论文部分内容阅读
摘 要 转换效率是太阳能光伏并网逆变系统的关键技术问题。当前，多级式变换的拓扑结构多被系统采用，尽管其结构控制较为简单，但由于变换级数的增加，难于提高该结构的转换效率。因此，拥有高效低功耗、高可靠性、电路简单等诸多优点的单级式拓扑结构越来越成为太阳能光伏并网逆变系统设计的第一选择。随着现代数字信号处理技术以及电力电子技术的迅猛发展，克服系统拓扑结构带来的控制难题成为可能。
关键词 太阳能；光伏；单级式拓扑结构；并网逆变系统；滤波
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0015-02
近年来，为缓解常规能源消耗和能源结构不合理等问题，太阳能光伏发电作为新能源核心产业发展迅速，且逐渐以供应分布式能源的主体为目标。并网系统与独立系统是太阳能光伏发电系统的两种主要方式，而并网系统主要被作为分布式或者集中式的太阳能发电站来应用。光伏发电系统的储能设备使用的是蓄电池，并不与电网直接连接，白天储存其太阳能电池需要输出的电能，而夜晚向供电负荷直接提供电力。本文就单级式单向太阳能光伏并网逆变系统进行分析讨论。因单级式太阳能光伏并网逆变系统在控制时既要对并网电流的相位和幅值进行控制，且还要对太阳能电池最大功率点进行跟踪，因此，提高系统工作安全性和稳定性及整个系统的工作效率，是目前太阳能光伏并网逆变系统中主要面对的问题。另外，由于控制系统相对复杂实际应用中较少采用该拓扑结构。但与多级式系统相比，单级式系统工作效率要高许多，而工作效率是太阳能光伏发电系统中极其关键的。随着现代数字信号处理技术以及电力电子技术的迅猛发展，克服系统拓扑结构带来的控制难题也成为可能。
1 设计MPPT控制方案
日照温度和强度会对光伏阵列的开路电压和短路电流造成影响，如带来系统效率降低等问题。为了对太阳能进行充分利用，MPPT方式必须应用于并网逆变系统中，以便于在任何环境下，光伏阵列能够得到最大功率输出。虽然有诸多光伏阵列的最大功率跟踪方法，但现阶段应用较多的有：模糊控制法、间歇扫描法、电导增量法、扰动观测法、恒定电压法等。方法各有千秋，具体应用时要根据系统所处环境进行选择。最大功率点的跟踪采用变步长扰动观测法，这时，系统先对光伏阵列所输出的电流和电压进行采样，并对电网周期内电流电压的平均值分别进行计算，光伏阵列平均输出功率的计算用两者平均值的乘积，之后对比上一时刻输出功率。如果相比于上一时刻功率，当前时刻功率较小，说明跟踪方向此时已经与最大功率点发生偏离，给定电压需要按照与原来给定电压变化法相反的方向去改变；如果相比上一时刻功率当前时刻功率较大，这说明跟踪方向是正确的，且应继续维持该电压变化方向。若原本已增加给定电压，可继续增加，若是减少给定电压，应继续减少。
2 并网逆变系统的控制系统设计
2.1 直流电压的控制
控制直流电压是光伏并网逆变系统控制的关键组成。太阳能电池最大功率点跟踪需要确保电压的稳定性和采样的快速性，这也是系统能够稳定运行的必要前提，因此，采用PI控制直流电压。
2.2 并网电流的控制
光伏并网逆变系统，其原理就是将太阳能电池的直流电能转变为正弦交流电能后向电网提供电力的装置，也是一个有源逆变系统。电网电压与系统输出电流的相位频率一致就是系统的控制目标。控制电流分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制的稳定性较高，响应电流较快。而间接电流控制无需电流反馈控制，控制较为简单，但是自身也存在缺陷，如对系统参数的波动敏感、直流分量包含于交流侧电流中、系统电流动态响应较慢等。空间矢量控制、模糊控制、神经网络控制、双环电流控制、滞环电流控制等是直接电流控制的方法。在此举例说明系统采用SPWM并网逆变电流跟踪方式控制，如图1所示。图中为电网电压前馈环节；为滤波环节；为逆变环节；为PI调节环节；为实际并网电流。
图1 并网电流控制图
3 设计并网逆变系统主回路
单级式单相桥式逆变拓扑结构构成并网系统，D1至D4是对应的反并联二极管，而T1至T4是功率器件，从而构成逆变桥，如图2所示。
图2 单级式单相桥式并网逆变主电路图
电网电压和逆变电压的适配采用工频变压器来实现，且隔离逆变系统和电网电压。直流侧的滤波器作用是将直流侧两倍于电网频率的电压纹波滤除，用Cin表示。交流侧的T型滤波器由L1、C、L2组成，可确保并网电流质量，并将滤除交流侧电流谐波。根据相关技术资料设计系统主回路元器件参数。
4 总结
利用风力发电、燃料电池发电、太阳能光伏发电、小型水力发电等可再生能源的发电系统，可为电网发展缓慢、电力延伸困难地区的交通、通信、路灯照明等提供电力能源，并且主要在离网型村落供电系统、可再生能源并网发电系统和户用电源系统中应用。光伏发电最终将实现并网运行，今后交流光伏发电系统也必将成为光伏发电的主流。太阳能光伏发电利用半导体材料的电子学特性，依靠太阳能电池组件，将光能转化成电能。通过光伏数组，并网发电系统将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转化后，成为高压直流电，再经逆变器逆变后，将与电网电压同相、同频的正弦交流电流向电网输出。
现阶段所面临的关键问题是，在不能有效提高太阳能光伏电池转换效率的前提下，如何提高太阳能光伏并网逆变系统的转换效率。而对并网逆变系统变换电路拓扑结构进行改进优化设计，能够大大提高系统的转换效率。其中，单级式变换拓扑结构优势明显，单级式单相太阳能光伏并网逆变系统，能够对最大功能进行跟踪，并有效实现并网。
参考文献
[1]刘仙萍，饶政华，廖胜明.太阳能光伏/光热复合集热器能量转换性能的数值模拟[J].中南大学学报（自然科学版），2013（6）.
关键词 太阳能；光伏；单级式拓扑结构；并网逆变系统；滤波
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0015-02
近年来，为缓解常规能源消耗和能源结构不合理等问题，太阳能光伏发电作为新能源核心产业发展迅速，且逐渐以供应分布式能源的主体为目标。并网系统与独立系统是太阳能光伏发电系统的两种主要方式，而并网系统主要被作为分布式或者集中式的太阳能发电站来应用。光伏发电系统的储能设备使用的是蓄电池，并不与电网直接连接，白天储存其太阳能电池需要输出的电能，而夜晚向供电负荷直接提供电力。本文就单级式单向太阳能光伏并网逆变系统进行分析讨论。因单级式太阳能光伏并网逆变系统在控制时既要对并网电流的相位和幅值进行控制，且还要对太阳能电池最大功率点进行跟踪，因此，提高系统工作安全性和稳定性及整个系统的工作效率，是目前太阳能光伏并网逆变系统中主要面对的问题。另外，由于控制系统相对复杂实际应用中较少采用该拓扑结构。但与多级式系统相比，单级式系统工作效率要高许多，而工作效率是太阳能光伏发电系统中极其关键的。随着现代数字信号处理技术以及电力电子技术的迅猛发展，克服系统拓扑结构带来的控制难题也成为可能。
1 设计MPPT控制方案
日照温度和强度会对光伏阵列的开路电压和短路电流造成影响，如带来系统效率降低等问题。为了对太阳能进行充分利用，MPPT方式必须应用于并网逆变系统中，以便于在任何环境下，光伏阵列能够得到最大功率输出。虽然有诸多光伏阵列的最大功率跟踪方法，但现阶段应用较多的有：模糊控制法、间歇扫描法、电导增量法、扰动观测法、恒定电压法等。方法各有千秋，具体应用时要根据系统所处环境进行选择。最大功率点的跟踪采用变步长扰动观测法，这时，系统先对光伏阵列所输出的电流和电压进行采样，并对电网周期内电流电压的平均值分别进行计算，光伏阵列平均输出功率的计算用两者平均值的乘积，之后对比上一时刻输出功率。如果相比于上一时刻功率，当前时刻功率较小，说明跟踪方向此时已经与最大功率点发生偏离，给定电压需要按照与原来给定电压变化法相反的方向去改变；如果相比上一时刻功率当前时刻功率较大，这说明跟踪方向是正确的，且应继续维持该电压变化方向。若原本已增加给定电压，可继续增加，若是减少给定电压，应继续减少。
2 并网逆变系统的控制系统设计
2.1 直流电压的控制
控制直流电压是光伏并网逆变系统控制的关键组成。太阳能电池最大功率点跟踪需要确保电压的稳定性和采样的快速性，这也是系统能够稳定运行的必要前提，因此，采用PI控制直流电压。
2.2 并网电流的控制
光伏并网逆变系统，其原理就是将太阳能电池的直流电能转变为正弦交流电能后向电网提供电力的装置，也是一个有源逆变系统。电网电压与系统输出电流的相位频率一致就是系统的控制目标。控制电流分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制的稳定性较高，响应电流较快。而间接电流控制无需电流反馈控制，控制较为简单，但是自身也存在缺陷，如对系统参数的波动敏感、直流分量包含于交流侧电流中、系统电流动态响应较慢等。空间矢量控制、模糊控制、神经网络控制、双环电流控制、滞环电流控制等是直接电流控制的方法。在此举例说明系统采用SPWM并网逆变电流跟踪方式控制，如图1所示。图中为电网电压前馈环节；为滤波环节；为逆变环节；为PI调节环节；为实际并网电流。
图1 并网电流控制图
3 设计并网逆变系统主回路
单级式单相桥式逆变拓扑结构构成并网系统，D1至D4是对应的反并联二极管，而T1至T4是功率器件，从而构成逆变桥，如图2所示。
图2 单级式单相桥式并网逆变主电路图
电网电压和逆变电压的适配采用工频变压器来实现，且隔离逆变系统和电网电压。直流侧的滤波器作用是将直流侧两倍于电网频率的电压纹波滤除，用Cin表示。交流侧的T型滤波器由L1、C、L2组成，可确保并网电流质量，并将滤除交流侧电流谐波。根据相关技术资料设计系统主回路元器件参数。
4 总结
利用风力发电、燃料电池发电、太阳能光伏发电、小型水力发电等可再生能源的发电系统，可为电网发展缓慢、电力延伸困难地区的交通、通信、路灯照明等提供电力能源，并且主要在离网型村落供电系统、可再生能源并网发电系统和户用电源系统中应用。光伏发电最终将实现并网运行，今后交流光伏发电系统也必将成为光伏发电的主流。太阳能光伏发电利用半导体材料的电子学特性，依靠太阳能电池组件，将光能转化成电能。通过光伏数组，并网发电系统将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转化后，成为高压直流电，再经逆变器逆变后，将与电网电压同相、同频的正弦交流电流向电网输出。
现阶段所面临的关键问题是，在不能有效提高太阳能光伏电池转换效率的前提下，如何提高太阳能光伏并网逆变系统的转换效率。而对并网逆变系统变换电路拓扑结构进行改进优化设计，能够大大提高系统的转换效率。其中，单级式变换拓扑结构优势明显，单级式单相太阳能光伏并网逆变系统，能够对最大功能进行跟踪，并有效实现并网。
参考文献
[1]刘仙萍，饶政华，廖胜明.太阳能光伏/光热复合集热器能量转换性能的数值模拟[J].中南大学学报（自然科学版），2013（6）.