浅谈光伏发电并网逆变器的设计

浅谈光伏发电并网逆变器的设计

毕向阳

毕向阳

（国网浙江余姚市供电公司）

摘要：本文主要是针对对我国光伏发电的现状，从光伏发电系统的最大功率点（MPPT）跟踪技术、对双闭环的控制策略以及调制方式等方面来分析和研究光伏发电并网逆变器的设计。

关键词：光伏发电、并网逆变器设计、研究

0引言

在太阳能的利用过程中，光伏组件的成本不断地降低，而且光伏发电的技术也在日益进步和完善，太阳能的利用，即光伏发电模式已经成为了主流，然而并网发电系统又是光伏发电系统的主要发电形式。现如今，我国光伏发电系统在发展过程中仍然存在着一些不足之处，严重地制约了我国光伏发电事业的进步和发展。

对于光伏电池而言，其能量的转换效率比较低，特别是太阳能电池板的光电转换效率，不能很好地利用太阳能；与传统的能源相比，光伏发电由于受到其电池的限制，生产成本相比较高；光伏发电系统还特别容易受到外界环境等因素的影响；在使用光伏并网发电系统的时候，我们要严格地控制并网的电压，尽可能地避免或者减少输出电压并网时对电网所造成的污染和孤岛效应等负面影响。

1逆变器的工作原理（如图所示：）

图中是一个推挽式拓扑逆变电路，当E1驱动脉冲驱动时，Q1导通，使VT3、VT6导通，VT7、VT8截止，此时电路进行正半周波形放大，变压器升压到次级，通过高频整流管整流，当E2脉冲驱动时，Q2导通，驱动VT7、VT8导通。VT3、VT6截止，进得负半周波形放大。经升压变压器升压后，高频整流。（此VT3\6\7\8以推挽方式存在于电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一对导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流.）

2光伏发电系统的最大功率点跟踪技术

光伏电池的电气特性告诉我们，光伏电池最大功率点的位置会随着外界环境条件的改变而发生改变。所以，我们采取光伏发电系统的最大功率点跟踪技术，使光伏电池的输出功率尽量工作在最大的功率点，最大化地利用光伏电池阵列所产生的电能，进一步提高光伏发电系统的利用效率。光伏发电系统的最大功率点跟踪技术的实现方法主要有电导增量法、恒压跟踪法和扰动观察法等。

2.1电导增量法

电导增量法能够正确地判断光伏阵列输出功率的位置是否在最大的功率点处，而且还能够通过对输出端静态值和动态电导值大小的比较来决定光伏阵列输出电压的扰动方向，进而达到光伏发电系统的最大功率点跟踪的目的。

2.2恒压跟踪法

当外界的环境条件发生改变时，光伏电池最大功率点处的输出电压基本上都会在某一个恒定的电压附近徘徊。人们将这个恒定的电压当做最大功率点的电压，来对最大功率点进行追踪，达到简化控制设计的目的。在实际的应用过程中，我们可以通过选用的光伏电池的参数和光伏电池阵列输出的电压值来达到最大功率点的跟踪效果。这一控制方法十分简单，非常容易实现，而且其系统也具有较好的稳定性和可靠性。

2.3扰动观察法

给光伏电池的输出电压增加扰动电压信号，进而比较扰动前后的功率大小是扰动观察法的工作原理。功率值的增加代表扰动方向正确，可以继续朝着同一方向进行扰动；功率值的减小代表扰动方向不正确，这时应该往反方向进行扰动，通过对光伏电池输出电压进行不断地扰动来达到光伏电池阵列的输出功率不断接近最大功率的目的。这种方法在光伏发电系统最大功率点跟踪控制中的应用比较普遍。

3对双闭环的控制策略

当人们将对电压型逆变器的控制作为电压源的时候，一般会采用双闭环的控制策略。光伏发电系统双闭环的控制策略包括内环瞬时值的控制策略和外环平均值的控制策略。

3.1内环瞬时值的控制策略

在对光伏发电系统进行电路控制时，增加瞬时值的控制器，不仅可以减小负载变化过大而造成的系统波动，还可以增加系统的稳定性。

在对内环瞬时值的控制环节中，动态响应的时间过长会导致整个系统的动态响应性能变差，对于这种情况，我们需要提高瞬时值控制器的积分系数来缩短其动态的响应时间。

3.2外环平均值的控制策略

通过使用外环平均值控制器，可以使它的输出精度比较高，在输出波动过大的时候，还可以使光伏发电系统的动态响应性能变快，同时也能减小输出的畸变率。然而，在对外环平均值的控制环节中，动态响应的时间过长也会导致整个系统的动态响应性能变差，对于这种情况，我们同样也需要增加瞬时值控制器的积分系数来缩短其动态的响应时间。

4调制方式

4.1光伏发电系统的调制技术

采样控制的理论告诉我们，在给惯性环节输入冲量相同而形状不相同的窄脉冲时，它们输出的响应状态是一样的，而脉冲越窄时，其输出的响应差别就会越小。然而，当我们将其输出的响应波形进行傅立叶变换时，我们可以看出它们低频段的特性特别类似，而且仅在高频段存在明显的差异，这就是光伏发电系统的调制技术的基本理论基础。

按输出电压的极性，对空间矢量脉宽的控制方法可分成两种，即双极性和单极性调制。其中，在每半个周期内，双极性调制的输出波形都是在正负极性之间跳变；然而与双极性相比，单极性的优点是输出谐波的含量比较少而且易于滤波，其缺点则是能量的损失比较严重，在每半个周期内，单极性调制的输出波形就只能有一个方向。

4.2调制技术的实现方法

三相空间矢量脉宽的变频调制技术的原理不仅简单而且特别实现容易，目前，它是使用最为广泛的变频驱动方法之一。但是，电源利用率不高是其最主要的缺点，其谐波的成分比较大。然而，空间矢量脉宽的变频输出具有电源利用率高、开关次数少、谐波成分小和功率管功耗小等优点。所以，我们主要采用空间矢量脉宽调制技术对其进行设计。

对空间矢量脉宽调制技术所进行的控制，主要是对其开关管的开通、关断的次序以及时间进行的控制。在三相空间矢量脉宽调制的模式中，有实现频率控制和电压控制的两种软件控制方法。

5结束语：

我国的光伏发电已经推广到了，电源系统领域和航海航天通信领域等，但是光伏发电事业的发展仍然受到一些因素的制约，例如成本高等。所以，只有研发和生产具有高效性、安全性、可靠性且低成本的电池，才能从根本上降低光伏发电系统的成本，也才能使光伏发展得到更好地推广和应用。当然，西方发达国家一直都非常重视光伏发电并网技术的研究和发展，也在不断地进行对光伏发电技术的探索和研究。

目前，我国也越来越重视光伏发电事业的进步和发展，因为只有将光伏发电产业和建筑产业结合在一起，才能从侧面降低光伏发电系统的成本，从而推动和促进光伏发电产业的发展。然而，我国的科技发展水平仍然不够发达，因此也导致了我国光伏发电并网技术的落后。我们要对光伏发电系统的并网逆变器的控制电路进行分析和优化，拿出最好光伏发电并网逆变器设计，促进我国光伏发电事业的进步和发展。

参考文献：

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