太阳能光伏发电并网系统工程设计

太阳能光伏发电并网系统工程设计

冯朝辉

（河南省南阳市鸭河口发电有限责任公司河南南阳473000）

摘要：世界能源危机和环境问题使得开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展成为人类必须采取的措施。而随着太阳能电池和电力电子技术的不断进步，太阳能光伏发电得到了长足的发展并已成为新能源利用的主流之一。开展光伏发电的应用推广也更具有现实意义。而且光伏发电并入公共电网，可作为大电厂、大电网集中式供能的重要补充，也是新一代能源体系的重要组成部分，提高社会能源的利用效率。本文对光伏发电并网系统进行了详细介绍，并对并网控制方法进行了相关研究。

关键词：光伏发电；并网系统；太阳能

光伏发电是利用太阳能电池将太阳辐射能转换成公共电能的一种直接发电方式对于太阳能光伏发电系统的开发和利能够带来很好的社会效益和环境效益，与独立式太阳能光伏发电系统相比，并网发电系统能够为电力系统，提供充足的电能。因此太阳能光伏发电并网系统不仅具有明显的经济价值而且具有广阔的市场价值。

一、光伏发电并网系统设计原理

太阳能光伏发电系统根据功率结构可以分为：DC-AC单级式并网发电系统和DC-DC-AC双级式并网发电系统。在双级式并网发电系统中，DC-DC环节和DC-AC环节具有独立的控制目标和控制方案，可以分开进行设计。DC-DC环节将光伏阵列电压经过升压电路进行升压，为后面的DC-AC逆变电路提供了足够高的母线电压，此外在此可以实现最大功率跟踪。DC-AC环节输入电压较高且相对稳定，有利于逆变器有效工作。DC-AC环节使逆变器输出电流与电网电压同频同相，从而为并网提供条件。因此典型的光伏并网系统包括光伏阵列、一变换器、逆变器和继电保护装置。

图1：光伏发电并网系统模拟图

上图所示是光伏发电并网系统的实物图。并网系统中光伏电池板方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。

并网光伏发电系统的核心是并网逆变器，而此系统中需要专用的逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。因此并网时，对逆变器提出了较高的要求，主要有要求逆变器输出正弦波电流。光伏电站回馈给公用电网的电力，必须满足电网规定的指标，如逆变器的输出电流不能含有直流分量、逆变器输出电流的高次谐波必须尽量减少，不能对电网造成谐波污染等。要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行。光伏电站的能量来自太阳能，而太阳辐照度随气候而变化，这就要求逆变器能在不同的日照条件下均能高效运行。要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点。太阳能电池的输出功率与日照、温度、负载的变化有关，即其输出特性具有非线性。这就要求逆变器具有最大功率跟踪功能，即不论日照、温度等如何变化，都能通过逆变器的自动调节实现方阵的最佳运行。要求逆变器具有体积小、可靠性高的特点。对于家用的光伏系统，其逆变器通常安装在室内或墙上，因此对其体积、质量均有限制。另外，对整机的可靠性也提出较高的要求。由于太阳能电池的寿命在年以上，因此其配套设备也必须与其相当。

二、光伏发电并网系统设计目标与策略

光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的一个装置。并网光伏逆变器的控制目标为控制逆变电路的输出为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相。同时希望通过调节光伏电池工作电压使光伏阵列工作在最大功率点。如果并网逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。由于控制方法简单，因此使用比较广泛。采用电流型输出的并网系统，输出电流的控制方式一般有滞环电流控制，固定开关频率控制，空间矢量控制，无差拍控制，重复控制，定时比较控制等方法。这些方法都各有各自的优缺点。目前运用较广的几种光伏并网系统电流控制的方法控制、空间矢量控制、定时比较控制和滞环电流控制。例如空间矢量控制策略是依据逆变器空间电压电流矢量切换来控制逆变器的一种控制策略。它放弃了正弦波脉宽调制，而是采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条件下，使逆变器的输出获得较好的性能。

三、光伏发电并网系统工程设计

1.光伏并网逆变器控制系统的设计

在本设计中，并网逆变器的功率主电路采用全桥电路，它将光伏阵列输出的直流量经过升压后转换成交流输出量。全桥逆变电路后接LC滤波器，它的作用是将逆变器的输出转化成较为平滑的波形。为了获得低谐波、低失真和高品质的电流正弦波波形，全桥逆变电路的驱动信号采用SPWM波进行调制。此外，逆变器直流侧的输入电压为DC-DC升压电路的直流输出。逆变器的输出端经LC滤波后与电网相连。为了实现逆变器的并网，就得保证并网逆变器的电流与电网电压同频同相。而同步锁相环能够实现上述并网逆变电流与公共电网的同步。综上所述，本设计的并网系统控制方案采用光伏并网电压电流双闭环控制与锁相控制技术相结合的控制方法。

为了实现电流的实时跟踪，电流内环控制系统采取基于并网电流的瞬时值反馈。为了消除单独采用电流内环控制所存在的误差，系统增加了电压外环的控制。系统电压外环控制系统的工作原理为：利用幅相检测器分别检测出电网电压过零点到来时，并网电流的幅值和相位，然后对这些幅值和相位进行PI调节，作用于电压外环控制系统，进而产生辅助参考电流。而控制系统的电流内环的参考信号则由外环产生的辅助参考电流信号与同步锁相环产生的主参考电流信号相加后产生。因此并网电流对主参考电流的无差跟踪由电压外环和电流内环共同保证。而系统电网电压的过零点提供了产生正弦信号的基准点，它是电压外环控制环和同步锁相环的同步源。

2.光伏并网控制系统的硬件电路设计

并网控制系统的主电路设计已经在第二章给予了详细的介绍，下面主要对并网控制电路进行分析。并网控制电路主要包括：单片机、采样电路、锁相电路和保护电路四部分。其中锁相电路已经在第三章进行了分析介绍。控制电路中单片机采用AVR单片机atmega16l，单片机主要完成电流电压信号的采样、A/D转换、D/A转换、SPWM波驱动信号及软件锁相程序的编辑与执行等等。控制电路中信号采样电路的采样信号包括：电网电压采样，并网电流、电压采样和直流母线电流、电压采样。由于系统所采用的AVR单片机内含有A/D转换模块，故采样电路只需将采样回来的信号转换成符合单片机要求的电压信号，然后送到单片机的A/D转换模块进行处理即可。控制电路中的保护电路包括直流母线电压过压保护、直流母线电流过流保护、逆变器输出过压过流保护和电网过压保护等。

四、小结

光伏发电系统是个既复杂又庞大的系统工程，但是由于我国由于宏观经济条件的制约、国家政策扶持力度不够，光伏并网发电技术力量十分薄弱。本文在研究中首先光伏发电并网设计原理进行了分析，进而在此基础上对并网发电系统设计目标与策略进行了研究。进而在此基础上，从控制系统和硬件电路两个方面对光伏发电并网工程进行了设计。希望研究能够促进光伏发电并网系统设计的进步。

参考文献

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