本文摘要：摘要：本文使用微型逆變器對太陽能系統(tǒng)優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨立的微逆變器，提高單個面板的太陽能轉換效率，同時也滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求;對傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點進行了對比，研究了微逆變器的關鍵性技術;對比了各種可能采用的硬件拓撲結
摘要：本文使用微型逆變器對太陽能系統(tǒng)優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨立的微逆變器，提高單個面板的太陽能轉換效率，同時也滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求;對傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點進行了對比，研究了微逆變器的關鍵性技術;對比了各種可能采用的硬件拓撲結構，根據微逆變器的體積小、效率高、成本低的性能特點對光伏電池和微逆變器系統(tǒng)進行數學建模和仿真，驗證設計的正確性。最后給出實驗波形及數據并得出相關結論。
關鍵詞：微逆變器;關鍵性技術;并網電流控制;微逆變器的拓撲;孤島檢測技術
0引言
進入新世紀隨著全球人口的不斷增多，經濟的增長與發(fā)展對能源需求不斷擴大，全球自然資源逐漸枯竭，導致傳統(tǒng)能源價格持續(xù)走高，這拖累了全球的經濟增長并帶來了嚴重的經濟發(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，這決定了國內外逆變器廠商之間的競爭必定會異常激烈和殘酷。而微逆變器相對于傳統(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，為了使產品在市場上更具競爭力，微逆變器在設計時需要充分考慮高變換效率、高可靠性、壽命長、體積小和成本低等性能特點。
美國和日本憑借其在電路設計、電氣和自動控制領域的超強實力，依靠雄厚的工業(yè)基礎和先進的半導體技術，在光伏發(fā)電系統(tǒng)行業(yè)也具有很強的競爭力;國內企業(yè)雖然在小容量逆變器技術方面基本能和國外持平，但是在大容量逆變器，尤其在大容量并網型逆變器的技術水平與國外仍有較大的差距，主要體現在系統(tǒng)的可靠性、效率、加工工藝、標準化和模塊化設計等方面。
本文使用微型逆變器對太陽能系統(tǒng)進行優(yōu)化，給太陽能面板配備了獨立的微逆變器，提高了單個面板的太陽能轉換效率，同時也可以滿足不同天氣和其他環(huán)境的要求。對傳統(tǒng)逆變器和微逆變器的特點進行了對比，研究了微逆變器的關鍵性技術。對比了各種可能采用的硬件拓撲結構，根據微逆變器的體積小、效率高、成本低的性能特點，對光伏電池和微逆變器系統(tǒng)進行數學建模和仿真，驗證設計的正確性。
1微逆變器系統(tǒng)及關鍵性技術
轉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，既可供電給相應設備，也可反饋給電網。逆變器除轉換交直流電壓外，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(MPPT)以及儲存數據、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)的結構與特點
1.1.1傳統(tǒng)逆變器結構及特點
傳統(tǒng)的光伏并網發(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行串并聯，再利用一個集中型的并網逆變器將能量饋入電網。
1.1.2微逆變器結構及特點
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結構。
1.2微逆變器的優(yōu)勢
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：1)保證每個光伏組件最大功率點運行，實際應用中諸如出現云霧變化、陰影遮擋、光伏組件老化、污垢積累等內外部條件變化時，使用微逆變器發(fā)電總量可以提高多達25%。2)傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)中太陽能電池板不必串聯二極管，光伏組件串并聯而產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品可靠性更高，而傳統(tǒng)的集中型逆變器僅有5年的運行壽命。
4)系統(tǒng)具有高冗余度，單個模塊失效不會影響整個系統(tǒng)。一臺微型逆變器的故障，不會對其他發(fā)電單元產生影響，產生的影響非常小。5)光伏電池與微逆變器作為一個整體，使光伏并網系統(tǒng)的應用難度得到降低，具有擴展方便、即插即用、靈活度高等優(yōu)點，易推廣于民用市場上。6)安裝非常方便，接線簡單，大大降低了安裝、維護的時間和成本。
基于以上優(yōu)點，微逆變器現今己成為光伏產業(yè)中的重點，并被認為是未來光伏應用的主要結構形式之一。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鍵技術問題，以提供效率高、成本低和使用壽命長的微逆變器解決方案，為微逆變器光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的市場化提供理論依據和實踐參考。
1.3太陽能微逆變器的關鍵技術綜述
1.3.1最大功率點跟蹤技術
可用簡單的PN結來說明利用半導體材料的光伏效應制成的太陽能電池的基本特性，由PN結反向電流與光照產生的電流方向相同。為了描述電池的工作狀態(tài)，常用一個等效電路來模擬電池及負載系統(tǒng)。在恒定光照下，一個正在工作的太陽能電池，其光電流與工作狀態(tài)無關，在等效電路中可當作恒流源。實際系統(tǒng)中的太陽能電池的參數是分布參數，但在工程應用中仍作為集中參數來處理。
太陽能電池輸出電流和輸出電壓在確定的日照強度和溫度條件下的關系是太陽能電池的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載，在大部分工作電壓范圍內其輸出電流相對恒定，最終電流在大于某一個電壓之后，迅速下降到零。每條曲線在不同光照條件下都存在一個最大功率點，這個功率點與電池輸出電壓唯一對應。因此，一般通過調節(jié)光伏電池的輸出電壓使其趨近最大功率點時的輸出電壓方法跟蹤最大功率點。
電池結溫和日照強度等因素影響太陽能電池的輸出特性。在其它條件確定時，短路電流Isc幾乎與日照強度成正比的增加，而隨著日照強度的增大太陽能電池的開路電壓Voc略微增加，呈對數關系。太陽能電池的輸出功率隨著日照強度的降低而下降。另外，當其它條件確定時，太陽能電池開路電壓Voc隨電池結溫上升會下降，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溫升高會下降，而日照強度和周圍環(huán)境溫度影響太陽能電池結溫。
1.3.2并網電流控制技術
在光伏系統(tǒng)的并網電流控制方面，現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)定直流電壓和調節(jié)并網電流的幅值，雙環(huán)控制易于系統(tǒng)的設計，具有固定的開關頻率，但在開關頻率不夠高的情況下，電流動態(tài)響應相對較慢，并且電流動態(tài)偏差隨著電流變化率的變化作相應的變化。
1.3.3孤島檢測技術
孤島效應是指當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，安裝在各個用戶端的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)未能及時檢測出停電狀態(tài)而迅速自身切離市電網絡。因此，形成了一個由光伏并網發(fā)電系統(tǒng)向周圍負載供電的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島現象。
孤島效應是并網發(fā)電系統(tǒng)特有的現象，具有相當大的危害性，不僅會危害到整個配電系統(tǒng)及用戶端的設備，更嚴重的是會威脅輸電線路維修人員的生命安全。反孤島效應的關鍵在于電網斷電的檢測，檢測時間越短越好，應滿足國際標準IEEEStd.2000-929[131]和IEEEStd.2003-1547[132]。
我國于2004年3月份，由國家科技部能源研究所制定的光伏發(fā)電并網系統(tǒng)的技術要求中對反孤島效應也有了詳細的規(guī)定，光伏系統(tǒng)除設置過/欠壓保護、過/欠頻保護作為防孤島效應后備保護外，還應該設置至少各一種主動和被動方式防孤島效應保護，并且防孤島效應保護應該在電網斷電后0.5s～1s內動作將光伏系統(tǒng)與電網斷開。反孤島效應檢測技術在并網逆變器側主要分為主動式檢測和被動式檢測兩種方式。
2微逆變器拓撲研究
2.1微逆變器拓撲概述
微型逆變器是把PV側的低壓直流電升壓，再通過逆變并入到工頻電網中，故所選的拓撲必須具有升壓功能。一般單相并網逆變器均采用前級DC-DC，實現最大功率跟蹤，后級DC-AC實現逆變并網，而DC-DC和DC-AC兩級都是通過控制開關管的關斷來實現MPPT算法、并網控制，以及過電壓、孤島等保護功能，而輔助電源是為控制系統(tǒng)以及各反饋采樣環(huán)路供電。
從微型逆變器的拓撲級數來分，主要分成兩種，一種是DC-DC再加上DC-AC兩級結構，還有一種是DC-DC再加一級周波變換器。兩級式微型逆變器是由前級控制最大功率跟蹤，后級實現并網電流控制。傳統(tǒng)的集中式并網逆變器常常采用電流閉環(huán)控制使并網電流與電網電壓同頻同相。由于DC-DC和DC-AC可以分開各自控制，使得前后級之間的耦合程度比較低，完全可以分開設計。
因此，控制環(huán)路反饋環(huán)路設計較單級式逆變顯得容易得多，但兩級式逆變器由于經過兩級功率轉換，勢必影響整體效率，假如每級效率90%的話，從PV輸入經過兩級到并網側，效率僅為81%，這是高效率微型逆變器所不能容忍的。單級逆變器前級DC-DC實現MPPT跟蹤，并網電流閉環(huán)控制，同時實現電氣隔離，顯得控制復雜，但隨著數字化芯片的飛速發(fā)展，使得單級式逆變器容易實現，而且又不影響整個光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體效率。單級式逆變器結構簡單，節(jié)約了成本，而且只有一級功率變換，減少了功率損耗，降低了整個微型逆變系統(tǒng)的造價，而且經過實驗驗證，單級式逆變穩(wěn)定可靠。
2.2反激逆變器工作原理
在DC-DC各類電路拓撲中，反激變換器一般都工作在小功率應用場合，在高頻開關電源中，反激變換器能實現電氣隔離、能量傳遞儲存升降壓功能，在小功率電源中應用十分廣泛。由于兩級式拓撲在功率解耦過程中直流母線電壓不穩(wěn)，容易造成逆變器不能工作，且對控制芯片的要求較高，采用SPWM調制方式的電壓型并網逆變器通常采用兩級功率變換，開關管又工作在高頻狀態(tài)，均增加了開關損耗。
本文采用的反激式逆變器拓撲結構，前級用來實現功率變換，后級工頻逆變，只有導通損耗，單級功率變換不僅降低了成本，而且又提高了整個系統(tǒng)的效率，非常適合用于要求價格低廉且性能優(yōu)越的光伏并網微型逆變器。
3結論
太陽能當之無愧為世界上最清潔的能源，取之不盡、用之不竭，隨著世界經濟的發(fā)展對能源的需求，以及能源的緊缺和環(huán)境的惡化，光伏發(fā)電必將成為一個重要的產業(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——微逆變器的技術有著重要的關系，而由于太陽能分別分散的特點，微逆變器的研究將成為研究重點。本文主要分析和對比了光伏并網微逆變器拓撲結構，利用微型逆變器優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的設計。為每面板配塊太陽能備單獨的微型逆變器使得系統(tǒng)可以適應不斷變化的負荷和天氣條件，從而能夠為單塊面板和整個系統(tǒng)提供最佳轉換效率。
參考文獻：
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