分布式发电系统光伏并网逆变器技术研究

分布式发电系统光伏并网逆变器技术研究

陆海君1孙伟祥2徐加炜3何文泰4程建彬1

1、衢州骄阳新能源科技有限公司 浙江 衢州 324000

2、浙江富乐德石英科技有限公司  浙江 衢州 324000

3、衢州三源汇能电子科技有限公司  浙江 衢州 324000

4、浙江雪村制冷设备有限公司  浙江 衢州 324000

摘要：随着全球能源短缺和环境污染问题的日益突出，分布式光伏发电系统因其清洁、高效、灵活等优势而受到广泛关注。作为分布式光伏发电系统的核心设备之一，光伏并网逆变器的性能直接影响着系统的发电效率和并网质量。本文在分析光伏并网逆变器技术研究现状的基础上，重点讨论了其在实际应用中存在的问题，并从拓扑结构优化、控制策略改进、岛状保护等方面提出了相应的对策建议，以期为分布式光伏发电系统的进一步发展提供参考。

关键词：分布式发电；光伏发电；并网逆变器；拓扑结构；控制策略；岛状保护

引言：能源短缺和环境污染是当今世界面临的两大挑战。发展可再生能源，建设清洁低碳的能源体系，已成为全球能源转型的主流趋势。在各类可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭的特点，备受世界各国的青睐。分布式光伏发电系统因其安装灵活、就近利用、节约输电成本等优势，在太阳能开发利用中扮演着越来越重要的角色。而作为分布式光伏发电系统的核心设备之一，光伏并网逆变器直接决定着系统的发电效率、电能质量和并网稳定性。深入开展光伏并网逆变器技术的研究，对于推动分布式光伏发电系统的高质量发展具有重要意义。

一、光伏并网逆变器技术研究的重要意义

（一）提高光伏发电系统的转换效率

光伏并网逆变器是连接光伏阵列和电网的重要桥梁，其性能直接影响着光伏发电系统的整体效率。通过优化逆变器的拓扑结构，改进控制算法，可以最大限度地提取光伏阵列的输出功率，减少逆变损耗，从而提高光伏发电系统的转换效率。这不仅可以增加光伏电站的发电量，还能降低度电成本，提高光伏发电的经济性[1]。

（二）改善光伏并网电能质量

光伏并网逆变器的输出特性直接决定着并网电能的质量。由于光照强度和温度的波动，光伏阵列的输出功率具有间歇性和随机性，给逆变器的控制带来了挑战。并网逆变器需要在保证稳定运行的同时，输出高质量的交流电，避免对电网造成污染。先进的并网控制技术可以有效抑制谐波、提高功率因数，确保光伏电站输出符合并网标准，维护电网的安全稳定运行[2]。

（三）保障分布式光伏发电系统的可靠运行

作为分布式光伏发电系统的"大脑"和"心脏"，光伏并网逆变器的可靠性直接关系到整个系统的运行安全。逆变器需要具备完善的故障诊断和保护功能，快速切断故障电流，防止故障扩大化。同时，还要有效抵御电网侧的各种扰动，确保在电网故障、孤岛运行等极端工况下，依然能够安全、可靠地运行。科学合理的电路设计和严格的生产工艺，是保障光伏并网逆变器长期稳定运行的关键所在[3]。

 光伏逆变器，是专用于太阳能光伏发电领域的逆变器，是光伏系统中不可缺少的核心部件，其最大的作用在于将太阳能电池产生的直流电通过电力电子变换技术转换为能够直接并入电网、负载的交流能量。并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，其一般可分为光伏并网逆变器、风力发电并网逆变器、动力设备并网逆变器和其他发电设备并网逆变器。光伏并网发电系统示意图如图1所示。

图1 光伏并网发电系统示意图

为了实现最佳方式的太阳能转换，这势必要求逆变器多样化，这是由于建筑的多样性导致太阳能电池板安装的多样性，同时为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观的缘故。目前通用的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变。

二、光伏并网逆变器技术在应用中存在的问题

（一）逆变拓扑结构有待优化

目前，常见的光伏并网逆变器拓扑结构主要包括电压源逆变器和电流源逆变器两大类。电压源逆变器因其控制灵活、输出电压质量高等优点，在低压并网领域得到了广泛应用。但电压源逆变器通常需要较大的输入电容，存在直流侧电压利用率低的问题。而电流源逆变器虽然可以获得更高的电压增益，但开关器件的电流应力大，难以实现高效率运行。因此，需要进一步优化逆变器的拓扑结构，在提高电压利用率的同时，降低开关损耗，实现逆变器的高效率、高可靠运行[4]。

（二）控制策略还需改进

光伏并网逆变器的控制策略直接影响着系统的动态响应特性和稳态性能。传统的控制方法如电压、电流双闭环控制等，存在控制精度不高、动态响应慢等缺陷，难以适应光伏发电系统的高性能要求。一些新型控制策略如滑模变结构控制、模糊自适应控制等虽然可以改善系统的动态性能，但其鲁棒性和稳定性还有待进一步验证。因此，亟需结合光伏发电系统的特点，开发适用于不同工况的先进控制算法，在保证系统稳定运行的同时，提高控制的快速性和精确性。

（三）孤岛保护有待加强

孤岛效应是光伏并网发电系统面临的一个重要问题。当电网发生故障或停电维修时，如果光伏逆变器没有及时切断与电网的连接，就会继续向本地负载供电，形成"孤岛"。孤岛的存在不仅威胁检修人员的人身安全，还可能损坏用户的电气设备。目前常用的孤岛保护方法如无功功率扰动法、频率偏移法等，在检测速度、可靠性方面还存在不足，特别是在多逆变器并联运行时，易发生保护失效或误动作。因此，需要进一步完善孤岛保护策略，提高孤岛检测的灵敏度和可靠性，确保系统的安全稳定运行。

（四）电磁兼容问题日益突出

随着光伏并网逆变器容量和数量的不断增加，其产生的电磁干扰问题日益突出。逆变器开关频率高、di/dt大，极易产生高频噪声和谐波，对电网和其他设备产生电磁干扰。而光伏发电系统又常建于居民区或工业园区附近，对电磁兼容的要求更高。如何在保证逆变器性能的同时，最大限度地抑制电磁干扰，是一个亟待解决的难题。这需要从电路拓扑、器件选型、布线布局等多个方面进行优化设计，提高逆变器的电磁兼容性，减小对周围环境的影响。

三、光伏并网逆变器技术的发展对策

（一）优化逆变器拓扑结构

针对现有光伏并网逆变器拓扑结构存在的不足，需要从多个层面入手进行优化改进，以进一步提高逆变器的转换效率、功率密度和输出电能质量。首先，可以在传统的电压源逆变器基础上，引入升压或升降压电路，提高直流侧的电压利用率。常见的措施包括增加一个升压环节，或采用极点钳位调制策略等，有效提升直流侧电压的利用效率。其次，引入软开关技术是降低逆变器开关损耗、提高效率的重要手段。通过对开关管的驱动电路和辅助电路进行优化设计，实现开关器件在零电压或零电流条件下导通或关断，可大幅降低开关损耗，提升整机效率。最后，发展多电平拓扑也是改善输出电能质量的有效路径。多电平逆变器可以输出类似于正弦波的阶梯波电压，使输出电压畸变率明显降低，大幅改善输出电能质量，减小对电网的污染。同时多电平结构还能降低开关器件的电压应力，提高系统可靠性。

（二）加强先进控制技术的研究和应用

为了提高光伏并网逆变器的动态响应特性和控制精度，需要加强先进控制技术的研究和应用。一方面，可以借鉴现代控制理论，开发非线性控制、鲁棒控制、智能控制等新型控制策略，提高系统的动态性能和适应能力；另一方面，可以充分利用数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等先进控制器件，实现控制算法的高速运算和实时响应。同时，还要加强对新型控制方法的仿真验证和实验研究，全面评估其性能和可靠性，为工程应用奠定基础。

（三）完善光伏并网保护技术

为了保障分布式光伏发电系统的安全稳定运行，必须进一步完善并网保护技术。首先，要加强孤岛效应的研究，开发更加可靠、高效的孤岛检测方法。可以在传统方法的基础上，引入人工智能算法，提高孤岛检测的速度和准确性。其次，要完善光伏逆变器的故障诊断和保护功能，实现对短路、过压、过载等各类故障的快速响应和隔离。再次，要建立健全光伏电站的安全防护体系，加强对关键设备的监测和维护，定期开展安全性评估和预防性试验，及时发现和消除各类隐患。

（四）加强电磁兼容设计

针对光伏并网逆变器的电磁兼容问题，可采取以下对策：一是优化逆变器的拓扑结构和布线布局，减小电流环路面积，降低共模干扰；二是选用高速开关器件，降低开关频率，减少高频谐波的产生；三是在逆变器输入输出端配置EMI滤波器，抑制传导干扰和辐射干扰；四是加强PCB板的屏蔽和接地设计，合理布置地线和电源线，降低系统的耦合干扰。同时，还要加强光伏逆变器的电磁兼容测试，严格按照相关标准进行认证试验，确保其电磁兼容性满足要求。只有全面加强电磁兼容设计，才能确保光伏并网逆变器在复杂的电磁环境下稳定可靠地运行。

表1 光伏并网逆变器电磁兼容设计的主要措施

上表总结了光伏并网逆变器电磁兼容设计需要关注的主要环节和措施。只有在器件、电路、结构、工艺等各个层面，全面加强电磁兼容设计，才能从根本上解决光伏逆变器的电磁干扰问题，使其能够长期稳定地运行于复杂的电磁环境之中。

结语

光伏并网逆变器是分布式光伏发电系统的核心设备，其技术水平的高低直接决定着系统的发电效率、并网质量和运行可靠性。当前，我国光伏并网逆变器技术虽然取得了长足进步，但在效率、功率密度、电能质量等方面与国际先进水平仍有一定差距。随着新能源发展战略的深入实施，分布式光伏发电系统将迎来更大规模的推广应用，对光伏并网逆变器技术也提出了更高的要求。只有持续加大研发投入，不断攻克关键技术难题，才能推动我国光伏并网逆变器技术实现跨越式发展。

参考文献：

[1]冯媛媛.分布式光伏并网发电系统控制技术研究[J].电力设备管理,2024(2):95-97.

[2]丁如春,汪志鹏,谢光伟,徐梓慷,明瑶丽,龚思倩.自动并网分布式光伏逆变器研究[J].仪表技术,2024(1):39-43.

[3]曹文君,张岩,张安彬,王华佳,孙媛媛.弱电网条件下分布式光伏并网系统谐振机理及影响特性[J].电力建设,2024,45(3):149-159.

[4]张西宇.屋顶分布式光伏发电技术应用研究[J].通讯世界,2024,31(1):82-84.