并網(wǎng)發(fā)電光伏逆變器的設(shè)計(jì)要求

摘要提出了并網(wǎng)發(fā)電所需的1 小型光伏并網(wǎng)電站應(yīng)具備的性能

光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)逆變器提出了較高的要求。這些要求如下：

① 要求逆變器輸出正弦波電流。光伏電站回饋給公用電網(wǎng)的電力，必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的指標(biāo)，如逆變器的輸出電流不能含有直流分量、逆變器輸出電流的高次諧波必須盡量減少、不能對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染等。

②要求逆變器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運(yùn)行。光伏電站的能量來(lái)自太陽(yáng)能，而日照強(qiáng)度隨氣候而變化，這就要求逆變器能在不同的日照條件下均能高效運(yùn)行。

③要求逆變器能使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。太陽(yáng)能電池的輸出功率與日照、溫度、負(fù)載的變化有關(guān)，即其輸出特性具有非線性特性[1]。這就要逆變器具有最大功率跟蹤功能，即不論日照、溫度等如何變化，都能通過(guò)逆變器的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)陣列的最佳運(yùn)行。

④要求逆變器具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)。對(duì)于家用的光伏電站，其逆變器通常安裝在室內(nèi)或壁掛于墻上，因此對(duì)其體積、重量均有限制。另外，對(duì)整機(jī)的可靠性也提出較高的要求。由于太陽(yáng)能電池的壽命均在20 年以上，因此其配套設(shè)備的壽命也必須與其相當(dāng)。

⑤要求在市電斷電狀況下逆變器在有日照時(shí)能夠單獨(dú)供電。

2 正弦波電壓型逆變器的實(shí)現(xiàn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電路原理如圖2 所示。Up 為逆變器輸出電壓，Uu 為電網(wǎng)電壓，R為線路電阻，L 為串聯(lián)電抗器，Iz 則為回饋電網(wǎng)的電流。為保證回饋功率因數(shù)為1，回饋電流的相位必須與電網(wǎng)電壓的相位一致。以電網(wǎng)電壓Uu為參考，則Iz 與Uu 同相位，其矢量圖如圖3 所示。內(nèi)阻R 兩端的電壓UR 與電網(wǎng)電壓相位一致，而電抗器兩端電壓UL 的相位則落后于UR90º.由此可以求得UP 的相位和幅值：

其中ω為公用電網(wǎng)角頻率。實(shí)際電路中，Uu 的相位、周期和幅值由電壓傳感器檢測(cè)得到。由于在實(shí)際系統(tǒng)中R 是很難得到的，因此回饋電流Iz 的相位必須采用電流負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)，回饋電流Iz 的相位角的參考相位即為公用電網(wǎng)相
位。用電流互感器隨時(shí)檢測(cè)Iz，確保Iz 與電網(wǎng)電壓相位一致，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1 的回饋發(fā)電。

實(shí)用的光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行專用逆變器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。逆變器主電路功率管采用IGBT，容量為50A、600V，型號(hào)為2MBI50N-060 。隔離驅(qū)動(dòng)電路采用東芝公司生產(chǎn)的TLP250。逆變器的控制部分由微處理器完成。主控芯片采用INTEL 公司最新推出的逆變或電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用16 位微處理器87C196MC,該芯片除了具有16 位運(yùn)算指令外，還具有專用的脈寬
調(diào)制(PWM)輸出口[2]，包括一個(gè)10 位A/D 轉(zhuǎn)換器、一個(gè)事件處理陣列、兩個(gè)16 位定時(shí)器和一個(gè)三相波形發(fā)生器。三相波形發(fā)生器的每相均能輸出兩路死區(qū)時(shí)間可以設(shè)定的PWM 信號(hào)。

這就給逆變應(yīng)用場(chǎng)合提供了很多便利。微處理器主要完成電網(wǎng)、相位實(shí)時(shí)檢測(cè)、電流相位反饋控制、光伏陣列最大功率跟蹤以及實(shí)時(shí)正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生，其工作過(guò)程如下：公用電網(wǎng)的電壓和相位經(jīng)過(guò)霍爾電壓傳感器送給微處理器的A/D 轉(zhuǎn)換器，微處理器將回饋電流的相位與公用電網(wǎng)的電壓相位作比較，其誤差信號(hào)通過(guò)PID 調(diào)節(jié)后送給PWM 脈寬調(diào)制器，這就完成了功率因數(shù)為1 的電能回饋過(guò)程。微處理器完成的另一項(xiàng)主要工作是實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。光伏陣列的輸出電壓和電流分別由電壓、電流傳感器檢測(cè)并相乘，得到陣列輸出功率，然后調(diào)節(jié)PWM 輸出占空比。這個(gè)占空比的調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上就是調(diào)節(jié)
回饋電壓大小，從而實(shí)現(xiàn)最大功率尋優(yōu)。

從圖3 可以得知，當(dāng)Up 的幅值變化時(shí)，回饋電流與電網(wǎng)電壓之間的相位角φ也將有一定的變化。由于電流相位已實(shí)現(xiàn)了反饋控制，因此自然實(shí)現(xiàn)了相位與幅值的解耦控制，使微處理器的處理過(guò)程更簡(jiǎn)便。另外，光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行還必須考慮公用電網(wǎng)停電時(shí)的工作狀況。常規(guī)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，在公用電網(wǎng)停電時(shí)則停止逆變器工作。若在白天，其實(shí)光伏陣列仍能繼續(xù)發(fā)電。

其工作原理如下：當(dāng)公用電網(wǎng)斷電時(shí)，電網(wǎng)側(cè)相當(dāng)于短路狀態(tài)，此時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器將由于過(guò)載而自動(dòng)保護(hù)。當(dāng)微處理器檢測(cè)過(guò)載時(shí)，除封鎖SPWM 信號(hào)外,還將斷開(kāi)繼電器RE，此時(shí)若光伏陣列有能量輸出，逆變器將在單獨(dú)運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行。單獨(dú)運(yùn)行時(shí)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，即為交流電壓的負(fù)反饋狀態(tài)，微處理器通過(guò)檢測(cè)逆變器輸出電壓并與參考電壓（通常為220V）比較，然后控制PWM 輸出占空比，實(shí)現(xiàn)逆變和穩(wěn)壓運(yùn)行。當(dāng)然，單獨(dú)運(yùn)行的前提是光伏陣列在當(dāng)時(shí)能夠提供足夠的功率。若負(fù)載太大或日照條件較差，則逆變器無(wú)法輸出足夠的功率，光伏陣列的端電壓即會(huì)下降，從而使輸出交流電壓降低而進(jìn)入低壓保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，將自動(dòng)切換至回饋狀態(tài)。

3 結(jié)論

采用16 位微處理器和高速IGBT 功率模塊實(shí)現(xiàn)了中、小容量光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電。本文描述的光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行逆變器，不僅具有較高的效率和畸變小的輸出電流波形，而且在電網(wǎng)斷電的情況下能夠單獨(dú)運(yùn)行，具有一定的推廣應(yīng)用前景。