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引言

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要用于無電或缺電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，作為獨(dú)立的電源給家用電器及照明設(shè)備供電。隨著電力緊張、環(huán)境污染等問題的日趨嚴(yán)重，與公用電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)已顯出越來越大的競爭力。光伏發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行，將省去獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的貯能環(huán)節(jié)—蓄電池，從而大大減少了電站的維護(hù)。由于蓄電池的壽命較短，省去蓄電池后，發(fā)電系統(tǒng)的壽命可與太陽能電池的壽命相當(dāng)。對于家庭住宅而言，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，可緩和白天電力緊張的局面，提高電網(wǎng)功率因素和降低線路損耗。光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電，最終將取代常規(guī)能源發(fā)電。光伏發(fā)電的并網(wǎng)原理如圖1 所示。太陽能電池陣列通過正弦波脈寬調(diào)制逆變器向電網(wǎng)傳送電能，逆變器饋送給電網(wǎng)的電力由陣列功率和當(dāng)時當(dāng)?shù)氐娜照諚l件決定。逆變器除了具有直流— 交流轉(zhuǎn)換功能外，還必須具有光伏陣列的最大功率跟蹤功能和各種保護(hù)功能。圖1 所示逆變器為電壓型逆變器。目前，電壓源型逆變器技術(shù)已日趨成熟，所需的硬件也容易購得。本文將對電壓型逆變器作進(jìn)一步研究。

圖1 光伏發(fā)電的并網(wǎng)原理

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。光伏電站的能量來自太陽能，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。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，都能通過逆變器的自動調(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，因此對其體積、重量均有限制。另外，對整機(jī)的可靠性也提出較高的要求。由于太陽能電池的壽命均在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能夠單獨(dú)供電。

光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時的電路原理如圖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UR90?.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。用電流互感器隨時檢測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。

逆變器主電路功率管采用IGBT，容量為50A、600V，型號為2MBI50N-060 。隔離驅(qū)動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，包括一個10 位A/D 轉(zhuǎn)換器、一個事件處理陣列、兩個16 位定時器和一個三相波形發(fā)生器。三相波形發(fā)生器的每相均能輸出兩路死區(qū)時間可以設(shè)定的PWM 信號。

這就給逆變應(yīng)用場合提供了很多便利。微處理器主要完成電網(wǎng)、相位實(shí)時檢測、電流相位反饋控制、光伏陣列最大功率跟蹤以及實(shí)時正弦波脈寬調(diào)制信號發(fā)生，其工作過程如下：公用電網(wǎng)的電壓和相位經(jīng)過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，其誤差信號通過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，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程更簡便。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，電網(wǎng)側(cè)相當(dāng)于短路狀態(tài)，此時并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器將由于過載而自動保護(hù)。當(dāng)微處理器檢測過載時，除封鎖SPWM 信號外,還將斷開繼電器RE，此時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)行時控制相對簡單，即為交流電壓的負(fù)反饋狀態(tài)，微處理器通過檢測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，則逆變器無法輸出足夠的功率，光伏陣列的端電壓即會下降，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，將自動切換至回饋狀態(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。