光伏发电并网之研究
曹仁贤
(合肥工业大学能源研究所)
提出了并网发电所需的光伏逆变器的设计要求.设计时采用电压源型逆变器实现光伏发电的并网运 行,并采用 16 位微处理器和 IGBT 功率器件改善逆变器的输出波形.
摘 要
关键词
光伏发电
并网
逆变器
微机控制
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引言
太阳能光伏发电系统目前主要用于无电或缺电的边远地区,作为独立的电源给家用电 器及照明设备供电.随着电力紧张,环境污染等问题的日趋严重,与公用电网并网运行的 太阳能发电系统已显出越来越大的竞争力.光伏发电的并网运行,将省去独立光伏系统中 的贮能环节—蓄电池,从而大大减少了电站的维护.由于蓄电池的寿命较短,省去蓄电池 后,发电系统的寿命可与太阳能电池的寿命相当.对于家庭住宅而言,配备光伏发电系 统,可缓和白天电力紧张的局面,提高电网功率因素和降低线路损耗.光伏电站的并网发 电,最终将取代常规能源发电. 光伏发电的并网原理如图 1 所示.太阳能电池阵列通过正弦波脉宽调制逆变器向电网 传送电能,逆变器馈送给电网的电力由阵列功率和当时当地的日照条件决定.逆变器除了 具有直流— 交流转换功能外,还必须具有光伏阵列的最大功率跟踪功能和各种保护功能. 图 1 所示逆变器为电压型逆变器.目前,电压源型逆变器技术已日趋成熟,所需的硬件也 容易购得.本文将对电压型逆变器作进一步研究.
光 伏 阵 列
L 公用电网
图 1 光伏发电并网原理
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小型光伏并网电站应具备的性能
光伏电站并网运行,对逆变器提出了较高的要求.这些要求如下: ① 要求逆变器输出正弦波电流.光伏电站回馈给公用电网的电力,必须满足电网规定 的指标,如逆变器的输出电流不能含有直流分量,逆变器输出电流的高次谐波必须尽量减 少,不能对电网造成谐波污染等. ②要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行.光伏电站的能量来 自太阳能,而日照强度随气候而变化,这就要求逆变器能在不同的日照条件下均能高效运 行.
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③要求逆变器能使光伏阵列工作在最大功率点.太阳能电池的输出功率与日照,温 度,负载的变化有关,即其输出特性具有非线性特性[1].这就要逆变器具有最大功率跟踪 功能,即不论日照,温度等如何变化,都能通过逆变器的自动调节实现阵列的最佳运行. ④要求逆变器具有体积小,可靠性高等特点.对于家用的光伏电站,其逆变器通常安 装在室内或壁挂于墙上,因此对其体积,重量均有限制.另外,对整机的可靠性也提出较 高的要求.由于太阳能电池的寿命均在 20 年以上,因此其配套设备的寿命也必须与其相 当. ⑤要求在市电断电状况下逆变器在有日照时能够单独供电.
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正弦波电压型逆变器的实现
光伏发电并网运行时的电路原理如图 2 所示.Up 为逆变器输出电压,Uu 为电网电压,R 为线路电阻,L 为串联电抗器,Iz 则为回馈电网 R L 的电流.为保证回馈功率因数为 1,回馈电流的 相位必须与电网电压的相位一致.以电网电压 Uu Iz 为参考,则 Iz 与 Uu 同相位,其矢量图如图 3 所 示.内阻 R 两端的电压 UR 与电网电压相位一致, Up Uu 而电抗器两端电压 UL 的相位则落后于 UR90.由此 可以求得 UP 的相位和幅值:
图 2 光伏发电并网运行的电路原理图
U p I z R L Uu
其中ω为公用电网角频率.实际电路中,Uu 的相 位,周期和幅值由电压传感器检测得到.由于在实际系统中 R 是很难得到的,因此回馈电 流 Iz 的相位必须采用电流负反馈来实现,回馈电流 Iz 的相位角的参考相位即为公用电网相 位.用电流互感器随时检测 Iz,确保 Iz 与电网电压相位一致,以实现功率因数为 1 的回馈 发电. 实用的光伏发电并网运行专用逆变器结构 U2 如图 4 所示 .逆变器主电路功率管采用 UL UP IGBT,容量为 50A,600V,型号为 2MBI50N060 . 隔 离 驱 动 电 路 采 用 东 芝 公 司 生 产 的 TLP250.逆变器的控制部分由微处理器完成. 主控芯片采用 INTEL 公司最新推出的逆变或电 机驱动专用 16 位微处理器 87C196MC,该芯片 φ 除了具有 16 位运算指令外,还具有专用的脉宽 UU 调制(PWM)输出口[2],包括一个 10 位 A/D 转换 0 UR Iz 器,一个事件处理阵列,两个 16 位定时器和一 个三相波形发生器.三相波形发生器的每相均 图 3 光伏发电并网运行的电路矢量图 能输出两路死区时间可以设定的 PWM 信号. 这就给逆变应用场合提供了很多便利.微处理器主要完成电网,相位实时检测,电流相位 反馈控制,光伏阵列最大功率跟踪以及实时正弦波脉宽调制信号发生,其工作过程如下: 公用电网的电压和相位经过霍尔电压传感器送给微处理器的 A/D 转换器,微处理器将回馈 电流的相位与公用电网的电压相位作比较,其误差信号通过 PID 调节后送给 PWM 脉宽调 制器,这就完成了功率因数为 1 的电能回馈过程.微处理器完成的另一项主要工作是实现 光伏阵列的最大功率输出.光伏阵列的输出电压和电流分别由电压,电流传感器检测并相 乘,得到阵列输出功率,然后调节 PWM 输出占空比.这个占空比的调节实质上就是调节

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