤島現(xiàn)象，為此，必須采用主動(dòng)式的檢測(cè)方法。主動(dòng)檢測(cè)法是通過實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)參數(shù)發(fā)出干擾信號(hào)，通過檢測(cè)反饋信號(hào)來判斷電網(wǎng)是否失電。常見的方法有主動(dòng)頻率偏移法、滑模頻率偏移法和輸出功率擾動(dòng)檢測(cè)法等。
6 結(jié)束語
面對(duì)世界性的能源短缺的現(xiàn)實(shí)狀況及能源的可持續(xù)發(fā)展對(duì)當(dāng)今社會(huì)的突出影響，可以看出光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是解決此類問題的有效途徑。并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件越來越受到人們的重視，它的發(fā)展將對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)起著巨大的作用。目前，中國(guó)在小功率逆變器發(fā)展上還具有一定水平，但在大功率逆變器上還與國(guó)外有很大的差距，因此逆變器朝著智能化、數(shù)字化發(fā)展是必然趨勢(shì)，從而對(duì)一些核心控制技術(shù)的改善和提高就變得越來越重要了。
（轉(zhuǎn)載）
