（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司 山西太原 030001）
摘要：光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中必不可少的设备之一，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏发电系统的性能和投资。本文主要研究适用于并网型光伏发电系统的逆变器。
关键词：光伏并网发电系统；逆变器；可靠性分析
1 光伏并网发电系统简介
1.1光伏并网发电系统的组成
光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同
相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。
光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V／50Hz的正弦波电流并入电网。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。
1.2光伏并网发电系统的优缺点
光伏发电具有以下明显的优点【1，2，3】：
1）无污染：无噪音、无污染，不影响用户电压环境，而且具有一定的遮阳和隔热效果；
2）可再生：资源无限，可直接输出高品质电能，有理想的可持续发展属性；
3）资源的普遍性：不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；
4）机动灵活：发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小，扩容方便；
5）通用性、可存储型：电能可以方便的通过输电线路传输、使用和存储；
6）分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，它更具有明显的意义；
7）资源、发电、用电同一地域：可大幅度节省远程输变电设备的投资费用；
8）太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化安装，因此可用于小到几个毫瓦的太阳能计算器，大到数十兆瓦的光伏电站；但目前光伏发电系统也存在以下几个问题：
1）光伏阵列发电效率低；
2）系统的造价成本高；
3）发电运行受气候环境因素影响大。
4）光伏并网发电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。
2光伏并网逆变器
2.1光伏并网对逆变器的要求
作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求【4】：
1）实现高质量的电能转换。并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到1。
2）实现系统的安全保护要求。如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。
3）具有较高的可靠性。目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区，所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率，并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。
4）最大功率的跟踪。最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。
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2.2光伏并网逆变器的发展趋势
随着大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑器件FPGA及数字信号处理器DSP技术的发展，以及先进的控制方法的提出，光伏并网逆变器的控制逐渐转向数字化和智能化。首先，元器件正向着导通性好、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展，控制电路的元器件数量明显减少，从而缩小了控制板面积，提高了系统的抗干扰能力。其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分，提高开关频率，减小滤波器体积，改善输出波形，提高总谐波失真（THD），快速响应电网瞬态变化。再次，可以采用更先进、更复杂的控制方法，提高系统的动态响应性能，提高输出电能质量，可靠性高，便于实现智能控制。最后，由于控制方法灵活，可以采用并机控制方法，实现多台光伏并网逆变器组成分布式发电系统。
2.3 并网逆变器的结构
光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。
2.4 并网逆变器回路方式
逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式、无变压器方式3种【4】。
1）工频变压器绝缘方式采用一级DC／AC主电路，在输出端接工频变压器并网。这种方式既可与电网隔离，同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤去，从而减少对电网的污染，并且具有良好的抗雷击和消除尖波的性能，电路简单。缺点是工频变压器体积大，重量重，效率较低。这种方式的逆变器主要用于独立型光伏发电系统。
2）高频变压器绝缘方式是通过两级变换实现并网逆变。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器升压后整流，最后通过逆变器并网。这种方式的优点是高频变压器体积小，重量轻，大大减小了逆变器的体积和重量。缺点是经过了两级结构，效率比较低，且电路和控制方式复杂。由于高频电磁干扰严重，需要采用滤波和屏蔽等抑制措施。
3）无变压器方式是只采用一级DC／AC变换直接并网。这种方式对逆变器输出波形要求较高，直流电压范围比较小，但是逆变器整机的效率却比较高，并进一步降低了成本。
2.5并网逆变器控制策略
要成功实现并网，使光伏并网逆变器在工作时的功率因数接近于1，即要求输出电流为正弦波且与电网电压同频同相，输出电流的控制方式一般有两种：电流滞环瞬时控制方式和固定开关频率控制方式。
1）电流滞环瞬时控制方式
电流滞环瞬时控制方式是双闭环结构，其外环是电压反馈控制环，内环是电流控制环。将电压PI调节器输出电流幅值指令乘以表示网压的单位正弦信号后，得到交流的电流指令，将它与实际检测剑的电流信号进行比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中。
2）固定开关频率控制方式
固定开关频率控制方式在保留电流跟踪的动态性能好的基础上，克服了滞环控制的开关频率不固定的缺点。这种控制方法与电流滞环控制的区别在于从电流误差信号得到最终控制逆变器的PWM信号的方式不同。该控制技术的基本思想是：对给定参考电压和逆变器输出电压反馈误差信号经电压调节器后得到逆变器输出电流参考控制信号，然后根据电流参考信号和逆变器反馈电流的误差经过比例放大和三角波进行交截可得到正弦脉宽调制（SPWM）信号，控制功率器件的导通或关断。由此可知，该方法中逆变器开关器件的工作频率等于三角波载波频率，因此它的工作频率是固定的。由于载波频率固定，因此逆变器输出谐波是固定的，滤波器设计相对于电流滞环瞬时控制方式控制简单，控制效果较好。
4总结
光伏作为可再生能源中最洁净、储量最大的能源倍受人们的关注，对其的利用和控制还是比较前沿的课题。虽然光伏并网发电系统在国内已经有了一定规模的应用，但是这个领域仍然有很多技术问题有待解决，特别是在整个系统的核心一并网逆变器方面，我们要完善系统技术、改善系统性能，将高质量和高性能的光伏并网发电系统产品推向市场。
参考文献：
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[2]Michael Ro901．Refining benchmanrks and forecasts[J]．Photon International，2008，（1）：84—94．
[3]耿新华．光伏发电和光伏产业在本世界能源中的地位与发展趋势[J]．科学中国人，2003，（9）：24—25
[4]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．
论文作者:牛清泉
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/19
标签：逆变器论文; 光伏论文; 并网发电论文; 系统论文; 电流论文; 方式论文; 电压论文; 《电力设备》2017年第31期论文;