本文摘要：摘要：本文使用微型逆變器對(duì)太陽能系統(tǒng)優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨(dú)立的微逆變器，提高單個(gè)面板的太陽能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求;對(duì)傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，研究了微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù);對(duì)比了各種可能采用的硬件拓?fù)浣Y(jié)
摘要：本文使用微型逆變器對(duì)太陽能系統(tǒng)優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨(dú)立的微逆變器，提高單個(gè)面板的太陽能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求;對(duì)傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，研究了微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù);對(duì)比了各種可能采用的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)微逆變器的體積小、效率高、成本低的性能特點(diǎn)對(duì)光伏電池和微逆變器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。最后給出實(shí)驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)并得出相關(guān)結(jié)論。
關(guān)鍵詞：微逆變器;關(guān)鍵性技術(shù);并網(wǎng)電流控制;微逆變器的拓?fù)?孤島檢測(cè)技術(shù)
0引言
進(jìn)入新世紀(jì)隨著全球人口的不斷增多，經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)與發(fā)展對(duì)能源需求不斷擴(kuò)大，全球自然資源逐漸枯竭，導(dǎo)致傳統(tǒng)能源價(jià)格持續(xù)走高，這拖累了全球的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)并帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯漲隱憂。光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心組成部分，這決定了國(guó)內(nèi)外逆變器廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)必定會(huì)異常激烈和殘酷。而微逆變器相對(duì)于傳統(tǒng)逆變器具有逆輸入電壓低而輸出電壓高和功率小的特點(diǎn)，為了使產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力，微逆變器在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮高變換效率、高可靠性、壽命長(zhǎng)、體積小和成本低等性能特點(diǎn)。
美國(guó)和日本憑借其在電路設(shè)計(jì)、電氣和自動(dòng)控制領(lǐng)域的超強(qiáng)實(shí)力，依靠雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)和先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)行業(yè)也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力;國(guó)內(nèi)企業(yè)雖然在小容量逆變器技術(shù)方面基本能和國(guó)外持平，但是在大容量逆變器，尤其在大容量并網(wǎng)型逆變器的技術(shù)水平與國(guó)外仍有較大的差距，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的可靠性、效率、加工工藝、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)等方面。
本文使用微型逆變器對(duì)太陽能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨(dú)立的微逆變器，提高了單個(gè)面板的太陽能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也可以滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求。對(duì)傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，研究了微逆變器的關(guān)鍵性技術(shù)。對(duì)比了各種可能采用的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)微逆變器的體積小、效率高、成本低的性能特點(diǎn)，對(duì)光伏電池和微逆變器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。
1微逆變器系統(tǒng)及關(guān)鍵性技術(shù)
轉(zhuǎn)變電源的可變直流電壓輸入成為無干擾的交流正弦波輸出是逆變器的主要功能，既可供電給相應(yīng)設(shè)備，也可反饋給電網(wǎng)。逆變器除轉(zhuǎn)換交直流電壓外，還能執(zhí)行如：斷開電路，避免電流突波損壞電路。此外，還有追蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)以及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、控制蓄電池充放電等功能，這些都有助于發(fā)電效率的提高。
1.1微逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
1.1.1傳統(tǒng)逆變器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)獲得足夠高的輸出功率與直流電壓通常將多塊光伏電池進(jìn)行串并聯(lián)，再利用一個(gè)集中型的并網(wǎng)逆變器將能量饋入電網(wǎng)。
1.1.2微逆變器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
為克服以上缺陷，近年來發(fā)展出基于微型逆變器的光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
1.2微逆變器的優(yōu)勢(shì)
微逆變器與傳統(tǒng)的大功率集中式逆變器相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：1)保證每個(gè)光伏組件最大功率點(diǎn)運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用中諸如出現(xiàn)云霧變化、陰影遮擋、光伏組件老化、污垢積累等內(nèi)外部條件變化時(shí)，使用微逆變器發(fā)電總量可以提高多達(dá)25%。2)傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)中太陽能電池板不必串聯(lián)二極管，光伏組件串并聯(lián)而產(chǎn)生的組件間功率損耗得到消除。3)微逆變器較小功率承載保證其產(chǎn)品可靠性更高，而傳統(tǒng)的集中型逆變器僅有5年的運(yùn)行壽命。
4)系統(tǒng)具有高冗余度，單個(gè)模塊失效不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。一臺(tái)微型逆變器的故障，不會(huì)對(duì)其他發(fā)電單元產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的影響非常小。5)光伏電池與微逆變器作為一個(gè)整體，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用難度得到降低，具有擴(kuò)展方便、即插即用、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，易推廣于民用市場(chǎng)上。6)安裝非常方便，接線簡(jiǎn)單，大大降低了安裝、維護(hù)的時(shí)間和成本。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，微逆變器現(xiàn)今己成為光伏產(chǎn)業(yè)中的重點(diǎn)，并被認(rèn)為是未來光伏應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)形式之一。本課題正是基于這樣的背景，深入分析與研究了目前微逆變器存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，以提供效率高、成本低和使用壽命長(zhǎng)的微逆變器解決方案，為微逆變器光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。
1.3太陽能微逆變器的關(guān)鍵技術(shù)綜述
1.3.1最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)
可用簡(jiǎn)單的PN結(jié)來說明利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的太陽能電池的基本特性，由PN結(jié)反向電流與光照產(chǎn)生的電流方向相同。為了描述電池的工作狀態(tài)，常用一個(gè)等效電路來模擬電池及負(fù)載系統(tǒng)。在恒定光照下，一個(gè)正在工作的太陽能電池，其光電流與工作狀態(tài)無關(guān)，在等效電路中可當(dāng)作恒流源。實(shí)際系統(tǒng)中的太陽能電池的參數(shù)是分布參數(shù)，但在工程應(yīng)用中仍作為集中參數(shù)來處理。
太陽能電池輸出電流和輸出電壓在確定的日照強(qiáng)度和溫度條件下的關(guān)系是太陽能電池的I-V特性。I-V特性曲線表明：太陽能電池既非恒流源，也非恒壓源，它是一種非線性直流電源。不可能提供任意大的功率給負(fù)載，在大部分工作電壓范圍內(nèi)其輸出電流相對(duì)恒定，最終電流在大于某一個(gè)電壓之后，迅速下降到零。每條曲線在不同光照條件下都存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，這個(gè)功率點(diǎn)與電池輸出電壓唯一對(duì)應(yīng)。因此，一般通過調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓使其趨近最大功率點(diǎn)時(shí)的輸出電壓方法跟蹤最大功率點(diǎn)。
電池結(jié)溫和日照強(qiáng)度等因素影響太陽能電池的輸出特性。在其它條件確定時(shí)，短路電流Isc幾乎與日照強(qiáng)度成正比的增加，而隨著日照強(qiáng)度的增大太陽能電池的開路電壓Voc略微增加，呈對(duì)數(shù)關(guān)系。太陽能電池的輸出功率隨著日照強(qiáng)度的降低而下降。另外，當(dāng)其它條件確定時(shí)，太陽能電池開路電壓Voc隨電池結(jié)溫上升會(huì)下降，短路電流Isc則輕微增大�？傮w上，太陽能電池的輸出功率隨電池結(jié)溫升高會(huì)下降，而日照強(qiáng)度和周圍環(huán)境溫度影響太陽能電池結(jié)溫。
1.3.2并網(wǎng)電流控制技術(shù)
在光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)電流控制方面，現(xiàn)有的控制方法有雙環(huán)控制、滯環(huán)控制、無差拍控制、空間矢量PWM控制(SVPWM)、峰值電流控制和重復(fù)控制等。雙環(huán)控制采用電流、電壓環(huán)控制來穩(wěn)定直流電壓和調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的幅值，雙環(huán)控制易于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有固定的開關(guān)頻率，但在開關(guān)頻率不夠高的情況下，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢，并且電流動(dòng)態(tài)偏差隨著電流變化率的變化作相應(yīng)的變化。
1.3.3孤島檢測(cè)技術(shù)
孤島效應(yīng)是指當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)因故障事故或停電維修等原因而停止工作時(shí)，安裝在各個(gè)用戶端的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)而迅速自身切離市電網(wǎng)絡(luò)。因此，形成了一個(gè)由光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向周圍負(fù)載供電的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島現(xiàn)象。
孤島效應(yīng)是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特有的現(xiàn)象，具有相當(dāng)大的危害性，不僅會(huì)危害到整個(gè)配電系統(tǒng)及用戶端的設(shè)備，更嚴(yán)重的是會(huì)威脅輸電線路維修人員的生命安全。反孤島效應(yīng)的關(guān)鍵在于電網(wǎng)斷電的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間越短越好，應(yīng)滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.2000-929[131]和IEEEStd.2003-1547[132]。
我國(guó)于2004年3月份，由國(guó)家科技部能源研究所制定的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)要求中對(duì)反孤島效應(yīng)也有了詳細(xì)的規(guī)定，光伏系統(tǒng)除設(shè)置過/欠壓保護(hù)、過/欠頻保護(hù)作為防孤島效應(yīng)后備保護(hù)外，還應(yīng)該設(shè)置至少各一種主動(dòng)和被動(dòng)方式防孤島效應(yīng)保護(hù)，并且防孤島效應(yīng)保護(hù)應(yīng)該在電網(wǎng)斷電后0.5s～1s內(nèi)動(dòng)作將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開。反孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)在并網(wǎng)逆變器側(cè)主要分為主動(dòng)式檢測(cè)和被動(dòng)式檢測(cè)兩種方式。
2微逆變器拓?fù)溲芯?/p>
2.1微逆變器拓?fù)涓攀?/p>
微型逆變器是把PV側(cè)的低壓直流電升壓，再通過逆變并入到工頻電網(wǎng)中，故所選的拓?fù)浔仨毦哂猩龎汗δ堋Ｒ话銌蜗嗖⒕W(wǎng)逆變器均采用前級(jí)DC-DC，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，后級(jí)DC-AC實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，而DC-DC和DC-AC兩級(jí)都是通過控制開關(guān)管的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)MPPT算法、并網(wǎng)控制，以及過電壓、孤島等保護(hù)功能，而輔助電源是為控制系統(tǒng)以及各反饋采樣環(huán)路供電。
從微型逆變器的拓?fù)浼?jí)數(shù)來分，主要分成兩種，一種是DC-DC再加上DC-AC兩級(jí)結(jié)構(gòu)，還有一種是DC-DC再加一級(jí)周波變換器。兩級(jí)式微型逆變器是由前級(jí)控制最大功率跟蹤，后級(jí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制。傳統(tǒng)的集中式并網(wǎng)逆變器常常采用電流閉環(huán)控制使并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。由于DC-DC和DC-AC可以分開各自控制，使得前后級(jí)之間的耦合程度比較低，完全可以分開設(shè)計(jì)。
因此，控制環(huán)路反饋環(huán)路設(shè)計(jì)較單級(jí)式逆變顯得容易得多，但兩級(jí)式逆變器由于經(jīng)過兩級(jí)功率轉(zhuǎn)換，勢(shì)必影響整體效率，假如每級(jí)效率90%的話，從PV輸入經(jīng)過兩級(jí)到并網(wǎng)側(cè)，效率僅為81%，這是高效率微型逆變器所不能容忍的。單級(jí)逆變器前級(jí)DC-DC實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤，并網(wǎng)電流閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，顯得控制復(fù)雜，但隨著數(shù)字化芯片的飛速發(fā)展，使得單級(jí)式逆變器容易實(shí)現(xiàn)，而且又不影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體效率。單級(jí)式逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本，而且只有一級(jí)功率變換，減少了功率損耗，降低了整個(gè)微型逆變系統(tǒng)的造價(jià)，而且經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單級(jí)式逆變穩(wěn)定可靠。
2.2反激逆變器工作原理
在DC-DC各類電路拓?fù)渲�，反激變換器一般都工作在小功率應(yīng)用場(chǎng)合，在高頻開關(guān)電源中，反激變換器能實(shí)現(xiàn)電氣隔離、能量傳遞儲(chǔ)存升降壓功能，在小功率電源中應(yīng)用十分廣泛。由于兩級(jí)式拓?fù)湓诠β式怦钸^程中直流母線電壓不穩(wěn)，容易造成逆變器不能工作，且對(duì)控制芯片的要求較高，采用SPWM調(diào)制方式的電壓型并網(wǎng)逆變器通常采用兩級(jí)功率變換，開關(guān)管又工作在高頻狀態(tài)，均增加了開關(guān)損耗。
本文采用的反激式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)用來實(shí)現(xiàn)功率變換，后級(jí)工頻逆變，只有導(dǎo)通損耗，單級(jí)功率變換不僅降低了成本，而且又提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，非常適合用于要求價(jià)格低廉且性能優(yōu)越的光伏并網(wǎng)微型逆變器。
3結(jié)論
太陽能當(dāng)之無愧為世界上最清潔的能源，取之不盡、用之不竭，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)能源的需求，以及能源的緊缺和環(huán)境的惡化，光伏發(fā)電必將成為一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)，而如何高效地利用太陽能，這與光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置——微逆變器的技術(shù)有著重要的關(guān)系，而由于太陽能分別分散的特點(diǎn)，微逆變器的研究將成為研究重點(diǎn)。本文主要分析和對(duì)比了光伏并網(wǎng)微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用微型逆變器優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為每面板配塊太陽能備單獨(dú)的微型逆變器使得系統(tǒng)可以適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷和天氣條件，從而能夠?yàn)閱螇K面板和整個(gè)系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率。
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電力論文投稿刊物：《上海電氣技術(shù)》來稿要求題材新穎、內(nèi)容真實(shí)、論點(diǎn)明確、層次清楚、數(shù)據(jù)可靠、文句通順。文章一般不超過5000字。投稿請(qǐng)寄1份打印稿，同時(shí)推薦大家通過電子郵件形式投稿。
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