電力電子技術與能源利用 電力電子技術與光伏并網發電綜述摘要：隨著社會的日益發展，能源已經成為了的最重要的話題。太陽能得天獨厚的優勢，使得太陽能發電的優勢日趨明顯。本文先對國內外太陽能發展現狀進行了簡要的介紹，隨后介紹了光伏發電系統的分類及組成，最后對光伏并網發電的關鍵技術-PWM技術、MPPT技術及孤島檢測技術一做了簡單的介紹及研究。鍵字：光伏并網發電、MPPT技術、孤島檢測技術PowerElectronicsandEnergyUsage ReviewofPowerElectronicsandgrid-connectedphotovoltaicpowergenerationAbstract:Withthedevelopmentofthesociety,energyhasbecomethemostimportanttopic.Solarenergyhastheadvantagethatotherenergycannotcomparewith,whichmakestheadvantageofphotovoltaicpowergenerationmoreandmoreobvious.Thisarticlefirstlygivesabriefintroductionaboutthesituationofthedevelopmentofbothdomesticandabroad.Thenitintroducesthesortsandconfigurationofphotovoltaicpowergenerationsystem.Atlast,itshowsyouabriefintroductionandresearchofsomekeytechnologyingrid-connectedphotovoltaicpowergeneration,suchasPWMtechnology,MPPTtechnologyandislandingdetection.Keywords:Grid-connectedphotovoltaicpowergeneration,MPPT(MaximumPowerPointTracking)，Islandingdetection1引言隨著世界不可再生能源的日益枯竭，人們正在積極尋找一種新型可再生的綠色能源，以保證社會的可持續發展。2011年3月日本大地震造成的核電危機，迫使世界各有核電國家不得不重新審視其核電發展戰略；水力發電由于受到資源和季節性限制，一定程度上制約了進一步發展；而風力發電存在并網接入穩定性差等問題短期內也很難形成一定的規模。在這種情況下，太陽能發電越來越受到重視。2光伏發電的現狀概述2.1國外光伏發電現狀1997年美國提出“百萬太陽能光伏屋頂”計劃預計2010年完成。同年日本提出“新陽光計劃”到2010年將生產43億W光伏電池。同年歐盟提出“百萬光伏屋頂計劃“1999年德國實施“十萬光伏屋頂計劃”，并實行低息貸款并且以0.5?0.6歐元/kWh的高價收購輸入電網的光伏電量。近年，發達國家還制定了“光伏研發路線圖”。各國為保證光伏產業的發展，對光伏發電技術的研發和市場培育紛紛給予了財政投入,并在稅收、收購電價、補貼等方面給予政策上的支持。如美國提出對購置和使用光伏發電等再生能源裝置的公司，可根據使用新能源的情況減少10.35%的公司稅，并免除公司相應的營業稅；民用住宅、工商業、公共設施等領域如果使用可再生能源裝置，可以得到7到10年的低息或無息貸款。除了上述措施，美國政府還在應用可再生能源上身體力行，大量使用可再生能源，并規定美國聯邦機構到2011年可再生能源的比例要占到總能耗的7.5%。2.2國內光伏發電現狀20世紀80年代末，國內先后引進了多條太陽能電池生產線，年生產能力達4.5MW。投資主要來自中央和地方政府以及國有大型企業，實現了光伏產業的第一次跳躍性發展。21世紀初，在國際大環境、政府項目的啟動和市場拉動等共同作用下，光伏產業進入快速發展階段。2002年由國家發改委實施的“光明工程”先導項目和“送電到鄉”工程以及2006年實施的送點到村工程均采用了太陽能光伏發電技術。在這些措施的引導下，中國光伏發電產業快速發展。2010年末，國內光伏電力裝機容量達到893MW，同比增長139.4%，占世界光伏電力裝機容量的2.2%。根據“十二五”規劃，2015年光伏發電裝機容量將達1X104MW，2020年將達5X104MW。3光伏并網發電系統及技術3.1太陽能光伏發電系統概述通過太陽能電池（又稱光伏電池）將太陽能轉換為電能的發電系統稱為太陽能電池發電系統（又稱太陽能光伏發電系統）。光伏發電系統，是利用光伏電池方陣將太陽能轉化為電能并儲存到系統的蓄電池中或直接供負載使用的可再生能源裝置。3.1.1光伏發電系統的原理光伏發電系統的工作原理是：白天，光伏電池組件接收太陽光，轉換為電能，一部分供給直流或交流負載工作；另一部分多余的點亮可通過防反充二極管給蓄電池組充電，在夜晚或陰雨天，光伏電池組件無法工作時，蓄電池組供電給直流或交流負載工作。3.1.2光伏發電系統的分類根據不同場合的需求，光伏發電系統可分為獨立光伏發電系統、并網光伏發電系統和混合型光伏發電系統三種。獨立光伏發電系統是指光伏發電系統不與電網連接，其輸出功率提供給本地交流負載的發電系統。并網光伏發電系統與電網連接，當日照較強時，光伏發電系統首先滿足交流負載用電，然后將多余的電能回送電網；當日照不足時，根據負載需要也可從電網索取電能。混合型光伏發電系統則是在獨立型基礎上增加一臺備用發電機組，它既可直接給交流負載供電，又可經整流后給蓄電池充電。本文將重點介紹并網光伏發電系統及其技術。3.1.3光伏并網發電系統的基本組成光伏發電系統一般由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電設備等組成。圖1是并網光伏發電系統的基本結構圖，其中主要包括了兩部分：光伏電池方

陣(PVarray)和功率控制單元(PowerConditioningUnit)。功率控制單元PCU包括：1、 最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking)電路，允許光伏電池方陣輸出最大功率。2、 功率因數(PowerFactor)控制電路，能夠跟蹤負載電壓相位，并提供給逆變器與負載電壓同步的參考電流。innlT^IuinbLPCU3、 轉換器(Converter)，可以由DC—DC升壓電路、能夠保證直流不被吸收進電網的獨立式DC—AC逆變器以及能限制有害的高頻成分電流進入電網的濾波器構成。innlT^IuinbLPCUllgFig.I.SulimjalRdiagramPVgiiiJ-^niwct￡dfiyslicna.圖1PV并網系統3.2光伏并網發電系統概述3.2.1光伏并網發電系統分類光伏并網發電系統一般具有兩種典型的系統結構:單級式并網發電系統和兩級式并網發電系統。3.2.2單級式并網發電系統單級式并網發電系統發電系統結構示意圖如圖2所示，其主要由光伏陣列、逆變器、控制器、濾波器等組成。其工作原理：光伏電池組件產生的直流電通過DC/AC光伏逆變器變換為交流電饋送到電網。光伏電池陣列通過串聯將直流電壓提升到足夠的電壓等級以保證光伏逆變器正常工作所需的直流母線電壓。與此同時，通過對光伏逆變器并網功率的控制實現對光伏電池最大功率點的跟蹤。a2-1具型的單級式弁同光狀發電系筑靖利圖光伏a2-1具型的單級式弁同光狀發電系筑靖利圖光伏陣列圖2單級式并網光伏發電系統3.2.3兩級式并網發電系統兩級式并網光伏發電系統結構示意圖如圖3所示，其主要由光伏電池陣列、DC/DC變

I削構梆信號f期勒信號換器、DC/AC逆變器、控制器、濾波裝置等組成。其工作原理是光伏電池陣列產生的直流電通過DC/DC變換器后變換成另外一個電壓等級的直流電（一般情況下升壓變換），然后再通過DC/AC光伏并網逆變器變換為交流電輸入電網。第一級變換將光伏電池陣列所產生的直流電通過DC/DCI削構梆信號f期勒信號Mfrr口逆變器戶 控制器控剎器L LJpv 1 2-2兩級式井網惡狀發電塞統皓御旭圖3兩級式并網光伏發電系統兩級式并網光伏發電的優點：兩級變換環節可以分開獨立控制，系統前后級之間耦合不緊密，因此系統的控制環節比較容易設計和實現；由于單獨具有一級最大功率跟蹤環節，系統中相當于設置了電壓預調整單元，系統可以具有比較寬的輸入范圍；同時，最大功率跟蹤環節的設置可以使逆變環節的輸入相對穩定，而且輸入的電壓較高，這樣都有利于提高逆變環節的轉換效率。兩級式并網光伏發電的缺點：由于系統結構相對單級式拓撲比較復雜，所需的元器件相對多一些，同時增加了儲能環節，整個系統投資成本也會增加；整個系統需要通過兩個變換環節實現并網，多了一級能量損耗環節，這樣系統的整機效率沒有單級式高。3.3光伏多路并網發電技術單組光伏陣列容量有限，為獲得更大容量，可采用多組光陣列串聯或并聯，當光伏陣列特性差異過大，或某部分被光照遮擋，光伏陣列組的最大輸出功率就會遠小于各部分最大功率之和。因此提出了多路并網系統的概念。下圖為基于Boost的多支路光伏并網發電系統。它由前級BoostDC/DC環節和后級逆變電路組成。Boost負責實現最大功率點跟蹤；逆變電路制并網電流為正弦電流，并和電網電壓同步。各光伏陣列的調節由相應的Boost完成，因而MPPT控制是獨立的，理論上可使每組光伏陣列都運行在最大功率點。S2基于艮心S2基于艮心1的多支躇咒伏井間發瑁辯姓H瑋2Ccmri^uritaLauiiofihr FV?iin ribrcuiE圖4基于Boost的多支路光伏并網發電系統3.4光伏并網發電系統設計綜述3.4.1PV陣列光伏電池陣列，是指將太陽能電池組件以一定的排列方式組合起來（如方陣列，圓形陣列等）以便于更好的采集光能用于發電，提高光能利用率。影響光伏電池組件輸出的因素包括：負載阻抗、日照強度、光伏電池溫度、陰影等。光伏電池的等效電路圖如下所示。圖客7光伏電池的等效電路圖5光伏電池的等效電路圖由此可得:L=lsC[l-C1(expv/C2Voc-1)]式中：C1=(1-lm/Isc)exP[-Vm/EHC2=(Vm/Voc-2)[ln(1-lm/lsc)]-1再由P=VI,可畫出P-V曲線：FP-v特忡施歿圖6標準溫度下P-V特性曲線圖2-9JtyfiFpf村性國淺圖7標準光強下P-V特性曲線由圖6.、7可看出，在每種光強和每種溫度下，光伏電池每條P-V特性曲線上都有一個最大功率點，因此，我們需設計出功率變換電路，使光伏電池陣列的輸出始終保持在最大功率點附近，以達到充分利用光伏電池高效的光電轉換。3.4.2DC—DC變換電路DC-DC轉換電路在直流電源和負載之間，通過控制電壓的方法將不控的直流輸入變為可控的直流輸出的一種變換電路，被廣泛用于開關電源、逆變系統和用直流電動機驅動的設備中。DC-DC電路的設計需要實現對太陽能輸出電壓的調節，并調節轉換電路的等效電阻。這可以通過調整開關的占空比來實現，從而實現MPPT功能。<2-SBoMdjr電隹圖7Boost主電路3.4.3DC—AC逆變器逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩種:直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側接有大電容，直流回路呈現低阻抗特性:直流側是電流源的稱為電流型逆變電路，直流側接有大電感，直流回路呈現高阻抗特性。由于電流型逆變電路所需的電感體積大、成本高，本文設計的逆變電源采用電壓型逆變電路。電壓型逆變電路結構如圖8所示，該電路由直流側電容、逆變橋和輸出濾波器構成以LC濾波器為例）。交振漁披器1321電阻盛誼受器電路緒精圖8典雅型逆變電路結構在逆變電路中，采用相同電壓、電流容量的開關器件時，全橋電路可以達到最大功率輸出，因此該電路常用于中大功率電源中，電路結構如圖8所示。并且，由于半橋逆變電路采用大電解電容作為續流回路，續流時電流下降速度快，同等條件下輸出波形較全橋電路差。

圖9單相全橋逆變主電路同等負載條件下，單相全橋、半橋逆變輸出波形比較見圖9,全橋逆變輸出的波形畸變較半橋輸出的有明顯改善。圖10全橋、半橋逆變輸出波形比較3.5PWM技術光伏并網系統存在一個缺憾，即當光伏電池輸出能力降低時，如陰天或晚上，整個發電系統將停止運行。對此，已提出了一種多功能并網發電技術，在不增加硬件設備的前提下，利用光伏逆變系統實現對電網的無功補償，從而大大提高了整個系統的利用率。為了使并網系統直流側電壓維持穩定以達到系統無功補償的功能，引入PWM整流技術，通過對逆變器開關狀態的控制實現電能的雙向流動，從而保證在光伏電池輸出能力降低的情況下直流側電壓維持恒定，且無功補償功能不受影響。該技術的核心思想是通過控制逆變器開關的導通順序調節逆變器直流側的電容電壓。利用d,q變換生成PWM脈沖控制逆變器開關，使逆變器和濾波電感工作在Boost電路狀態。PWM技術應用于充放電的控制。如圖11，采用這種電路的優點是既能保護蓄電池，又能充分利用太陽能。PWM控制器還可以實現光伏系統的最大功率跟蹤功能，因此可用于大型光伏系統。圈5圈5心”充電控割焯理圖圖11PWM充放電控制原理圖3.6MPPT控制技術光伏發電系統中，如何提高太陽能電池工作效率，進一步提高系統穩定性是主要問題。電力電子變換是解決該問題的關鍵，需實時跟蹤太陽能電池輸出MPP。在單級式光伏并網逆變系統結構基礎上，提出一種新型的基于電壓閉環和dp/du補償的最大功率點跟蹤(MPPT)技術。該算法在工作點偏離最大功率點時，能根據dp/du的變化快速跟蹤最大功率點(MPP)處電壓值，并將此給定電壓與實際電壓值之差經過PI運算得到實際應給定的交流輸出電流幅值。基于上述電壓閉環跟蹤功率點思想，可畫出程序流程圖，見圖11。圖4圖4程序流程隅圖11基于電壓閉環思想的程序流程圖應用全數字化DSP控制技術和新型MPPT算法，當外部條件變化時實時跟蹤最大功率點的仿真分析結果如圖12，由圖可看出在光照強度、環境溫度等系統參數突變或漸變等復雜環境情況下，能快速尋找新的工作點，保持系統穩定，表現出良好的靜態穩定性和動態特性。(■a)之憤英乘柯MP(■a)之憤英乘柯MP圖S光罔突覽時MPI丁與光格漸變時汨叩「波臨圖12光照突變時MPPT與光照漸變時MPPT波形3.7孤島效應保護技術在逆變器并網工作過程中，當市電被人為斷開或出現故障停止供電時，逆變器仍持續向電網供電，當地負載仍處于供電狀態，這種工作狀態稱為“孤島”(Islanding)狀態，又稱為孤島效應。防止孤島效應(anti-islanding)的關鍵點是對于電網斷電的檢測。在電網的配電開關斷開時，如果太陽能供電系統和電網負載需求量不平衡，則市電網中的電壓、頻率和相位將會產生較大的變動，此時可以利用電網電壓的過/欠壓保護和頻率異常波動來保護檢測電網斷電，從而防止孤島效應。常規的孤島檢測技術分為主動式和被動式兩類。僅依靠被動式檢測方法檢測逆變器與電網間的公共點處電壓的異常現象(如過/欠壓、過/欠頻)，則容易漏檢。故多采用被動與主動相結合的方法以減小檢測盲區。然而主動檢測法需對逆變器的輸出施加擾動，影響并網電能質量。因此，對主動檢測法提出較高的標準，要求檢測效果好且對電網產生的不良影響小。移頻法和移相法通過施加主動擾動使得系統頻率偏離正常工作范圍以實現孤島檢測，是一種較為有效地途徑。一種新的三相光伏并網系統孤島檢測技術即是通過正反饋頻率偏移法與正反饋電壓偏移法相結合以達到孤島檢測的目的。實驗結果表明，該方法在100ms內可有效地檢測出系統的孤島狀態。4結語本文對于光伏發電的國內外現狀進行了簡單的介紹，集中闡述了光伏并網發電系統的光伏電池陣列、DC-DC變換電路及DC-AC逆變器。隨后分別介紹了光伏并網系統的三個關鍵技術：PWM技術、最大功率點跟蹤MPPT技術及孤島檢測技術。本文可以作為光伏并網發電系統研究的入門資料使用。參考文獻［1］ 史東云，劉勁松，白曉威。.光伏發電技術現狀、存在問題及對策。吉林電力，第39卷第6期2011年12月［2］ 昌金銘。國內外光伏發電的新進展。《中國建設動態陽光能源》2007年1期［3］ 褚文博，隆濤.美國光伏產業路線圖.新材料產業，2006(1):48.51⑷張超。光伏發電系統MPPT及孤島檢測新技術的研究。［博士論文］浙江大學。2006年9月［5］