小功率光伏并网逆变器的研究

小功率光伏并网逆变器的研究

随着科技的发展，太阳能发电成为研究热点，其并网逆变器的研究就具有重大意义。文章研究了小功率光伏系统并网逆变器，阐述了并网逆变器的设计以及并网电流的控制策略。

标签：太阳能；光伏并网；逆变器

前言

太阳能是一种清洁高效新能源，且其利用关系到能源可持续发展战略的推进，它的开发已经引起了社会各界的广泛关注。并网发电是太阳能规模化发电的必然方向，逆变器是光伏并网发电系统的核心部件。太阳能利用和发展促进光伏并网系统的發展，促使太陽能发电并网供电。

1 光伏并网逆变器

1.1 逆变器的原理

逆变器是光伏并网系统的重要环节，实现了光伏电池输出的直流电到三相交流电的转化，且满足交流电能与连接的电网电压同频同相。逆变器输出交流电的调节与其控制有关，光伏系统的并网需要保证并网电流的相位与连接电网的电压同步，且通过控制并网电流实现系统有功和无功输出的调节。

1.2 光伏并网逆变器的分类及拓扑结构

光伏并网系统使用的逆变器多种多样，其拓扑结构主要是全桥结构。并网逆变器根据设计选用隔离变压器，可分为低频环节并网逆变及高频环节并网逆变。

（1）低频环节并网逆变器

由于科技发展的，我国早期使用的逆变器为低频环节并网逆变器。其拥有多种使用优点，结构简单，高工作效率，且运行易控制。但高成本、低集成化、及大噪声其的使用。其电路结构见图1。

（2）高频环节并网逆变技术

高频环节并网逆变器的研发推进了逆变器的发展，高频变压器的采用实现了系统可靠隔离，变比调节电压增益实现了最大功率的优化跟踪，且满足系统直流电的变化范围。其实现了逆变电路的高度集成，电路结构见图2。

2 控制器控制策略与分析

光伏发电系统并网使用的逆变器控制中心环节包括电流和功率的监测控制。其输出电流主要通过采用各种优化控制策略，以跟踪控制给定的电流，文章采用PWM电流优化控制方法。逆变器的功率跟踪控制则通过跟踪最大功率点实现。

2.1 最大功率跟踪MPPT

当前光伏发电系统广泛采用最大功率点跟踪作为系统功率点控制方式，且实践证明系统运行稳定，功率跟踪效果好。光伏电池是一种非线性元件，因此光伏阵列的输出特性也是非线性的，且电池输出易受环境影响，如周围温度及光照强度。理论分析光伏电池可以在不同的输出电压下可靠工作，但其只在某一输出电压下出现，光伏电池处于最大输出功率的工作点就是光伏电源系统的最大功率点。电池实际运行中跟踪最大功率点（MPPT）是十分必要的，其不仅有助于发挥光伏电池的效能，也提高光伏并网系统的整体运行效率。MPPT控制实质是通过一定优化控制算法实时检测光伏系统的输出功率，以实现最大功率工作点实时跟踪，达到最大功率输出效果。

2.2 并网控制

目前，逆变器交流输出的控制方法可分为：电压控制方法和电流控制方法。电流控制可以同时保证系统的响应速度和稳定性要求，按输出电流的控制方式分类可以分为：

（1）电流滞环跟踪方式

电流跟踪控制器的PWM逆变器中最常用的为电流滞环跟踪控制方式。电流滞环跟踪比较方式实时控制，响应较快，无需斩波，输出的电压不含特定频率的谐波。

（2）定时控制的电流滞环跟踪方式

定时控制的电流滞环跟踪方式可以有效的避免电力电子开关器件的开关频率过高，其缺点为补偿电流跟随的误差是不固定的。

（3）实时电流的三角波比较方式

实时电流的三角波比较方式跟随电流误差较大，输出的电压中含有谐波，并且放大器增益受限，电流响应相对于电流滞环跟踪控制较慢。

目前普遍选用电流滞环跟踪方式对DC/AC逆变器进行控制，因为这种控制硬件电路简单，而却属实时控制方式，电流响应快，并且不需要利用载波，所以输出的电压波形中不含特定频率的谐波分量，稳定性也较好。

3 孤岛效应的检测及控制

分布式电源系统普遍存在孤岛效应问题，光伏发电项目同样如此。孤岛效应是指供电网络正常供电时突然发生故障事故或需要停电维修，系统自动跳闸，且各分布式并网电源未能即时监测到停电状态及做出措施而导致电源脱离市电网络而自身运行，最终形成由其向周围小区域的负载供电的状态，这就是分布式电源摆脱电力公司掌控而形成自给孤岛供电。从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器，由此引出了对于孤岛效应进行检测控制的研究。

基于有功功率扰动的反孤岛控制策略，实现了逆变器输出电流的周期性控制，且在电网系统故障停电时检测功率的不平衡，检测系统超出过/欠电压保护阈值，从而检测出光伏系统的孤岛效应。

4 仿真实验

利用了MATLAB2010中simlink的SimPower Systems功能模块建立了电压型光伏并网系统逆变器及其控制的仿真模型，完成额定功率2kW的光伏并网实验装置。系统的输入电压范围为100-300V，输出功率约为1.5kW，交流电频率为50Hz。小功率光伏并网的电流与连接电网的电压同相同频，系统的运行功率因数为0.95。

5 结束语

文章研究了小功率光伏并网逆变器。介绍了光伏并网逆变器的原理和分类，且系统运行时设计采用最大功率跟踪控制及反孤岛效应的控制实现。利用MATLAB仿真了小功率光伏并网逆变器的运行情况，显示研究系统具有较好的动态响应及并网效率。实验证明该设计系统具备良好的运行性能，且系统运行稳定可靠。

参考文献

[1]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].机械工业出版社，2010.

[2]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].化学工业出版社，2009，9.

[3]曹太强，许建平，祁强，等.单相光伏并网逆变器控制技术[J].电力系统自动化，2012，35（5）：133-136.