单相光伏发电并网

单相光伏发电并网（共12篇）

单相光伏发电并网 篇1

1 引言

小型光伏并网发电系统能够充分利用太阳辐射普遍存在的特点,分布在电网中实现就地即发即用的高效运行,从而作为一种比较理想的太阳能利用方式得到了推广与应用[13]。

根据功率的大小,光伏并网发电系统可采用单相并网或三相并网的方式。小功率(一般在5～6 kW以下)系统通常采用单相并网方式,与三相并网方式最大的差别在于并网功率特性与光伏阵列输出功率特性不匹配。单相并网功率含有正弦状的脉动,其频率为电网频率的2倍,峰-峰值为平均并网功率的2倍;而光伏阵列是提供直流电能的非线性电源,其理想的稳定工作状态是在一定的太阳辐射条件下,保持输出电压和电流恒定,从而实现高精度的最大功率点跟踪。单相光伏并网发电系统的这种瞬时输入、输出功率的差异必然会影响系统的性能,需要在逆变器电路和控制方法中采取相应的措施,实现功率解耦。不少学者提出了多种电路拓扑和控制方法[48]。然而,出于对成本及可靠性等的综合考虑,现有kW级以上的光伏并网逆变器产品仍以在光伏阵列输出端或逆变器直流母线上安装铝电解质电容的方法为主,通过电容的充放电,减轻并网功率脉动的影响,使光伏阵列输出功率保持相对稳定。但是,电容量的选取尚缺乏明确与统一的理论依据,往往根据经验先确定电容电压的允许纹波幅值,再算出和选取对应的电容量,不能确保设计的最优化。文献[9]针对单相单级式并网发电系统,采用基于光伏阵列实际参数的简化工程模型,分析了并网功率脉动对光伏阵列实际输出能力的影响,提出了功率解耦电容的设计方法。文献[10]针对单相两级式并网发电系统,通过对直流母线电压的预测控制及在逆变环节中根据直流母线电压瞬时值对占空比进行补偿调节,既保证了光伏阵列的恒功率输出,又抑制了直流母线电压波动对并网电能质量的影响,从而减小功率解耦电容。但是,对并网逆变器的设计而言,仍未形成简易实用、通用性强的功率解耦设计准则。

为此,本文在目前最常用的两种单相并网逆变器电路拓扑的基础上,综合考虑MPPT效率、逆变器转换效率及并网电能质量,通过理论分析、计算机仿真和系统实验,分析比较并网功率脉动的影响,提出解耦电容的优化设计准则,提高了系统的运行效率,实现了产品设计的规范化。

2 系统构成与控制策略

光伏并网发电系统的构成简单,由光伏阵列、并网逆变器及电网组成。图1为采用两种常用电路拓扑的单相光伏并网系统结构。其中,图1a为单级式工频隔离结构,光伏阵列输出的直流电直接由逆变电路转换成工频交流电,再经过隔离/升压变压器并入电网,解耦电容C集中在逆变器的输入端,与光伏阵列直接并联;图1b为两级式非隔离结构,光伏阵列输出的直流电先由Boost电路升压并作MPPT控制,再经过逆变电路转换成工频交流电后直接并网,解耦电容C0和C分别处于Boost电路的前后两端。

电网可被视为无穷大交流电压源,并网逆变器必须依据并网点电压的幅值、频率及相位实施系统控制,最大限度地将光伏阵列接收的太阳辐射能转换成符合电能质量要求的并网电能。

光伏阵列是由多块太阳能电池组件串并联组成的非线性直流电源,通常使用等效电路来描述太阳能电池的特性,其对应的数学模型为

$\begin{array}{l}{\rm I}={\rm I}{}_{\text{S}\text{C}}-{\rm I}{}_0\left\{\exp \left[\frac{q(V+R{}_{\text{s}}{\rm I})}{nk{\rm T}{}_{\text{k}}}\right]-1\right\}-\frac{V+R{}_{\text{s}}{\rm I}}{R{}_{\text{s}\text{h}}}\\ (1)\end{array}$

式中:V,I分别为输出电压与电流;ISC为光生电流;I0为二极管饱和电流;q为电子的电荷量,1.6×10-19 C;Rs,Rsh分别为等效串联与并联电阻;n为二极管特性因子;k为玻尔兹曼常数,1.380×10-23J/K;Tk为绝对温度,K。

在实际工程中,此模型使用并不方便,因而更多采用基于开路电压、短路电流、最大功率点电压与电流的简化工程模型。图2为由12块170 W/35.6 V单晶硅太阳能电池组件组成的光伏阵列在标准条件下的输出特性,采用6块串联、2组并联的接线方式,输出功率存在一个最大功率点(maximum power point, MPP),功率和电压分别为2 040 W与213.6 V。系统的理想运行状态是将光伏阵列输出电压和电流稳定地保持在MPP上,输出稳定的直流功率。

3 并网功率脉动对系统特性的影响

光伏并网发电系统的并网电流通常是与并网点电压同频率、同相位的正弦波,即

则系统的单相并网功率为

p(t)=vac(t)iac(t)=VacIac[1-cos(2ωt)] (3)

式中:Vac为并网点电压有效值,V;Iac为并网电流有效值,A;ω为电网角频率,rad/s。

由此可见,并网功率的平均值为P=VacIac,但是含有2倍工频的脉动量VacIaccos(2ωt)。如果要求光伏阵列直接提供相匹配的脉动功率,不仅发电效率大幅降低,与控制相关的电气变量也不稳定,增加了系统控制的难度。因此,在并网逆变器中必须设有输入、输出功率的解耦环节。

根据式(1)及图2所示的光伏阵列特性,将光伏阵列等效为一个电流源。在给定入射辐射强度与温度条件下,输出电流可作为输出电压的函数:

IPV=f(VPV) (4)

并网逆变器是电压源电流控制型变换装置,可将逆变电路简化为一个电流源。尽管由直流母线流入逆变电路的电流具有以正半周正弦波为包络线的脉宽调制波形,但本论文关注半个工频周期内直流母线上电气变量的波动及其影响,可将电流近似为连续光滑的波形,根据功率平衡的原则,结合式(3)可得逆变电路的等效电流源为

iinv(t)=P[1-cos(2ωt)]/Vdc (5)

式中:Vdc为逆变电路直流母线电压。

单级式并网逆变器只有一个电能转换控制环节(VPV =Vdc),兼有MPPT和逆变双重功能,电容C的解耦作用完全由电容量决定,无法通过控制实施主动调节,结合式(4)与式(5),则有

$C\frac{\text{d}}{\text{d}t}V{}_{\text{Ρ}\text{V}}=f(V{}_{\text{Ρ}\text{V}})-\frac{{\rm P}}{V{}_{\text{Ρ}\text{V}}}[1-\cos (2\omega t)](6)$

将VPV,IPV分解为直流分量$\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}},\overline{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$与纹波分量$\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}‚\widetilde{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$,并将$\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$的峰-峰值与$\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$之比定义为直流电压纹波率。在点$(\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}},\overline{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}})$对I/V曲线作线性近似,由式(6)可得

$C\frac{\text{d}}{\text{d}t}\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}=A\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}+\frac{{\rm P}}{\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}}\cos (2\omega t)(7)$

其中$A=\text{d}f(V{}_{\text{Ρ}\text{V}})/\text{d}V{}_{\text{Ρ}\text{V}}|{}_{V{}_{{\rm P}V}=\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}}<0‚\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$的稳态解为

$\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}=\frac{{\rm P}\sin (2\omega t+\alpha )}{\overline{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}\sqrt{4\omega {}^{2}C{}^2+A{}^2}}$ (8)

$\alpha =\arctan \frac{-A}{2\omega C}$ (9)

对应的纹波电流可近似为

$\widetilde{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}}=A\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$ (10)

在最大功率点附近,如果$\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}$较大,上述线性化近似会导致较大的误差。光伏阵列输出电流受其短路电流Ishort限制,即

$0<\overline{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}}+\widetilde{{\rm I}}{}_{\text{Ρ}\text{V}}<{\rm I}{}_{\text{s}\text{h}\text{o}\text{r}\text{t}}$ (11)

纹波电流越大,可输出的直流分量就越小,输出功率也随之下降,表明单级式并网逆变器中解耦电容直接影响直流母线电压稳定性及MPPT效率。

两级式非隔离结构并网逆变器有2个电能转换控制环节,通常由Boost电路实施MPPT控制,使光伏阵列输出功率保持稳定,解耦作用完全由电容C承担,直流母线电压满足下列微分方程:

$C\frac{\text{d}}{\text{d}t}V{}_{\text{d}\text{c}}=\frac{{\rm P}}{V{}_{\text{d}\text{c}}}\cos (2\omega t)$ (12)

解得纹波电压为

$\tilde{V}{}_{\text{d}\text{c}}=\frac{{\rm P}\sin (2\omega t)}{2\omega C\overline{V}{}_{\text{d}\text{c}}}$ (13)

由于逆变后直接并网,要求保持足够高的$\overline{V}{}_{\text{d}\text{c}}$,同时又要保证开关器件不承受过压。因此,在单相220 V交流系统中,通常取$\overline{V}{}_{\text{d}\text{c}}$为380 V,若将纹波电压的幅值限定在30 V以内,由式(13)可得解耦电容C为

$C>\frac{{\rm P}}{2\omega \times 30\times 380}\approx 0.14{\rm P}\times 10{}^{-6}$ (14)

以图2所示的光伏阵列为例,假设受光照和温升的影响,最大功率为1.5 kW,对应的电压为200 V,将实际输出功率与最大功率之比定义为MPPT效率。由式(8)、式(10)及式(11)可得解耦电容对单级式逆变器运行特性的影响:随着解耦电容的增大,系统的输出功率逐渐上升,MPPT效率提高,直流电压与电流的纹波逐渐减小。当电容量达到700 μF时,输出功率已接近光伏阵列的峰值功率,但直流电压与电流仍有较大的纹波。

由式(13)及式(14)计算解耦电容对两级式逆变器运行特性的影响:在Boost电路的控制作用下,当电容量达到300 μF时,输出功率已接近峰值功率,但直流电压纹波大。随着电容量的增加,纹波电压迅速减小。

另一方面,解耦电容的充放电损耗会对其使用寿命及逆变器转换效率产生一定的影响;目前产品中通常采用铝电解质电容,其标称损耗角正切tan δ 约为0.15,等效串联电阻为

$R{}_{\text{E}\text{S}\text{R}}=\frac{\tan \delta }{2\omega C}$ (15)

流经电容的充放电电流幅值及平均功耗为

${\rm I}{}_{\text{C}}=2\omega C|\tilde{V}{}_{\text{d}\text{c}}|$ (16)

${\rm P}{}_{\text{l}\text{o}\text{s}\text{s}}=\frac{1}{2}{\rm I}{}_{\text{C}}^{2}R{}_{\text{E}\text{S}\text{R}}$ (17)

充放电电流先随电容量增大,达到最大功率点后,基本保持不变。而功率损耗呈现先增后减的趋势。与两级式逆变器相比,单级式逆变器的直流母线电压通常较低,解耦电容的充放电电流和功率损耗大。若提高光伏阵列的最大功率点电压,两者之间的差距就会缩小。

在MatlabTM/Simulink平台上,建立了光伏阵列、并网逆变器及控制方法的详细模型,对理论分析结果及系统运行状态进行仿真验证。光伏阵列最大功率点为1.5 kW/200 V时的仿真结果如图3所示。MPPT效率及直流母线纹波电压与理论计算结果保持一致;由于未对逆变器的功率损耗建立精确的仿真模型,所以图3中所示的功率损耗与实际值之间有较大的误差,但是能够反映解耦电容对逆变器转换效率影响的变化趋势;随着解耦电容的增大,并网电流的总谐波畸变率THDi逐渐减小,由于两种并网逆变器采用了相同的逆变控制方法,解耦电容对THDi的影响基本相同。

4 解耦环节的优化设计

上述分析和仿真结果表明,解耦电容对并网逆变器运行特性的影响有3个主要因素,即输出功率、直流母线电压和电容量。针对不同类型的逆变器,分别进行功率解耦环节的优化设计。

4.1 单级式并网逆变器

单级式逆变器的MPPT效率直接受纹波电压的影响,需要使系统工作在最大功率点,并将纹波电压抑制在相应的范围内。根据光伏阵列输出特性,在最大功率点为

$\frac{\text{d}{\rm I}{}_{\text{Ρ}\text{V}}}{\text{d}V{}_{\text{Ρ}\text{V}}}=\frac{{\rm P}{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}}{V{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}^2}$ (18)

式中:Pmpp与Vmpp分别为最大功率点功率与电压。在$V{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}\pm |\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|$点的输出功率可线性近似表达为

${\rm P}{}_1=(1-|\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|{}^2/V{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}^2){\rm P}{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}$ (19)

但是,对光伏阵列P/V特性的拟合计算结果表明,在最大功率点附近,由式(19)得到的计算值偏高,而下式在较宽的$|\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|$范围内保持了良好的精度:

${\rm P}{}_1=(1-4.5|\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|{}^2/V{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}^2){\rm P}{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}$ (20)

不同类型的太阳能电池对式(20)的影响不大。为保证MPPT效率≥99.8%,需使P1≥0.996Pmpp,由式(20)解得$|\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|\le 0.03V{}_{\text{m}\text{p}\text{p}}$,即直流母线电压纹波率低于6%。根据并网逆变器最基本的2个规格参数:额定功率Prated和最低MPPT电压Vmin,利用式(8),便可确定解耦电容的电容量,如下式:

$C\ge \frac{{\rm P}{}_{\text{r}\text{a}\text{t}\text{e}\text{d}}}{2\omega V{}_{\min }}\sqrt{\frac{1}{|\tilde{V}{}_{\text{Ρ}\text{V}}|{}^2}-\frac{1}{V{}_{\min }^2}}\approx \frac{{\rm P}{}_{\text{r}\text{a}\text{t}\text{e}\text{d}}}{0.06\omega V{}_{\min }^2}(21)$

由式(8)、式(15)～式(17),充放电功率损耗为

${\rm P}{}_{\text{l}\text{o}\text{s}\text{s}}=\frac{{\rm P}{}_{\text{r}\text{a}\text{t}\text{e}\text{d}}^2\tan \delta }{4\omega CV{}_{\min }^2}$ (22)

以Prated=2 kW,Vmin=200 V的单级式并网逆变器为例,解耦电容可取值C≥2 650 μF,则Ploss≤4.5 W,对逆变器转换效率的影响小。纹波电流与普通铝电解质电容纹波电流额定值之比低于0.57,假定并网逆变器全年等效满负荷运行时间为1 500 h、解耦电容所在的机壳内全年平均温度为50 ℃,若不考虑电解液的散失,即使使用2 000 h/85 ℃的铝电解质电容,也完全能够满足整机10 a使用寿命的要求。

4.2 两级式并网逆变器

解耦电容对两级式逆变器MPPT效率的影响小,因此功率解耦环节的设计以纹波电压对THDi 及充放电功率损耗的影响为主要依据。

纹波电压对THDi 的影响取决于逆变环节的控制方法,如果能够配合PWM 开关周期,准确地检测纹波电压,对调制占空比进行及时的补偿,就有可能使用较小的解耦电容。通常将直流母线电压控制在380 V左右,若要将直流电压纹波率与单级式并网逆变器同样控制在6%以内,由式(13)可得:

$C\ge \frac{{\rm P}{}_{\text{r}\text{a}\text{t}\text{e}\text{d}}}{0.06\omega \times 380{}^2}$ (23)

以Prated=2 kW的两级式并网逆变器为例,解耦电容可取值C≥735 μF,远小于单级式并网逆变器的设计值。如果使用2 000 h/85 ℃的铝电解质电容,Ploss≤4.5 W,对逆变器转换效率的影响不变,纹波电流与电容对应的额定值之比为1.1,也能基本满足整机10 a使用寿命的要求。但是,图3的仿真结果表明,即使对控制环节作了理想化的近似,C =735 μF时的THDi仍在4%左右,而实际系统会含有更高的谐波。为了保证并网THDi满足要求,同时增加解耦电容使用寿命的设计冗余度,可加大约50%电容量。

5 实验结果

使用额定功率为1.7 kW的单级式并网逆变器和2 kW的两级式并网逆变器各一台,采用模拟光伏阵列的可编程直流电源,设定不同的峰值功率和电压,变更解耦电容大小,评估系统运行的各项性能指标。

图4为直流母线电压纹波与并网电流的实测波形,表1为实验结果与仿真结果的对比,光伏阵列设定为1.5 kW/200 V。结果表明,解耦电容的大小对单级式并网逆变器运行特性影响大,除逆变器效率外,其他各项指标均有较大幅度变化,只要使MPPT效率保持在合理的范围内,并网THDi自然能够满足相关标准的要求;而两级式并网逆变器的MPPT效率与逆变器效率保持相对稳定,纹波电压与并网THDi有较大变化,需要根据并网THDi确定解耦电容。由于仿真模型中无法精确计及所有器件的动态特性与功率损耗,所以变频器效率的仿真与实验结果在数值上存在较大的差异,但变化趋势一致。

实际应用中,光伏阵列输出电压和功率的高低对系统运行特性也会产生影响,表2为最大功率保持不变(1.5 kW)、对应的电压分别为200 V及300 V 时的实验结果。提高光伏阵列输出电压,有利于改善单级式并网逆变器的MPPT效率和THDi、减小纹波电压,但由于使用了倍压隔离变压器,过高的输入电压反而会增加开关损耗,导致逆变器效率降低。而两级式逆变器除MPPT效率保持不变外,其他指标都得到了明显的改善。

表3为电压保持不变(200 V)、最大功率分别为800 W及1 700 W时的实验结果。纹波电压与输出功率基本保持线性关系;输出功率为800 W时,2台逆变器的负载率分别为47%和40%,所以并网THDi偏高;两级式逆变器的其它指标相对稳定,而使用较小解耦电容的单级式逆变器的MPPT效率会出现较大幅度的变化。

利用实际运行的光伏并网发电系统对并网逆变器产品进行了系统测试。1.7 kW单级式并网逆变器的实际安装解耦电容为1 640 μF (优化设计值为2 250 μF);2 kW两级式并网逆变器的实际安装解耦电容为1 680 μF(优化设计值为1 100 μF)。光伏阵列由12块170 W/35.6 V单晶硅太阳能电池组件6块串联、2组并联组成,实测输出电压约为195 V。系统运行稳定,各项性能指标与采用模拟电源获得的实验结果保持一致,THDi略有降低,满足电能质量的要求。结合表3所示的实验结果,由于单级式逆变器的解耦电容偏小,额定功率运行时,MPPT效率偏低,解耦电容相对于内部环境的温升为28.6 K,相对于外部环境的温升更是高达46 K;而两级式逆变器的解耦电容偏大,额定功率运行时,MPPT效率满足设计要求,解耦电容相对于外部环境的温升仅为34.8 K,从而验证了本文功率解耦环节优化设计规则的合理性和有效性。

6 结论

1)单级式与两级式并网逆变器功率解耦环节优化设计的依据不同,单级式以MPPT效率为主要依据,而两级式以纹波电压对THDi的影响、纹波电流对电容使用寿命的影响为主要依据。本文提出的优化设计规则只基于并网逆变器的额定功率和最小MPPT电压,简单实用,且通用性强。

2)单级式并网逆变器解耦电容的优化设计参考值为C≥5.3×104Prated/V${}_{\min }^2$μF,可保证MPPT效率≥99.8%,合理提高Vmin,能够大幅减少电容量。由于需要的电容量大,不适宜使用薄膜电容。

3)两级式并网逆变器由于Boost电路的作用,所需解耦电容大幅减小,能够发挥薄膜电容的优势。如果采用普通铝电解质电容,其优化设计参考值为C≥8×104Prated/V${}_{\text{d}\text{c}}^2$μF,仍远小于单级式并网逆变器的解耦电容,且不受Vmin的影响,但合理提高Vmin,能够减小Boost电路的损耗,提高逆变器效率。

4)并网逆变器产品都设定了较宽的MPPT电压范围,并以此作为产品竞争的重要指标。虽然方便了用户进行光伏阵列的匹配,但可能造成逆变器实际运行效率降低。应该合理设定MPPT电压范围,并指导用户制订高效的系统方案。

参考文献

[1]Ramakumar R,Bigger J E.Photovoltaic Systems[J].Pro-ceedings of the IEEE,1993,81(3):365-377.

[2]Kroposki B,DeBlasio R.Technologies for the New Millennium:Photovoltaics as a Distributed Resource[C]∥IEEE Power Engi-neering Society Summer Meeting,2000,3:1798-1801.

[3]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[4]Enjeti P,Shireen W.A New Technique to Reject DC-linkVoltage Ripple for Inverter Operating on ProgrammedPWM Waveforms[C]∥IEEE 21st Annual Power Electron-ics Specialists Conference,1990:705-713.

[5]Kjaer S B,Blaabjerg F.Design Optimization of a SinglePhase Inverter for Photovoltaic Applications[C]∥IEEE34th Annual Power Electronics Specialists Conference,2003,3:1183-1190.

[6]Shimizu T,Wada K,Nakamura N.Flyback-type Single-phase Utility Interactive Inverter with Power Pulsation De-coupling on the DC Input for an AC Photovoltaic ModuleSystem[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(5):1264-1272.

[7]Tan G H,Wang J Z,Ji Y C.Soft-switching Flyback In-verter with Enhanced Power Decoupling for PhotovoltaicApplications[J].IET Electric Power Applications,2007,1(2):264-274.

[8]Kyritsis A C,Papanicolaou N P,Tatakis E C.A NovelParallel Active Filter for Current Pulsation Smoothing onSingle Stage Grid-connected AC-PV Modules[C]∥Europe-an Conference on Power Electronics and Applications,2007:1-10.

[9]刘邦银,段善旭,康勇.单相单级并网光伏发电系统中二次功率扰动的分析与抑制[J].太阳能学报,2008,29(4):407-411.

[10]Kotsopoulos A,Duarte J L,Hendrix M A M.PredictiveDC Voltage Control of Single-phase PV Inverters withSmall DC Link Capacitance[C]∥IEEE International Sym-posium on Industrial Electronics,2003,2:793-797.

单相光伏发电并网 篇2

无论是光伏，还是风电，任何新能源项目最终的投资收益途径是依靠发电。发电使用有两种途径：

1、自发自用，2、出售给电网，就是并网上传。并网的受限极大地限制了光伏市场的发展：

1、对于分布式屋顶光伏电站，如果只能自发自用，电站的建设容量必须受业主本身最大耗电量的限制，否则过多的发电只能浪费。这会造成业主的屋顶资源无法充分利用。

2、如果想存储过多的光伏发电，一种方案是增加储能单元。可是目前蓄电池成本昂贵，维护成本高，一般的业主是承担不起的。多余的电上传电网是最经济的消纳渠道。

并网的难度遏制了民间资本对光伏电站投资的积极性。屋顶光伏电站实际上一个稳定的投资回报产品。它会给业主源源不断地发电创造价值，风险比证券产品低，维护起来很简单，比经营一家餐馆、公司等实业容易得多。本来应该有很大的市场潜力。

不能确保光伏电的并网，就无法保证光伏系统投资者的利益，必然限制市场发展，最终导致中国国内市场大大落后于制造产能。

这个问题在欧美双反的倒逼下，我们终于看到了曙光。国家电网于2012年10月26日公布了《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》的新政，对分布式并网的态度180度大转身，从完全排斥改为“支持、欢迎、服务”。支持分布式并网，承诺全额收购富余电力。6MW以下免收接入费用。并网权限明确下放到地市公司。

《意见》新政执行两年来，全国各大城市涌现了一批居民私人光伏系统成功并网的吃螃蟹者，起到一定积极示范作用。但是，总体来说，政策落实并不乐观。主要问题体现在：

1、各地执行不统一。由于国网《意见》是比较笼统的政策大纲，缺乏操作细则，各地电网在执行中对并网尺度掌握有偏差。希望国网尽快出台细则，统一解读，规范操作。有漏洞就会有人转空子，暗箱操作。

2、整个并网申请流程时间过长，手续复杂。《意见》里制定的是45个工作日并网，可是实际流程一般会超过60天。希望电网能够进一步简化并网流程，提高并网效率。

3、根据国家电网办〔2013〕1781号《国家电网公司关于印发分布式电源并网相关意见和规范(修订版)的通知》，逆变器类型分布式电源接入220/380伏配电网技术要求，并网点应安装易操作，具有明显开断指示、具备开断故障电流能力的低压并网专用开关，专用开关应具备失压跳闸及检有压合闸功能，失压跳闸定值宜整定为20%UN、10秒，检有压定值宜整定为大于85%UN。

这种开关市面上比较少，实际上也没有什么用。

二、审批难

2014年以前，光伏电站的项目审批执行的是核准制。按照国务院2004年发布《政府核准的投资项目目录》，能源类电站项目的投资建设项目需要取得政府相关部门的核准。核准的文件要求，“由具备甲级资质的工程咨询机构编制的项目申请报告一式5份”。据了解甲级资质的项目申请报告大约20万一套，还要城市规划、环境评价、土地等审批报告。这些报告全下来，估计需要50万。通常一个50KW分布式光伏电站的全部投资才50万，而一个3KW的分布式光伏电站就基本能满足一户普通居民家庭的日常用电需求。如此高的审批费用和繁琐的审批程序，这不是一个笑话吗?

1、门槛设置过高。施工资质和设计资质要求过高。电网要求光伏系统施工单位需要承装(修、试)电力设施许可证、建筑施工许可证、安全生产许可证，这些门槛大大提高光伏的推广应用的资质要求和难度。比如：承装(修、试)电力设施许可证至少要求1000万注册资金，可是一个普通居民光伏项目工程也就3-5万元左右，这么高的门槛是没有必要性的。

2、附加条件苛刻。有的地方供电局规定要在并网点加一个防孤岛的装置，这个设备目前只有少数公司生产，价格比一台逆变器还贵，而防孤岛功能只有被动检测，作用并不大。还有的电网公司规定要装智能断路器，也是多此一举的。

3、有的电网公司自己开设新能源公司，做光伏电站EPC工程。既当裁判，又当运动员。对自己内部的项目一路绿灯，对外的项目能拖就拖，能卡就卡。

三、结算难

分布式电站不是为了并网而并网，而是要把多余发电量卖给电网。所以后续财政部的分布式光伏发电的电价补贴政策就将是国内光伏市场是否能够真正打开的一个关键。

2013年以前，国家对于分布式光伏系统的补贴主要是“金太阳”政策。由于是事前补贴，执行几年中，陆续发现骗补、项目检查和审核管理等问题。为提高国家投入的经济性，2013年后，国家停止金太阳政策，改为以实际所发电量作为激励政策的计量标准，实行度电补贴政策。将事前装机补贴变为事后度电补贴，以核定电量为依据发放补贴资金。这也是与国际接轨的讲求发电实际效果的事后补贴方式。补贴更为透明、客观。

但是在实际操作中，光伏发电业主碰到主要问题是如何取得售电和补贴增值税发票。没有发票，电网无法支付上网电费和发电补贴。国税局2014年6月针对性地出台了并网卖电发票由电网代开的政策，给居民业主简化了结算环节，算是及时雨。但是，光伏补贴和上网电费被扣税问题仍然没有得到解决。

1、国网代开光伏卖电发票，直接扣除17%增值税。可是依据财政部13年发布财税[2013]66号文件，2013年10月1日起实施光伏发电增值税即征即退50%政策，所以光伏上传电费不应该按17%扣税，而是只能扣8.5%(一半)。

2、国网在转付分布式光伏的补贴时，也扣除了17%的增值税。原每度电补贴0.42元，扣17%增值税后，每度电补贴0.359元。可是按照国税总局去年2月发布的《关于中央财政补贴有关问题的公告》(国税[2013]3号)文件，“纳税人取得中央财政补贴不属于增值税应税收入，不征收增值税”。但是国网解释，由于补贴属于国网转付给光伏业主，财政部在划拨补贴时，就已经扣税了。所以问题不是出在国网，而是财政部。

光伏上网电费和度电补贴扣除17%的增值税率将极大地削弱项目的投资回报率，减少项目投资吸引力。显然，这和国家主张大力推动分布式光伏国内市场发展的大方向是背道而驰的。这个问题需要电网、国税、财政等部门共同洽谈协商解决，贯彻落实国家对于新能源的支持政策。否则必然会打击投资人的积极性，对推动光伏市场发展非常不利。

结语

光伏并网发电系统及其控制策略 篇3

关键词：光伏；最大功率控制；策略

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 16-0000-01

一、光伏发电的背景和意义

能源短缺和环境污染是当前人类的文明面临的最大挑战，石油、煤炭的无度开采和使用，直接导致大气层破坏、温室效应加重，酸雨等灾害频发。环境污染和破坏最终必将给人类自身的生存和发展带来直接威胁。随着社会经济的发展和地球人口的增加，对能源的需求和依赖程度不断加剧，对资源型化学燃料的开采逐年增加，一方面导致地球资源变得更加短缺，同时对环境造成了不可逆转的严重破坏。如何统筹解决好经济发展、能源消耗、环境污染等系列问题成为全人类需要面对的共同课题。近年来绿色新能源的开发和利用已经取得了实质性进展，光伏技术的出现使清洁可再生能源的利用和开发成为可能。太阳能光伏发电技术作为最新的绿色能源技术以其巨大的开发潜力成为众多国家的研究方向。地球所有能源几乎全部由太阳能转化形成，太阳能是人类生存发展的最重要能源形式，太阳能开发和利用对人类生活方式和文明进程有着不可替代的作用。虽然当前太阳能光伏发电的成本依然较高，但我们可以预见，经过人们的不断努力，太阳能作为一种几乎永不枯竭的能源可能在未来成为人类最重要的能源供给形式，太阳能的开发和利用具有无法估量的潜力和未来。

二、最大功率点跟踪控制策略

太阳能电池是光伏半导体材料吸收光能的半导体材料的光伏效应的使用能够生效后产生的现象。类似的半导体材料的太阳能电池和二极管的基本特征吸收光线时，由光子激发的电子-空穴对，会产生分离力。太阳能电池的光电转换的最小单位，一般不作根据需要许多系列和平行重新组建后的太阳能电源，太阳能电池单元和包经过串并联的电池组件，太阳能电池组件阵列。因为太阳能电池的最大功率点受温度和光照影响，所以在不同的工作环境下，为了使太阳能电池输出最大功率，就要让太阳能电池的参数和负载取得最佳匹配，才能获得最大输出功率。

在线性常规电气系统及设备中，为确保获得最大负载功率，经常需要警醒负载匹配工作，以便使供电系统的内阻与负载系统内阻基本一致，此时负载系统可以获得功率值会达到最大。对于供电系统内阻恒定的情况，可采取内阻和外阻相同的方法获取输出功率最大值，然而在太阳能光伏供电系统中，太阳能电池的内阻会受到温度、负载、光强等因素的影响，太阳能电池的内阻始终处于变化状态，无法通过内阻与外阻相同的简单方式获取最大输出功率。比较常用的方法是实施太阳能最大功率点跟踪控制，使负载和太阳能电池阵列的直流转换器增加，通过电源开展的占空比调节实现太阳能电池列阵输出功率最大，并实现最大功率的跟踪控制效果。

三、光伏发电系统的并网控制

太阳能电池板输出的电流为直流电，而公共电网侧的电流多为50Hz交流电，要实现太阳能电池板输出能源并入电网，需要通过逆变器将太阳能电池输出的直流电转换为交流电。光伏发电系统的并网控制关键在于，通过控制器和逆变器将太阳能电池组输出的电流转换为电网同频率的输入电流，实现电网功率因数控制和调整。

光伏并网系统逆变器控制方式通常可以分为电流控制和电压控制，通过电源输出控制和逆变器控制并联实现。事实上如果光伏逆变器输出系统可以视为容量无限的恒压源，光伏电源和电网电源并联运行，为确保电网稳定，需采用相应的锁控制技术，在确保系统稳定运行的前提下，实现光伏发电系统与电网电源同步，通过对变频器的输出电压的调整以及对相位系统输出功率大小的控制实现，然而，因为锁相环的响应速度比较缓慢，系统中逆变器输出电压往往不易得到十分精确的控制，可能导致流通性问题，如果未采取一定措施，在通常情况下，电压源并联相同的功率水平运作方法往往不易获得最佳性能。如果采用逆变器输出电流控制的方法，则仅仅需要对逆变器的输出电流进行控制，来完成对电网电压的跟踪，就可以实现并联运行的目的。因为这种控制方法比较简单，实现方便，因此应用比较广泛。当前光伏并网发电的抓哟模式均为电源源输入和电压源输入控制的模式。

太阳能光伏发电技术拥有十分广阔的发展前景，随着光伏技术的进步和光伏产业规模的扩大，未来太阳能电池板光电转换效率将会有更大幅度的提高，太阳能光伏发电成本也会大大降低，太阳能电池的使用寿命也会进一步提高。当前世界各国军在太阳能光伏发电方面给予了大力支持，在政策、法规等方面给予了充分的支持，在世界范围内形成了太阳能光伏并网发电的良好研究环境和发展环境。在世界能源日益紧张，环境问题日益突出的情况，太阳能光伏发电作为可再生新能源具有令热鼓舞的发展前景，虽然目前在太阳能光伏发电方面还存在一些技术性难题，但我们相信随着研究的不断深入，未来太阳能光伏發电技术必将迎来更快发展，并在我国能源结构中占据重要位置，为满足人民生活质量提升要求作出新的贡献。

参考文献：

[1]石定寰.中国新能源与可再生能源年鉴[M].北京：中国可再生能源学会，2009：1-3.

[2]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京：北京工业大学出版社，2001：1-3.

[3]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005：32-35.

单相光伏并网逆变系统研究 篇4

光伏并网系统从主电路的功率变换结构来看,一般可分为两级能量变换式并网逆变结构和单级能量变换式并网逆变结构。两级能量变换式光伏并网逆变器的组成部分主要包括:太阳能光伏电池板阵列、DC/DC能量转换环节、逆变波形校正环节和无源滤波器等。系统的控制部分的组成部分主要包括:对最大功率进行跟踪的控制部分和对逆变波形进行校正的控制部分。两级能量变换式逆变器的结构清晰、功能分配明确,算法简单明了、容易实现。但两级式系统在结构上环节较多,可靠性不高;在控制上系统的功率点控制和逆变控制分别由两个不同的环节独立完成,系统动态响应慢,且稳态、动态特性不易协调。单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节,最大功率跟踪控制(MPPT)、逆变输出波形控制、相位同步等控制目标均要求在一个变换环节中得到实现,省去了中间的DC/DC环节,提高了效率及系统可靠性,简化了结构,更加有利于调试和维护,但其代价是控制算法复杂。随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的飞速发展,系统拓扑结构引起的控制困难正在逐渐被克服,单级式光伏并网逆变系统已成为国内外光伏发电领域的一个研究热点。因此,本文并网系统选用单级式结构。

1单相光伏并网逆变系统方案

系统采用单相单级式工频隔离型光伏并网逆变器结构,应用PWM逆变器产生工频交流电,再利用工频变压器进行电气隔离和电压变换,最终实现光伏阵列输出的直流电变换为交流电并馈入电网。其主电路如图1所示。

通过功率器件IGBT开关管Q1～Q4的换相作用,直流电转换为能够并入电网的交流电。因为市电电网呈电压源特性,故采取以电流的形式馈入电网。通过滤波电感L的作用,逆变器输出的电压波形转换为能够并入电网的正弦波波形。功率开关管的通断由DSP主控板触发产生SPWM波形信号驱动控制。变压器T起到逆变器与电网电气隔离和电压变换的作用。当并网电流(即逆变器输出电流)与电网电压满足同频同相时,即实现并网的功能。

1.1 光伏模型及其仿真

单体光伏电池(即光伏电池单元)的等效电路图如图2所示。

光伏电池的输出特性曲线方程为:

${\rm I}={\rm I}{}_{\text{s}\text{c}}-{\rm I}{}_{\text{o}}[\exp (qU{}_{\text{d}}/(\text{A}\text{k}\text{t})-1)]-U{}_{\text{d}}/R{}_{\text{p}}(1)$

其中:

$\{\begin{array}{l}U{}_{\text{d}\text{o}}=U{}_{\text{p}}+{\rm I}R{}_{\text{s}}\\ {\rm I}{}_{\text{o}}={\rm I}{}_{\text{o}\text{r}}[{\rm T}/{\rm T}{}_{\text{r}}]{}^3\exp \left[\frac{qE{}_{\text{G}\text{Ο}}}{Ak}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{r}}}-\frac{1}{{\rm T}}\right)\right]\\ {\rm I}{}_{\text{s}\text{c}}=[{\rm I}{}_{\text{s}\text{c}\text{r}}+{\rm K}{}_{{\rm I}}({\rm T}-298)]\lambda \end{array}(2)$

式中:A为二极管理想系数因子(A值处于1～3之间);k为玻耳兹曼常数(1.38×10-23 J/K);T为光伏电池单元温度(单位:K);q为单个电子电荷电量(1.6×10-19 C);λ为光照强度(单位:kW/m2);EGO为硅的带宽系数;Isc是温度298 K、光照强度为1 000 W/m2条件下的短路电流(单位:A);Iscr是温度298.15 K、光照强度为1 000 W/m2条件下的短路电流(单位:A);KI为标准温度下的短路电流温度系数(1.7 mA/K);Io为二极管的反向饱和电流值(单位:A);Tr为所参考的温度值(301.18 K);Ior为参考温度Tr条件时二极管的反向饱和电流(单位:A)。

整个光伏阵列输出电压、输出电流为:

$U{}_{\text{Ρ}\text{V}}={\rm N}{}_{\text{s}}(U{}_{\text{d}}-{\rm I}R{}_{\text{s}})‚{\rm I}{}_{\text{Ρ}\text{V}}={\rm N}{}_{\text{p}}{\rm I}(3)$

式中:Ns,Np分别为太阳能光伏电池阵列中串联和并联的光伏电池单元的个数;UPV,IPV分别为整个光伏电池阵列的输出电压和输出电流。

依据光伏阵列等效电路图和其数学模型的描述,应用PSIM软件对光伏电池进行构建仿真模型,仿真结果如图3所示。

由仿真结果可见光伏电池的输出特性I-U,P-U曲线与光伏等效电路及其数学模型理论分析的结论一致。

1.2 并网逆变器的数学模型建立

主电路如图1所示,并网系统工作在正半周时的两种状态的等效电路图,如图4所示。

假定电网电压为unet,流过滤波电感的电流为iL,逆变器输出电压为uo,则此时uo=Ud。K为变压器的匝数比。忽略开关器件导通时间、关断时间和死区时间等因素的影响,在开关管Q1导通时间T的期间内,若Q4也导通,则并网系统工作在图9中的状态一,令Q4导通时间为dT。那么,当Q3处于导通状态时,并网系统便工作在图9中的状态二,则Q3导通时间为(1-d)T。那么根据状态平均法,并网系统工作在正半周时的状态方程为:

$\{\begin{array}{l}i{}_{\text{n}\text{e}\text{t}}={\rm K}i{}_L\\ \frac{\text{d}i{}_L}{\text{d}t}=[-\frac{R}{L}]i{}_L+\left[\frac{d}{L}-\frac{{\rm K}}{L}\right]\left[\begin{array}{c}U{}_{\text{d}}\\ u{}_{\text{n}\text{e}\text{t}}\end{array}\right]\end{array}(4)$

对式(4)进行拉普拉斯变换,可得到系统的复数域方程:

${\rm I}{}_{\text{n}\text{e}\text{t}}(s)=\frac{{\rm K}}{Ls+R{}_{\text{L}}}[dU{}_0(s)-{\rm K}U{}_{\text{n}\text{e}\text{t}}(s)](5)$

由于逆变系统的主电路拓扑为单相PWM全桥逆变器,因此d可相应地等效为PWM信号的占空比值。由单极性SPWM信号产生的原理:d=uc/ur。令逆变器增益KPWM=uo/ur,则duo=KPWMuc,然后再依据式(5)即可得到并网逆变器的主电路数学模型,如图5所示。其中,G2(s)=1/(Ls+RL)是滤波电感的传递函数。考虑到公共电网电压unet对并网电流inet的影响作用,于是可将电网电压unet视作一个扰动信号。

2主电路的参数设计

单相光伏并网逆变系统如图6所示,控制系统中一共设计了四块电路板,分别为DSP主控板、信号采集板、驱动板和供电电源板。由DSP主控板发出PWM波形信号经驱动板来驱动IPM模块。功率模块IPM的输出接入滤波电抗器后,再经过变压器升压、交流EMI滤波器滤波、接触器和断路器的控制后并入单相电网。

2.1 光伏电池阵列的设计

将太阳能电池板光伏阵列的最大功率设计为3.3 kW,需要最大输出功率为125 W、开路电压为20.6 V的同样的阵列电池组件27块。采用该27块电池组件串联的形式即可得到所需光伏阵列。

2.2 直流滤波器的选取

直流EMC/EMI滤波器选用SCHAFFNER公司的型号为FN2200B-25-33的直流滤波器。其额定电压为1 200 V、额定电流为25 A,完全满足系统的要求。

2.3 直流母线电容的设计

假定光伏阵列的开路电压为Uoc,直流侧储能滤波电容的耐压值一般应该留有1.15倍的裕量,因此Ud ≥ 1.15Uoc。为了简化分析与计算,应用工程计算方法来估算电容值,其应用条件为:直流母线电容充电、放电的时间周期期间,电容以最大的负载输出电流值放电,电容两端电压保持在所要求的范围内时,直流母线电容值的选取以直流侧电压波动限幅为基准。设定极端的工作状态,如果Idc的值不等于零,则负载电流完全是由母线电容的放电效应供应的,那么Idc的值就是此时电流的最大值。

若并网逆变器输出电流的额定值是Ie,则电容C的电压电流数学关系式可表示为:

$\text{Δ}U{}_{\text{d}}=\frac{1}{C}\sqrt{2}{\rm I}{}_{\text{e}}\text{Δ}t(6)$

当要求电池阵列工作电压脉动的幅值小于3%时,功率主电路平波的选取按照下述方程:

$\text{Δ}U{}_{\text{d}}\le 3\%U{}_{\text{d}}(7)$

所以:

$C\ge \frac{{\rm I}{}_{\text{e}}}{0.0212U{}_{\text{d}}f}(8)$

假定单相并网逆变器额定输出电流Ie=15 A,阵列的输出电压Udc=300 V,SPWM频率f=12 kHz,由上式可求出C≥196 μF。

2.4 变压器变比的设计

工频隔离型变压器在光伏并网逆变器中有着升压和电气隔离的作用。光伏阵列直流输入电压范围是200～600 V,则变压器变比N1∶N2=200∶311=0.643。因此可选取变压器变比为150∶250的工频隔离型变压器。

2.5 并网交流滤波电抗器的设计

依据在稳态条件下交流侧电压的相量关系,滤波电感最大值的计算方法是:

式中:Em为电网电动势相电压的峰值;Im为交流侧基波相电流的峰值;Ud为直流侧输入电压。

在正弦波电流处于峰值时,谐波电流脉动量最大,则需要足够大的电感量来抑制谐波电流。于是得到:

$L\ge \frac{(2U{}_{\text{d}}-3E{}_{\text{m}})E{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{s}}}{2U{}_{\text{d}}\text{Δ}i{}_{\text{m}}},U{}_{\text{d}}\ge 1.5E{}_{\text{m}}(10)$

式中:Δim—谐波电流脉动量最大允许值;Ts—开关周期。于是滤波电感取值范围是:

$\frac{(2U{}_{\text{d}}-3E{}_{\text{m}})E{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{s}}}{2U{}_{\text{d}}\text{Δ}i{}_{\text{m}}}\le L\le \frac{\sqrt{U{}_{\text{d}}^2-4E{}_{\text{m}}^2}}{2{\rm I}{}_{\text{m}}\omega }(11)$

根据式(11),可得滤波电抗器的大小。该系统中选取2 mH非晶电抗器作为滤波电感。

3系统仿真与实验结论

根据单相光伏并网逆变器的工作原理与主电路设计方法,对3 kW单相光伏并网逆变系统进行建模仿真与样机的实验研究。在Matlab软件Simulink环境下对3 kW单相光伏并网逆变系统进行仿真建模,其中仿真参数设置如下:光伏阵列直流输出电压为450 V,滤波电感为2 mH,开关频率为12 kHz,PI参数为KP=4,KI=0.02。单相光伏并网逆变系统的仿真结果如图7所示,并网电流为iL,电网电压为unet。图中,逆变器输出电流,即并网电流iL是高品质的正弦波。根据仿真结果可以验证并网电流与电网电压并实现同频同相的功能,即在功率因数为1的情况下实现并网。通过仿真

验证了并网控制控制系统完全满足设计的要求。

4结语

采用单相工频隔离型光伏并网逆变器为设计对象论述了光伏电池的工作原理和数学模型,应用PSIM软件、Matlab软件对系统进行仿真,其结果与理论相符。

参考文献

[1]刘树,刘建政,赵争鸣,等.基于改进MPPT算法的单级式光伏并网系统[J].清华大学学报,2005,45(7):873-876.

[2]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3]孙龙林.单相非隔离型光伏并网逆变器的研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.

[4]任驹,郭文阁,郑建邦.基于P-N结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟[J].光子学报,2006,35(2):171-175.

[5]温嘉斌,刘密富.光伏系统最大功率点追踪方法的改进[J].电力自动化设备,2009,29(6):81-84.

[6]赵为,余世杰,沈玉梁,等.基于TM320F240芯片的光伏并网发电系统的控制方法[J].继电器,2002,30(7):31-33.

[7]吴玉荣,张国琴.基于DSP控制的单相光伏并网逆变系统的设计[J].继电器,2008,36(4):51-53.

[8]吴理博.光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现[D].北京:清华大学,2006.

[9]郑诗程,丁明,苏建徽,等.光伏发电系统及其孤岛效应的仿真与实验研究[J].系统仿真学报,2005,17(12):3085-3088.

单相光伏发电并网 篇5

一、分布式光伏发电项目分为低压（380伏及以下）接入的分布式光伏发电项目和中压（10千伏或20千伏）接入的分布式光伏发电项目两种，受理资料要求如下：

（一）低压（380伏及以下）接入的分布式光伏发电项目：

1、居民家庭分布式光伏发电项目：

（1）分布式光伏发电项目接入申请表；

（2）申请人身份证明材料（身份证、户口簿或护照，下同）；

（3）项目拟建设地点的物业产权证明文件；

（4）如项目位于共有产权区域，还需提供业主委员会出具的项目同意书（附录5）或所有相关居民家庭签字的项目同意书（附录6）。

（5）其他相关资料。

2、非居民家庭分布式光伏发电项目：

（1）分布式光伏发电项目接入申请表；

（2）项目业主法人营业执照或组织机构代码证、法人代表身份证明材料；

（3）项目拟建设地点物业产权证明文件、土地证明等文件；

（4）如项目采用合同能源管理方式，还需提供与电力用户签订的能源服务管理合同；

（5）其他相关资料。

（二）中压（10千伏或20千伏）接入的分布式光伏发电项目

1、分布式光伏发电项目接入申请表；

2、项目业主法人营业执照或组织机构代码证、法人代表身份证明材料；

3、项目拟建设地点物业产权证明文件、土地证明等文件；

4、如项目采用合同能源管理方式，还需提供与电力用户签订的能源服务管理合同；

5、其他相关资料。

（三）项目业主与用电客户主体不同，引起供电营业范围调整的，需再提供省能源主管部门出具的证明或意见、项目业主与提供光伏建设用地单位的合作协议（包括合同能源、屋顶租赁等）等。

二、对于拟接入10（20）千伏电网的项目，地市局计划发展部应在收到申请资料后4个工作日内完成接入条件审核，并在审核完成后3个工作日内出具并网意向函。

三、对于拟接入380（220）伏电网的项目，县（区）供电局营业部应在收到申请资料后5个工作日内完成审核，并出具并网意向函。

单相光伏发电并网 篇6

关键词：光伏发电；光伏并网；电能质量

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）20-0095-01

光伏发电作为一个新兴的发电市场，对于我国电能质量治理领域来讲有着极为重要的涵义，光伏发电是一种利用太阳能电池串联成太阳电池组件再配以功率控制器等部件，形成光伏发电装置将光能直接转化为电能的一种先进技术，在目前发电能源缺乏的情况之下，光伏发电将代替风力发电、潮汐发电、水能发电、煤炭发电及核能发电成为新兴的可再生发电形式。

1光伏发电带来的电能质量问题

随着近年来我国能源资源的不断减少，即将面临的资源枯竭问题日益严重，因而各行业各部门都在积极寻找新的可再生资源来维持生产生活活动，随着全球对太阳能的重视和不断研发，光伏发电技术得以快速发展，人们开始将光伏电源接入现有的电力系统之中，其通过大量的电力电子器件与传统的发电网路进行并联，不仅是对传统发电技术的一次重大冲击，也是现有电网的一次重大突破，现有的电网将会迎来许多新的电能质量问题，光伏发电并网所带来的电能质量问题将成为一个极具研究价值的新论点。光伏发电并网将会产生的电能质量问题主要有电压波动、闪变、谐波等，并且影响有功和无功潮流、频率控制等特性。要了解光伏发电并网所带来的电能质量问题，首先要明确影响太阳能发电的几个因素。

1.1影响太阳能发电的因素

太阳能虽然作为一种可再生且绿色环保的新型能源，但受到各方面因素的影响极不稳定，影响太阳能发电的因素很多，主要包括有周期性，即白天和黑夜的交替，太阳能发电的时间只停留在白天；阴雨雪天与晴天的交替也会影响到太阳能发电；光伏板上的灰尘，光伏板安装的位置以及角度，对其也有一定的影响；整个环境的温度亦是影响太阳能发电的一个因素。如在多云的天气中，太阳能发电受气温的影响较大，在气温急剧回升的10点到15点间，发电输出的功率会出现快速变化。

1.2逆变器控制方式的影响

要将光伏电源接入到现有的电网之中，并网所需的应用器材便是逆变器，逆变器的使用能有效地对光伏发电并入电网的质量品质进行控制，目前并网中逆变器的功率因素为0.99，是最大利用逆变器的容量和最大发电量。当然，逆变器的使用并不是十分完美的，在光伏电站装机容量增加之后，光伏发电的功率就会受到影响，从而出现波动现象，高功率因数的运行将对整个电网的稳定造成不可估量的威胁甚至破坏；另外，逆变器的安装使用还需要额外的无功来维持电压，这也是造成电能质量问题的又一因素。

逆变器的大规模安装及运行也会带来多台逆变器之间“孤岛保护”问题，PV容量相对于负载比例较小时，电压、频率会在电网消失之后快速减弱，从而使得孤岛得以准确地检查；但是当PV容量不断增加之后，就容易出现发电功率与负载基本平衡的状况，孤岛检测的时间会受此影响而不断延长，甚至可能出现孤岛检测失败的现象，这一现象在PV由多种类型的并网逆变器并入同一并网点时尤为明显，主要原因在于并入同一并网点各逆变器间的相互干扰过于强烈，就容易导致孤岛检测时间的延长甚至失败。

1.3大规模PV对配电网的影响

大规模PV的载入容易带来对系统电压形态、网损、电压闪变、谐波、电路元件热负荷、短路电流、频率控制、动态稳定等影响。PV的接入改变了电网潮流的方向，对于现有电网的规划、调度运行方式都产生了影响，并且在调度运行时，PV单元由于不具备自动调度的功能，因而不能够参与电网频率、电压的调整，在对加大电网控制和调度运行之上也产生了一定的难度。另外，随着太阳光照强度的变化，PV发电功率也会产生变化，也将对电网的负荷特性产生影响。

2可行的解决方案

光伏发电并网系统中电能质量问题的产生主要表现为稳定发电问题、无功问题、谐波问题和多类型并网逆变器的孤岛保护问题。光伏发电的发电功率取决于太阳的光照辐射量上，受气候环境的影响极大，因而具有不稳定和不确定性的特点；另外在逆变器功率因数超过0.99时，有功不变的情况下需要额外的无功进行电网频率和电压调节；并且受逆变器开关元件技术所限，并网之后的电流中将产生谐波电流并注入电网；多种类型逆变器接入同一并网中所产生的孤岛问题也将成为亟待解决的电能质量问题。另外，考虑到我国现目前光伏发电并网所应达到的标准（涉及对电压、波形、频率、想为、谐波等）与国际标准之间的差距，国内光伏发电的发展模式与国外的差异，都会对电能质量产生影响。

要做到有效解决光伏发电并网所带来的电能质量问题，就要应对不同的问题作出相应的对策。首先，对于大规模集中开发、中高压电源的并入和分散开发的就地接入，对不同电压进行电压等级的评估以明确电压的偏差，从而对其作出规定；其次，由于光伏发电在大规模设置上具有较强的频率耐受力，以此决定了我国光伏发电站的发电频率所允许的偏差较大；因此，为了适应大规模、高容量的PV并入电网运行之中，又要保证电网的稳定与安全，就有必要对于光伏发电并网所要求的新技术进行研发，这也延伸出了新技术研发的相关内容，即储能技术、谐波抑制、新型并网逆变器等研究方向。

①储能技术。储能技术作为一种更加适用于高比例、大容量PV系统的未来电力系统中的重要新技术，其主要的储能设备包括蓄电池、超级电容器、超导储能装备以及压缩空气储能等，不仅可以进行能量的释放和储能，以实现对频率的调节，也可以平衡和控制电网功率的波动，提高电网系统的稳定性和安全性。

②谐波抑制。谐波抑制主要是通过将电网进行标准化控制，将逆变器进行标准化统一及安置，从而实现电力的真正绿色化。针对现有的并网逆变器，谐波抑制的控制方式有“群控技术（多台逆变器并联运行）”和“综合补偿控制（在逆变器中使用交流滤波器APF）”两种，这两种控制方式都需要数据采集器来完成。

③无谐波输入电网的实现可以通过高性能并网逆变器来实现，需要考虑光伏发电接入的配电保护算法、光伏发电的无功控制以及配电无功调节装置的协调。

参考文献：

[1] 沈文涛.光伏发电并网系统的电能质量问题研究[D].保定:华北电力大学,2012.

[2] 王云国.光伏发电并网对电能质量影响的分析[J].农业科技与装备,2012,(8).

[3] 黄瑛,刘友仁.光伏发电系统并网电能质量测试数据分析[J].江西电力,2012,(1).

单相光伏并网逆变器控制的研究 篇7

资源有限, 污染严重的传统石化能源正日渐减少, 人们逐渐认识到走可持续发展道路, 大力开发和利用可再生能源的必要性。而资源量最大、分布最普遍的可再生能源莫过于太阳能, 并且它已经全球性地由“补充能源”的角色被认可为下一代的“替代能源”。而太阳能用于发电在光伏市场中需要求最大。根据统计, 2003年, 在光伏市场中份额达到55.5%的为光伏并网发电方面的使用, 占据了光伏市场的主导地位[1]。

太阳能发电有离网和并网两种工作方式。过去, 由于太阳能电池的成本很高, 光伏发电大多被用于偏远的无电地区, 并且以村庄用和户用的中小系统占大多数, 这些均属于离网型用户。可是这几年来, 光伏市场和产业发生了很大的变化, 逐渐开始了由边远的农村地区向城市并网发电、光伏建筑集成的方向迅速迈进。光伏并网发电系统的优势在于其不需要用蓄电池中间储能, 这样可以节省投资, 还可以使得系统简化, 更易于维护。

2 单相并网逆变器结构与原理

光伏并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电, 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。它把太阳能转化为电能, 直接通过并网逆变器, 把电能送上电网。光伏并网发电系统主要由电子元器件构成, 不涉及机械部件, 所以, 光伏发电设备极为精炼, 可靠稳定寿命长、安装维护简便。如图1所示为光伏并网发电系统框图[2,3]。

由图1可知, 将太阳能电池阵列产生的直流电馈送给交流电网, 其间的能量传递与变换需要通过逆变器的作用。逆变器在整个系统并网过程中起着核心器件的作用。逆变器以电流源为输入的, 它的直流侧就需要串联一个大电感, 用来提供一个较稳定的直流电流输入, 电流源输出的控制方式。如图2所示为以IGBT开关管构成的电压源电流控制型单相并网逆变器的主电路原理图[4]。

图2中T1-T4是IGBT开关管, D1-D4是反相并联二极管, 起续流的作用;Cdc是直流侧支撑电容, 也叫平波电容;LN是交流侧电感, 也叫缓冲电感, 可以抑制输出电流的过分波动, 同时起到滤波的作用, 将开关动作所产生的高频电流成分滤除。uN (t) 是电网的正弦波电压, Ud是输入的恒定的直流电压, uo (t) 是逆变器的输出电压, iN (t) 是从逆变器输出到电网的电流。单相光伏并网逆变器有四种开关模式, 使得该器件处于不同的工作状态:若功率器件T1、T4导通, 直流侧的能量送入电网, 并网的电流增加, 电感的储能也增加;若功率器件T2、T4导通, 电感储能除了通过反并联二极管D2和D3的组成回路送入电网之外, 还可以通过D2和D3与直流侧能量一起对直流侧电容充电, 并网的电流减小, 电感的储能也减小;若功率器件T1、T3导通, 直流侧的电容充电, 交流侧的电感储能通过T1和D3的组成回路送入电网, 并网的电流减小, 电感的储能也减小;若功率器件T2、T4导通, 直流侧的电容充电, 交流侧的电感储能通过T4和D2的组成回路送入电网, 并网的电流减小, 电感的储能也减小。

3 并网逆变器的控制实现

光伏并网逆变系统的控制采用电流瞬时值闭环控制的方法, 要求并网电流的正弦波给定值与实际并网电流相比较后得到的误差信号, 经控制器处理后, 产生相应的SPWM信号, 控制功率器件工作, 使并网电流波形为正弦波[5,6]。

4 结语

通过建立逆变器电压控制的模型, 并对逆变器的结构和原理进行分析, 根据并网逆变器的控制目标, 建立单相并网逆变器的结构框图, 为系统的理论分析提供基础。

参考文献

[1]马胜红, 赵玉文, 王斯成等.光伏发电在我国电力能源结构中的战略地位和未来发展方向[J].中国能源, 2005, 27 (6) :24-32.

[2]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京工业大学出版社, 2001.

[3]董俊.太阳电池直流模型的计算机仿真[J].太阳能学报, 1998, 19 (4) :403-407.

[4]张超, 何湘宁, 赵德安.一种新颖的光伏并网系统孤岛检测方法[J].电力电子技术, 2007, 41 (11) :97-99.

[5]张崇巍, 张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社, 2003.

浅论单相双级式光伏并网逆变器 篇8

1 单箱双极式光伏并网系统

为了让太阳能电池实现最大化的效率, 能将太阳能转化成电能, 就必须对其进行MPPT。其中, 光照强度、环境温度等都是不可控的条件, 并且变化周期比较长, 因此对MPPT的控制有很多不便之处。怎样能模拟太阳能电池的输出特性, 能够使其简化研究中一些过程, 还要控制其工作点来实现大功率输出是现在需要解决的一个问题。

以TMS320LF2407为例, 由光伏阵列, DC/AC逆变环节, DC/DC变换环节, 隔离变压器还有负载构成系统。DC/DC用来完成光伏阵列MPPT控制, DC/AC完成直流逆变为交流。随后还要完成系统并网运行。Boost升压电路用在前级DC/DC中, 由二极管, 开关管, 电感和电容所组成。当开关通时, 二极管反偏, 阵列向电感储存一定的电能, 电感电流增大。开关关闭时, 二极管导通, 电感和阵列一起供给能量给电容, 电感电流变小。电池阵列输出电流, 要根据输入的电压开关所占空比。后级DC/AC逆变器用了全桥逆变, 能够反向续流。可以在主电路配有工频变压器来保障与电网电压的匹配, 并且和发电系统隔离开。

在整个系统里, 太阳能电池可以输出额定50~100V的直流电压, 并通过DC/DC转换成400V的直流电, 再通过DC/AC得到220V的交流电, 这样和电网电压就同频同相了。

2 太阳能电池特征和模拟电路

太阳能板是由许多电池板组成的, 每个电池都是P-N截面的半导体, 可以直接转换光能。当其电池输出电压最大的时候, 功率很小, 在特定光强和环境温度下, 必须使其在特定电压或者电流之下才可以输出最大功率。

对太阳能电池进行MPPT实验, 用直流电和可变电阻模拟其输出特性的曲线, 电压来模拟太阳能电池输出电压, 设置功率变换电路, DC/DC变换器用Boost变换器。对光伏发电系统来说, 如果阵列输出电流不能连续, 就会造成能量的部分损失。并且, 大多光伏阵列输出电压比较低, 而负载则需要在较高电压下工作, 所以需要电压提升和输入电流要连续工作的Boost电路才能完成这个光伏系统的MPPT控制器。

3 MPPT和变换器的控制

可以用一种变步长的占空比扰动法来实现此项MPPT的功能, 其工作原理为:对太阳能电池在不同工作地点进行检测其输出功率, 然后对比, 找出其确定日照与温度条件下输出最大功率的时候所相对的占空比。方法有两种:

3.1 让电池在某个确定占空比工作, 检测输出功率, 以定步长L1扰动PWM信号的占空比。

将输出功率铅华和扰动前的进行对比, 如果值变大, 表示扰动的方向无误, 如果值减小, 则把反方向L1为步长再次扰动。直到功率得出最大值。

3.2 设置一个功率Px作为一个起始值, 然后选择较小的步长L2, 搜索的方法与1相同, 直到找出最大值 (最大功率点) 。

以此类推, 等到步长减小为最小单位的时候则可以找到最大功率点Py。

此外需要注意, 如果Pn=Pn-1, 就是二者是最先搜出的最大功率点, 需要停止搜索, 然后进行下一轮。与传统占空比扰动法比起来不同之处为, 每当找到最大功率点Pm之后, 不能进行扰动了, 则是要停止。这样可以避免浪费能源, 提高系统的效率。

在扰动停止之后, 检测系统输出功率然后和Pm进行比对, 若相同则是最大功率点, 不同则继续寻找。

4 实现并网控制

4.1 电流控制

为了保证系统能够正常和稳定的运行, 首先要采用调整逆变器输出电压大小还有相位控制系统有功和无功的输出问题, 用锁相控制技术来与市电进行同步。但是又因为锁相回路响应慢, 这样就不容易精确控制其输出电压了。因此要采用电流控制, 先要控制逆变器的输出电流, 跟踪电网的电压, 使其相同。这样可以保持系统功率因数是1, 可以和电压源并联运行。这个方法是运用较多, 控制方法也比较简单的。

4.2 电压电流双闭环控制

让其逆变器输出的电流跟踪电网电压, 保证频率和相位与其一致。太阳能光伏并网系统用双闭环控制策略, 双闭环的外环是直流电压控制的, 这样能控制并网逆变器直流输入端的电容电压更稳定。内环则是并网电流控制的, 这样能控制并网逆变器的输出电流还有电网电压能够相同一致。外环电压值为MPPT输出值, 反馈值是阵列输出电压值, 二者间进行误差调节。

4.3 实现同步锁相环

同步锁相环可以保证并网电流和电压严格同频和同相, 因此在发电系统中是非常重要的。其功能是调节逆变器来输出电流, 让其与电网电压慢慢达到同步锁定的状态, 这个系统中的锁相控制的环节是由硬件和软件的部分来实现的。

进行这个过程的同时, 需要F2407来采集电网电压信号的准确相位, 并要有硬件电路的辅助, 把电网正弦波的电压信号进行过滤, 然后转成同步的方波信号, 它们具有相同过零点, 也就是所谓的过零点产生脉冲跃变。方波信号输入F2407的外部中断口后, 捕捉电网电压的过零点。在检测到有同步信号时候便产生同步中断。然后指针复位。再把PI调节, 得到电流指令, 与正弦表指针相对的数据相乘即可。

5 结束语

本文中的有输出隔离变压器的单箱双极式光伏并网逆变器, 可以适应宽范围的直流输入电压, 较低开关的频率之下能用调制方式改善并网电流的波形, 可以使电流总畸变率小于3%, 能够有效减少开关的损耗, 提高工作效率。其控制电路的芯片采用的是TI公司的TMS320LF2407A, 前级DC/DC变换器可以实现MPPT, 后级DC/AC逆变环节可以让输出电流和电网的电压相同频率、相位, 还能得到单位功率因数。这种变换器还能改进变步长占空比扰动观察法, 集成了传统扰动法的优点还能在不同的寻优阶段用不同步长进行最大速度跟踪系统的最大功率点, 提高了系统的快速还有高效性。在扰动到步长比特定值小了之后, 保持当前点的稳定, 这样可以减少因扰动带来的功率损耗, 还可以进一步接近理论上最大功率点。后级逆变器用的是全桥逆变电路, 其利用电流、电压双闭环控制来达到同电网电压频率、相位一样的电流。在整个实验中, 该工作系统的稳定性较好, 性能更可靠。

参考文献

[1]戴训江, 晁勤.一种新颖的并网逆变器自适应电流滞环控制策略[J].电力自动化设备, 2009, 29 (9) .[1]戴训江, 晁勤.一种新颖的并网逆变器自适应电流滞环控制策略[J].电力自动化设备, 2009, 29 (9) .

[2]罗明, 杨金明.双极式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术, 2009, 43 (5) .[2]罗明, 杨金明.双极式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术, 2009, 43 (5) .

单相光伏发电并网 篇9

太阳能并网发电技术已成为世界各国研究的焦点。本文提出一种新型无隔离变压器双Boost转换器的单向光伏发电系统。每组光伏阵列各自通过一Boost变换器和同一逆变器相连, 实现并网和无功补偿。为了实现功率因数可调及动态连续补偿感性和容性无功, 提出了双闭环的PI加前馈的单相光伏逆变控制方法, 采用PSIM软件建立系统仿真模型, 实验波形验证了无功补偿技术的可行性, 以及整个逆变系统的可靠性和高效性。

1单向光伏逆变器的工作原理和无功补偿技术

1.1工作原理

图1为单向光伏并网逆变器的拓扑结构。包括:前级两组光伏阵列通过耦合电感和电容滤波后经两组完全相同的Boost变换器组成最大功率跟踪器;后级为单向全桥逆变器。Boost 电路由MOSFET、SIC二极管和D1、D3旁路二极管组成。逆变桥后级还增加了一组额外的分支开关Q7和Q8, 用来改善逆变器的整体转换效率。

在逆变桥开关Q3、Q6导通的正半周, 开关管Q8导通, Q7关断。在正半周向负半周过渡时, 由于互补对称的开关管驱动脉冲有死区, 可能出现4个管子都不导通的情况, 此时电感L3、L4通过开关管Q8与二极管续流, 如图2 (a) 所示, 使逆变器能短时间内给电网供电, 若此时出现容性无功电流即Q7导通, 与之串联的二极管也导通, 电流的方向如图2 (b) 所示, 电网给电感充电, 抬高逆变侧的输出电压, 通过H桥上4个二极管给电容充电, 导致母线电压升高, 通过适当控制直流母线电压, 使母线电压维持在规定的范围内。

同样的方法可以分析出逆变桥开关Q4、Q5导通的负半周时, 各开关管的动作情况。

1.2无功补偿技术

图3为单相光伏并网逆变器输出电流, 电压的矢量关系图, 3 (a) 为电网中无功电流为0时的矢量图;若电网中出现容性无功电流, 如3 (b) 所示, 此时开关管Q3、Q4、Q8、Q6、Q7关断, Q5按一定的开关频率高频导通, 使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变 (即3 (b) 中的θ1+θ2等于3 (a) 中的θ1) ;同理, 若电网中存在感性无功电流, 如3 (c) 所示, 此时使开关管Q4、Q5、Q6、Q7、Q8关断, Q3按一定的开关频率高频导通时, 从而使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变 (即3 (c) 中的θ1等于3 (a) 中的θ1, θ2=0) , 这样该光伏逆变器能实现动态补偿感性和容性无功。

当光伏电池输出能量时, 逆变器将直流电变成交流电输送到电网, 同时有选择地对电网补偿一定的无功电流;当光伏电池输出功率低于某值停止输出时, 逆变器继续对电网进行无功补偿。在任一时刻, 无电流流过桥半导体, 与传统H桥逆变器相比, 可提高逆变器的转换效率, 实现了一套光伏并网发电系统的多功能使用, 既改善了电网的电能质量, 又提高了整个系统的利用效率。

2控制方法

单相光伏并网逆变系统的控制环包括:光伏电池阵列电压环 (boost变换器控制环) 和逆变控制环, 本文不对boost 变换器控制环作详细的研究。图4为单相光伏逆变器双闭环系统的控制框图。

boost变换器输出一母线电压给定, 此母线电压给定值与直流母线上最大功率点对应的母线电压反馈值作差值后经电压PI控制器, 再经限幅处理后与正弦表相乘得到与电网同步的电流信号, 此电流信号称为电流参考值;逆变器电流反馈采样值和电流参考值比较后, 经电流PI控制器输出指令量纲为电压, 此电压指令量纲与电网电压前馈相加后, 得到所需并网电压指令, 与直流母线电压做除法后得到调制度, 其连续波形为调制波, 与三角载波比较后产生PWM波形, 用以控制逆变器开关管的动作, 不仅实现了无功补偿的功能, 而且还实现了并网电流的控制, 整个系统更加稳定可靠, 抗干扰性更好。

3仿真实验研究

利用PSIM软件对该逆变器系统进行并网和无功补偿技术的仿真研究, PSIM是趋向于电力电子领域以及变频器控制领域的仿真应用软件, 基于PSIM6.0软件建立的控制系统仿真模型。

当t=0.02s, 出现感性无功, 并网电流的波形如图5 (a) 所示, 当t=0.02s, 出现容性无功, 并网电流的波形如图5 ( b) 所示, 从波形中可以看出并网电流能完全跟踪指令电流, 电流波形平滑、稳定、谐波含量低;该拓扑结构的光伏逆变器可以实现动态连续补偿感性和容性无功, 降低了电网的无功损耗, 在实现并网的同时, 还提高了功率因数, 达到了治理电网的电能电量, 提高了整个光伏发电系统的转换效率。

4结语

本文介绍了一种高效率且能实现无功补偿技术的单向光伏并网逆变器, 该光伏逆变器在实现可靠稳定的并网发电同时, 还可以补偿电网上的无功。运用PSIM软件建立的仿真模型验证了此光伏逆变器的高效性和所采用控制方法的可靠性, 并证实了无功补偿技术的可行性。

参考文献

[1]严陆光.我国荒漠地区大规模太阳能的开发利用应该起步[J].干旱区地理, 2005 (4) .

[2]程军照, 李澍森, 张腾飞.多路并网光伏发电系统的仿真与分析[J].电力系统及其自动化学报, 2009 (4) .

单相光伏发电并网 篇10

关键词：光伏微逆变器,交错反激变换,全桥逆变,最大功率点跟踪

0 引言

在微型逆变器的PV系统中, 每一块电池板分别接入一台微型逆变器, 当电池板中有一块不能良好工作, 则只有这一块都会受到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行, 使得系统总体效率更高, 发电量更大。由于微型逆变器采用的功率器件容量较小, 其成本较低;另外微型逆变器结构简单, 体积较小, 系统采用简单的布线, 安装成本低廉, 因此就出现了太阳能光伏微逆变器的市场需求。

1 光伏微逆变器系统的研究方案及设计

1.1 研究方案

本设计的系统由5大部分组成:电解电容、交错反激变换电路、全桥逆变电路、EMI滤波电路、ds PIC控制部分。光伏PV电池组件的直流电压先经过去耦电容滤除纹波, 然后加在交错反激变化电路上, 在反激输出的电容上产生整流的正弦输出电压;全桥逆变电路将整流输出电压转换成正弦电压;滤波电路滤除高频开关谐波, 保证并网电流的质量;微处理器电路通过对电池组件电压、电流采样, 使电池组件以最大功率方式输出, 数字锁相环使得逆变器的输出电流与电网同步。

1.2 光伏微逆变的主电路设计

主功率电路前半部分选择交错反激变换, 用来将较低的PV电池板电压 (20-45 VDC) 升压至整流的交流输出, 以及提供与PV电池板和电网的电流隔离。

后半部分全桥交流逆变电路主要电路由四个型号为IPB60R190C6的MOSFET (Q3、Q4、Q5、Q6) 组成, 可以将半波的直流电压, 变成上下交换的交流正弦输出, 桥式可控硅的换向频率工作在低频50Hz时的波形。

1.3 光伏微逆变的软件设计

1.3.1 主程序设计

主程序是一个无穷循环, 主要包括一些初始化程序:I/O口、AD模块、PWM模块, 定时器模块、CMP模块。中断程序初始化和使能中断, 进入while循环等待中断事件。

1.3.2 最大功率点跟踪算法 (MPPT)

本设计应用的是基于电流的扰动观测法实现MPPT。算法流程:采集当前太阳能电池板的电压Uin、电流Iin, 计算当前的功率Pin和电压变化量ΔU=U (k) -U (k-1) 比较当前周期功率P (k) 和前一周期功率P (k-1) 大小 (1) P (k) >P (k-1) , 当ΔU>0减小参考电流Iref (k) =Iref (k-1) -ΔI;当ΔU<0增大参考电流Iref (k) =Iref (k-1) +ΔI。 (2) P (k)

0增大参考电流Iref (k) =Iref (k-1) +ΔI;当ΔU<0减小参考电流Iref (k) =Iref (k-1) -ΔI。对于电流调整步长ΔI的选取:若选值过小, 系统无法快速应对外部环境的变化, 反应速度过慢;若选值过大, 系统精度不够。系统选取ΔI在0.01A-0.1A。

1.3.3 数字锁相环 (PLL)

锁相环的目的在于将逆变器输出电压与电流同相位。PLL生成电网电压频率和相位角。电压的估计频率ω和相位角θ可用于控制和信号生成, PLL采用的硬件过零检测和软件过零检测结合的方式。

2 结语

本设计太阳能光伏微逆变器样机板厚2.071mm, 长231.36mm, 宽124.422, SMT双面板。

本设计实验需要设备:示波器一台, 50A空气开关一台, PV模拟器一台 (chroma公司的62150H—1000S) , 光伏微逆变器样机。

示波器显示最大输出功率下和30%输出功率的电压与电流如下图所示, 电压电流同频同相满足设计要求。

3 结论

通过对本设计的太阳能光伏微逆变器系统的实验验证, 系统的电网电压与输出电流保持同步, 而且输出电流的正弦度比较理想。系统结构简单, 实现容易, 控制电路简单。样机运行状态良好, 效率较高, 设计电路简单成本低廉, 具有实际工程应用价值。

参考文献

并网光伏发电的低碳综合效益评估 篇11

关键词：并网光伏发电；低碳综合效益；碳减排；太阳能发电；绿色能源 文献标识码：A

中图分类号：X37 文章编号：1009-2374（2016）14-0085-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.043

并网光伏发电和分布式光伏发电有很大不同，其能够和常规电网连接，从而共同承担供电任务。随着光伏系统的发展以及材料研究的进步，现阶段的并网光伏发电的电压等级越来越高，其对于节能减排的效益也越来越大。我国是光伏产业大国，但是主要依赖外销，随着国家对清洁能源的重视，我国越来越重视光伏产品的本土消耗。因此在并网光伏发电的大背景下，分析其低碳综合效益也有着重要的现实意义。

1 并网光伏发电低碳综合效益概述

低碳综合效益评估是一项综合性很强的工作，从降低排放的角度来分析，并网光伏发电不完全是减少碳排放，例如并网光伏发电原材料的生产、集输、安装调试等过程中消耗的能量并不会降低碳排放，因此需要综合考虑。为此我们将其影响划分为低碳正效应、负效应和综合效益，显然低碳效应代表碳减排，由消极因素导致的碳排放增加则为负效应，两者之和称之为并网光伏发电的综合低碳效应。以上是评估的基本思路，并分别按照低碳正负效应两个角度分析其影响因素，最终获得并网光伏发电的低碳综合效益评估

结果。

2 并网光伏发电低碳综合效益模型构建

我们认为影响并网光伏发电低碳综合效益的因素主要有光伏发电成本、光伏发电收益、系统网损改善效益以及系统备用容量四个方面。发电效益节省了大量的化石能源的消耗，从而直接减少了碳排放，同时通过并网后售出还能取得经济效益；发电的能源是太阳能，能极大地减少发电成本，但是光伏产业的材料生产也会损耗大量的电能，增加碳排放；系统网损主要考虑并网和输电过程中的损耗以及对节能减排的影响；并网光伏发电会受到气候和天气的影响，所以需要系统有备用能量，补偿光伏发电的电能缺口，为此构建了低碳综合效益的模型。

2.1 光伏发电的收益

假设运行的第t年，并网光伏发电的发电量为Gt，则Gt为：

2.2 光伏发电的成本

光伏发电的成本投入（C2）主要表现在后期运行维护成本（Cm）和初始一次性投资成本（C0）两个方面，是两者之和。而初始阶段的一次性投入主要包含了原材料的成本、光伏制造成本和光伏设备运输成本，这其中低碳成本计算可以分两类计算。而原材料和光伏制造的电能消耗都可以估算，假设制造1个单位功率的光伏系统电能消耗为k，那么原材料和光制造造成的碳排放可以用kP0mc来表示。

而运输成本的计算为：计算光伏电站和光伏制造地之前的距离s，并估算其光伏系统的总重量W，运输过程的排放强度为g，则由于运输导致的碳排放可用Wgs表示，所以初始成本的表示为：

由于光伏发电在后期运行中有一定的维护费用，光伏板等材料的更换和维修也间接增加了碳排放，其计算方式类似于（4）式，结果为：

β表示光伏发电在实际投产后维修费用和初始投资之间的比例关系。

2.3 系统网损效益

系统网损改善可以采用对比法来进行，可以假设没有光伏发电系统网损为W1，有光伏并入后的网损设置为W2，通过W1和W2的差值可以得出系统网损的改善量，并将这个差值用△W表示，即在某一个时段t内的网损改善，那么这个网损改善所带来的低碳效应C3为：

显然，当△W>0时，表示这个时候网损改善表现出降低碳排放，反之则为增加碳排放。

2.4 系统备用容量成本

容量成本的评估可采用确定性评估的方法，假设这个电网系统能够为光伏发电所提供的备用容量系数为

，而P（t）表示在t时刻光伏发电所能够提供的光伏有功出力，则在这个特定时刻备用容量为P（t），而在这个特定时间系统所提供的备用容量带来的低碳效应自然是负的，其代表了系统备用容量等效的等效碳排放，设为C4可表示为：

3 光伏发电的低碳综合效益模型

上文分析了四个影响因素的评估，而低碳综合效益则为四个方面的低碳正负效应之和，即可以得到综合的低碳综合效益Cy结果为：

式中：表示光伏系统碳排放与运行年数的比值，表示每年光伏系统的碳排放；n为运行年限。

4 案例分析

4.1 案例简介

假设在某市建造10MW光伏电站，当地负荷为250MW，总投资1亿元，分5年完成，年运行维护费用比例为2%，回收期（计算用项目寿命期）取20年。采用并网多晶硅光伏系统，按照最佳倾斜角安装，每天平均峰值日照时间取4.074h，系统性能比取0.8。假设光伏设备总重量为863.21t，从光伏生产地到光伏电站距离为400km，运输碳排放强度g为0.1225kg/（t·km）。光伏上网电价取1元/（kW·h）。集中发电侧CO2排放指数取.0.9kg/（kW·h）。

4.2 低碳效益测算

光伏发电收益测算：结合式（1）～（3）可知，等效减少碳排放为10568.21MW·h；光伏发电成本测算：结合式（4）和式（5），算例系统在光伏制造阶段和运输过程中CO2排放量，则初始碳投资为19523.6t；取β=5%，则维护阶段低碳总成本为961.52t；得光伏发电低碳总成本为29841.12t。通过碳交易机制将光伏发电碳成本平均分配到光伏系统寿命周期内，相当于光伏发电每年产生CO2排放1010.21t；网损改善效益测算：从春夏秋冬季节中各选取3个典型日，利用MATPOWER软件确定每个典型日的网损改善情况，进而确定每个季节和一年的网损改善量。结合式（6）可知，其CO2等效减排为820.14t；备用容量成本测算：取备用容量系数为θ=0.25，结合式（7），可得出等效减少碳排放为2256.1t。

4.3 案例结果分析

从CO2减排效益来看，光伏发电替代传统火力发电能够取得良好的环境效益，算例中光伏系统每发1kW·h相当于直接减少碳排放554g。随着科技的进步，光伏发电成本将大幅下降，其经济效益和低碳综合效益也将更加突出。

5 结语

在大力发展清洁能源的趋势下，分析光伏发电的低碳综合效益有着重要的价值，本文分析了光伏发电的低碳综合效益影响因素，并对模型构建思路进行了分析，对其低碳综合效益评估提供了参考。

参考文献

[1] 曹阳，李鹏，袁越，张新松，郭思琪，张程飞.基于时序仿真的新能源消纳能力分析及其低碳效益评估

[J].电力系统自动化，2014，（17）.

作者简介：刘亮（1979-），男，吉林通榆人，四川招商丝路新能源有限公司副总经理，经济学硕士，研究方向：风电经济。

单相光伏发电并网 篇12

光伏发电系统主要有独立发电系统和并网发电系统。与独立发电系统相比,并网光伏发电系统具有造价低、输出电能稳定的优点,应用前景广阔。并网逆变器作为光伏发电系统和电网的接入口,在并网光伏发电中起着至关重要的作用,研究并网逆变器的控制方法具有重要实用价值。

无差拍控制是一种数字化PWM控制方法,最早由卡尔曼于1959年提出,20世纪80年代中期开始应用于逆变器控制中,它具有动态响应速度快、精度高、控制过程无过冲等特点,用于单相光伏并网逆变器的控制中,可以提高逆变器的抗干扰能力。本文通过分析研究,建立了并网逆变器无差拍控制的数学模型,通过MATLAB/Simulink软件仿真,验证了无差拍控制工作的稳定性,可提高系统输出电能的质量。

1 无差拍控制

1.1 无差拍控制的基本原理

无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法,具有很高的响应速度。由于其具有非常快的暂态响应,因此非常适用于易受外部多变环境影响的光伏并网发电系统逆变器的控制。无差拍控制的基本控制思想是:根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度,用该PWM脉冲宽度来控制逆变桥相应功率管的通断,从而得到所需要的逆变器输出波形[1]。具体表述见1.2控制脉冲的计算。

1.2 控制脉冲的计算

单相并网逆变器工作原理图如图1所示。图中Udc为直流侧电压,由光伏阵列产生的直流电经DC-DC升压后得到,大约为400 V。由V1~V4组成全桥逆变器,V1、V4和V2、V3功率管交替导通,向电网输出并网电流。L和C组成滤波器,滤除逆变器并网电流中的高次谐波,RL为线路的等效电阻。

逆变器工作时,其输出的参考电流已知,输出的电感电流可以通过采样得到。并网工作时,滤波电容电流与逆变器输出的电流相比可忽略不计。根据图1列出时域电路方程:

在一个采样周期Ts内,将式(1)转换成相应的差分方程:

式中,Ts—功率器件开关周期,即采样周期;L—逆变器输出的滤波电感;iL(k)—第k个采样周期电感L的采样电流;—第k个采样周期时逆变器的输出电压平均值;—第k个采样周期时电网电压平均值;RL—线路等效电阻。

要使滤波电感电流在第(k+1)次采样时刻跟踪上逆变器参考电流信号iref(k+1),用iref(k+1)代替式(2)中的iL(k+1)可得:

从式(3)中可以看出:逆变器在k时刻的输出平均电压可根据k时刻的iL(k)、及参考电流iref(k+1)计算得到。由于iL(k)可实时采样得到,而参考电流iref(k+1)为已知,因此只要能得到,就可以得到逆变器在k时刻的输出平均电压。

下面计算。由于逆变器与电网并联工作,因此可知,逆变器输出电压等于电网电压,即:

ugrid(t)在第k个采样周期内的平均电压为:

得到后,我们就可以方便地计算得到。uinv(t)实际上为脉冲波电压,由于逆变器输出电压与直流母线电压成比例关系,因此逆变器功率器件每个采样周期内的占空比为:

将式(3)代入式(6)可得:

第k次采样周期的逆变器功率器件的占空比D(k)可由Udc、iL(k)、、iref(k+1)决定。于是对每一个采样周期功率管占空比的控制就转化为对参考电流信号的控制,要求参考电流信号的频率和相位可跟踪电网电压频率和相位[2]。

通过式(7)所求得的占空比D(k)控制逆变器的开关器件,即可得到iref(k+1)的输出,从而实现逆变器的无差拍控制。

2 单相光伏并网逆变器

2.1 并网逆变器工作原理

并网逆变器将光伏阵列产生的直流电变换为正弦交流电,经过滤波后输送到电网。逆变器输入为电压源方式,输出控制采用电流控制方式。通过控制电感电流的频率和相位来跟踪电网电压的频率和相位,保证正弦输出,使输出功率因数为1,从而达到并网运行的目的[3]。

2.2 参考电流信号

通过对无差拍控制工作原理分析可知,为了获得逆变器下一个采样周期的脉宽控制宽度,必须知道逆变器下一个周期的参考电流信号。

参考电流iref的获得:光伏器件的输出功率可由其输出电压和输出电流得到,去除电路中的损耗后即为逆变器的理论输出功率;用该功率除以电网电压有效值得到逆变器参考电流的有效值,由于我们需要的参考电流要求频率和相位与电网电压保持一致,因此根据电网电压的频率和相位关系,就可得到逆变器输出的具体电流参考信号。光伏并网逆变器参考电流获取原理图如图2所示。

3 仿真结果

基于以上分析,在MATLAB/Simulink中对逆变器无差拍控制方法进行了仿真,仿真模型框图如图3所示[4]。具体参数设计如下:逆变器输出功率为3 k W,直流侧电压为400 V,逆变桥开关频率为10 k Hz。电网电压和并网电流仿真波形如图4所示。

应用Simulink/Power gui模块对并网电流进行了谐波分析,得到并网电流的总谐波失真THD为2.89%。由仿真结果可以知道,并网电流很好地跟踪了电网电压,谐波含量较小,并且系统具有较高的稳定性。

4 结语

光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心器件之一,其性能的优劣直接影响着光伏并网发电系统所发电能的质量。本文对光伏并网逆变器采用无差拍控制方法,通过仿真实验结果可以看出,并网电流很好地跟踪了电网电压,并且电流正弦度较好,谐波含量较少,达到了向电网输送高质量电能的目的。

参考文献

[1]汪海宁.光伏并网功率调节系统及其控制的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

[2]郭卫农,段善旭,康勇,陈坚.电压型逆变器的无差拍控制技术研究[J].华中理工大学学报,2006,28(6):29-31.

[3]Park Sung-Jun,Kang Feel-Soon,Lee Man Hyung,Kim Cheul-U.A New Single-Phase Five-Level PWM Inverter Employing a Deadbeat Control Scheme[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18(3):831-843.