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【摘 要】随着社会的进步和发展，人们对能源提出了更高的要求，开发和利用新的能源是人类当前亟待解决的重大课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭的优点得到了人们的极大关注。光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频、同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的一个系统。
【关键词】光伏并网;太阳能;逆变器
二十世纪以后，随着电力普遍的使用，电力的高负荷增长，是国家的输电系统面临严峻的挑战，传统的大型发电厂单一的供电方式，已经严重显现出投资大，事故影响大的特点，分布式供电网络尤其是太阳能供电越来越受到社会的关注和欢迎[1]。太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染;光伏发电是一种最具可持续发展特征的可再生能源发电技术。
针对并网逆变技术的现状和发展趋势，在进行太阳能并网发电系统设计和实现以前，要对这套系统和理论有一个初步的了解，本章对光伏并网发电系统工作原理进行了简要概述，并分析了太阳能光伏发电的基本原理。太阳能发电的基本原理，并网发电系统的几种结构和并网逆变器组成原理。其次在分析并网发电的基础上采用了电压源输入-电流源输出的控制方式。再次对逆变器电路的拓扑结构进行了分析，确定了系统采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。系统使用前级的Boost电流和后级的全桥逆变电路。最后对Boost电路和全桥逆变电路进行原理上的分析[2]。
1 光伏发电系统最大功率点跟踪
在光伏系统逆变并网之前，需要对光伏组建的输出进行稳压控制和最大功率跟踪控制，用以最大限度地的提高太阳能组件的利用效率。太阳能光伏电池的输出电流与电压有非线性的特性，并且其输出受光照强度和温度的影响。随着温度和光照强度的不同，光伏电池两端的输出的电压也会发生改变，使输出功率也会发生很大的变化。在一定的光照强度和温度时，只有在某一输出电压时，光伏电池的输出功率才能达到最大。于是，如何能在不同的光照强度和温度下，使光伏电池输出功率最大，从而提高整个系统的效率.本章详细分析了太阳能光伏电池的工作特性和输出特性，根据光伏电池的数学模型组件了单个电池的电路仿真模型。在对常用最大功率跟踪策略进行比较分析的基础上，提出了电导增量法的控制策略，结合本系统设计的主电路对其进行了仿真实验，结果证明该策略能取得较好的控制效果。
1.1太阳能光伏电池工作原理
并网光伏系统主要由太阳能电池阵列和光伏并网逆变器组成。根据需要的发电功率和直流电压，可以把多块太阳能电池组件用串联和并联的方法组合起来，形成太阳能光伏阵列。通常应用的太阳能电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件。它的基本构造是由半导体的P-N结组成。照到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池表面反射掉，另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子可以使半导体中原子的价电子受到激发，在P区空间电荷区和N区都会产生光电子空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子空穴对由于热运动，想各个方向迁移。光生电子空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子空穴对产生后，光生空穴被推进p区。在空间电荷边界处总的载流子浓度近似为0.在N区，光生电子空穴对产生后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦达到P-N 结边界，便立即受到内建电场的作用，在场力作用下做漂移运动，越过空间电荷进入P 区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。而光生电子（多数载流子）则被留在P区。因此，在P-N结两侧产生了正、负电荷的累积，形成于内建电场方向相反的光生电场。
1.2 常用最大功率点跟踪方法
在一定的光照温度小，太阳电池有一个最大功率点，由于光伏阵列的输出功率随着光照强度和温度的变化而变化，太阳能电池不一定工作在最大功率点，为了发挥太阳电池的发电能力，可以采取一些措施，使得太阳电池随时工作在最大功率点，以实现最大功率的跟踪。实现最大功率跟踪的方法有很多，主要介绍以下四种方法，恒电压控制法，间歇扫描跟踪法，扰动观察法，增量电导法。
1.2.1 恒电压控制法
在一定范围内，光照强度变化时，太阳电池的最佳工作电压Um 变化不大。根据这一特点，可以再光伏方阵和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即光伏方阵的工作电压始终保持在Um 附近，这样就可使方阵的输出功率保持接近于最大功率点。
2 光伏并网逆变器控制策略
光伏并网发电系统中，系统的核心部件是并网逆变器。其中最核心的部分是并网逆变器的控制策略。本章重点围绕如何实现控制并网逆变器展开研究，控制逆变电路输出正弦交流电，并且可以顺利接入电网。
2.1 光伏并网逆变器的控制目标
光伏发电系统的特有部件并网逆变器，有逆变器的一般性技术指标。第一，因为光伏电池的输出电压受到光照强度的影响而易出现较大的波动，逆变器直流侧输出要求有一定的输入电压范围，这取决于逆变器的输出电压范围和功率开关管所承受的最高电 压。第二，因为要求有比较高的变换效率，直接影响着光伏发电系统的发电效率，发电效率的高低对光伏发电系统降低发电成本和提高有效发电量有重要影响，所以必须尽量降低其自身的功率损耗，不宜采取过多的开关管。第三，要有一定的额定输出电压和输出容量稳定度，提高负载供电的能力，以使系统保持比较高的可靠性。第四，要有较强的抑制谐波能力，减少对电力系统的配电线的影响，一般体现在总谐波畸变度（THD）和畸变因数（DF）上，这对输出电压波形的质量非常重要。此外，整个逆变环节要有较好的动态响应特性，保持输出电压、频率的精度，及时跟踪电网变化，同时具有最大功率跟踪功能和各种保护功能
2.2 光伏并网逆变器的常用控制方法
在光伏并网发电的系统中，逆变器的输出一般为电压源或者电流源。若光伏并网系统输出为正弦交流电压时，必须严格控制输出电流的幅值和相位，但由于锁相回路响应时间等各个方面的问题，并网逆变系统和电网之间有时会出现环流，发生故障，所以光伏并网的输出经常采用电流输出的方式。
2.3 滞环电流跟踪法
滞环电流控制是将指定实际电流和正弦参考电流相比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器所产生相应的 PWM 脉冲来控制逆变器减小或增大输出电流，令其始终固定在一定范围的滞环带内。
2.4 电压电流双闭环 SPWM 控制策略
基于电压电流双闭环 SPWM 控制的電流跟踪系统具有固定的开关频率，它具有算法简单、实现方便的优点。另外，由于开关频率固定，可以使输出侧的滤波电感更容易设计;加入电压外环后，更可以大幅度的提高逆变系统的稳定性。综合以上考虑因素，采用基于电压电流双闭环 SPWM 控制方法。
3 结论
研究了太阳能发电系统的并网设计，对逆变器的结构进行了分析，对比了几种常见的控制方法，设计了1KW 的单项光伏发电并网系统，主要工作对扰动观察法和增量电导法进行了分析，并采用增量电导法作为最大功率点跟踪方法，通过软件的分析取得了较好的结果，控制电路采双闭环结构的SPWM控制策略，本课题对光伏并网逆变系统做了初步的设计，对于逆变电路部分做了深入的研究，就各种逆变电路的特点、使用场合进行了阐述，对后续工作做出了一定的基础。
参考文献：
[1]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M]，北京：电子工业出版社，2009，1-4
[2]李忠实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]，北京：人民邮电出版社，2010，1-4.6-57
（作者单位：国家电投集团山东新能源有限公司）
【关键词】光伏并网;太阳能;逆变器
二十世纪以后，随着电力普遍的使用，电力的高负荷增长，是国家的输电系统面临严峻的挑战，传统的大型发电厂单一的供电方式，已经严重显现出投资大，事故影响大的特点，分布式供电网络尤其是太阳能供电越来越受到社会的关注和欢迎[1]。太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染;光伏发电是一种最具可持续发展特征的可再生能源发电技术。
针对并网逆变技术的现状和发展趋势，在进行太阳能并网发电系统设计和实现以前，要对这套系统和理论有一个初步的了解，本章对光伏并网发电系统工作原理进行了简要概述，并分析了太阳能光伏发电的基本原理。太阳能发电的基本原理，并网发电系统的几种结构和并网逆变器组成原理。其次在分析并网发电的基础上采用了电压源输入-电流源输出的控制方式。再次对逆变器电路的拓扑结构进行了分析，确定了系统采用无变压器绝缘的两级拓扑结构。系统使用前级的Boost电流和后级的全桥逆变电路。最后对Boost电路和全桥逆变电路进行原理上的分析[2]。
1 光伏发电系统最大功率点跟踪
在光伏系统逆变并网之前，需要对光伏组建的输出进行稳压控制和最大功率跟踪控制，用以最大限度地的提高太阳能组件的利用效率。太阳能光伏电池的输出电流与电压有非线性的特性，并且其输出受光照强度和温度的影响。随着温度和光照强度的不同，光伏电池两端的输出的电压也会发生改变，使输出功率也会发生很大的变化。在一定的光照强度和温度时，只有在某一输出电压时，光伏电池的输出功率才能达到最大。于是，如何能在不同的光照强度和温度下，使光伏电池输出功率最大，从而提高整个系统的效率.本章详细分析了太阳能光伏电池的工作特性和输出特性，根据光伏电池的数学模型组件了单个电池的电路仿真模型。在对常用最大功率跟踪策略进行比较分析的基础上，提出了电导增量法的控制策略，结合本系统设计的主电路对其进行了仿真实验，结果证明该策略能取得较好的控制效果。
1.1太阳能光伏电池工作原理
并网光伏系统主要由太阳能电池阵列和光伏并网逆变器组成。根据需要的发电功率和直流电压，可以把多块太阳能电池组件用串联和并联的方法组合起来，形成太阳能光伏阵列。通常应用的太阳能电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件。它的基本构造是由半导体的P-N结组成。照到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池表面反射掉，另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子可以使半导体中原子的价电子受到激发，在P区空间电荷区和N区都会产生光电子空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子空穴对由于热运动，想各个方向迁移。光生电子空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子空穴对产生后，光生空穴被推进p区。在空间电荷边界处总的载流子浓度近似为0.在N区，光生电子空穴对产生后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦达到P-N 结边界，便立即受到内建电场的作用，在场力作用下做漂移运动，越过空间电荷进入P 区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。而光生电子（多数载流子）则被留在P区。因此，在P-N结两侧产生了正、负电荷的累积，形成于内建电场方向相反的光生电场。
1.2 常用最大功率点跟踪方法
在一定的光照温度小，太阳电池有一个最大功率点，由于光伏阵列的输出功率随着光照强度和温度的变化而变化，太阳能电池不一定工作在最大功率点，为了发挥太阳电池的发电能力，可以采取一些措施，使得太阳电池随时工作在最大功率点，以实现最大功率的跟踪。实现最大功率跟踪的方法有很多，主要介绍以下四种方法，恒电压控制法，间歇扫描跟踪法，扰动观察法，增量电导法。
1.2.1 恒电压控制法
在一定范围内，光照强度变化时，太阳电池的最佳工作电压Um 变化不大。根据这一特点，可以再光伏方阵和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即光伏方阵的工作电压始终保持在Um 附近，这样就可使方阵的输出功率保持接近于最大功率点。
2 光伏并网逆变器控制策略
光伏并网发电系统中，系统的核心部件是并网逆变器。其中最核心的部分是并网逆变器的控制策略。本章重点围绕如何实现控制并网逆变器展开研究，控制逆变电路输出正弦交流电，并且可以顺利接入电网。
2.1 光伏并网逆变器的控制目标
光伏发电系统的特有部件并网逆变器，有逆变器的一般性技术指标。第一，因为光伏电池的输出电压受到光照强度的影响而易出现较大的波动，逆变器直流侧输出要求有一定的输入电压范围，这取决于逆变器的输出电压范围和功率开关管所承受的最高电 压。第二，因为要求有比较高的变换效率，直接影响着光伏发电系统的发电效率，发电效率的高低对光伏发电系统降低发电成本和提高有效发电量有重要影响，所以必须尽量降低其自身的功率损耗，不宜采取过多的开关管。第三，要有一定的额定输出电压和输出容量稳定度，提高负载供电的能力，以使系统保持比较高的可靠性。第四，要有较强的抑制谐波能力，减少对电力系统的配电线的影响，一般体现在总谐波畸变度（THD）和畸变因数（DF）上，这对输出电压波形的质量非常重要。此外，整个逆变环节要有较好的动态响应特性，保持输出电压、频率的精度，及时跟踪电网变化，同时具有最大功率跟踪功能和各种保护功能
2.2 光伏并网逆变器的常用控制方法
在光伏并网发电的系统中，逆变器的输出一般为电压源或者电流源。若光伏并网系统输出为正弦交流电压时，必须严格控制输出电流的幅值和相位，但由于锁相回路响应时间等各个方面的问题，并网逆变系统和电网之间有时会出现环流，发生故障，所以光伏并网的输出经常采用电流输出的方式。
2.3 滞环电流跟踪法
滞环电流控制是将指定实际电流和正弦参考电流相比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器所产生相应的 PWM 脉冲来控制逆变器减小或增大输出电流，令其始终固定在一定范围的滞环带内。
2.4 电压电流双闭环 SPWM 控制策略
基于电压电流双闭环 SPWM 控制的電流跟踪系统具有固定的开关频率，它具有算法简单、实现方便的优点。另外，由于开关频率固定，可以使输出侧的滤波电感更容易设计;加入电压外环后，更可以大幅度的提高逆变系统的稳定性。综合以上考虑因素，采用基于电压电流双闭环 SPWM 控制方法。
3 结论
研究了太阳能发电系统的并网设计，对逆变器的结构进行了分析，对比了几种常见的控制方法，设计了1KW 的单项光伏发电并网系统，主要工作对扰动观察法和增量电导法进行了分析，并采用增量电导法作为最大功率点跟踪方法，通过软件的分析取得了较好的结果，控制电路采双闭环结构的SPWM控制策略，本课题对光伏并网逆变系统做了初步的设计，对于逆变电路部分做了深入的研究，就各种逆变电路的特点、使用场合进行了阐述，对后续工作做出了一定的基础。
参考文献：
[1]杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M]，北京：电子工业出版社，2009，1-4
[2]李忠实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]，北京：人民邮电出版社，2010，1-4.6-57
（作者单位：国家电投集团山东新能源有限公司）