永州壮期娱乐有限公司

中心議題：

• 小型光伏并網(wǎng)電站應具備的性能
• 正弦波電壓型逆變器的實現(xiàn)

解決方案：

• 要求逆變器輸出正弦波電流
• 要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行
• 要求逆變器能使光伏陣列工作在最大功率點
• 要求逆變器具有體積小、可靠性高等特點
• 要求在市電斷電狀況下逆變器在有日照時能夠單獨供電

1小型光伏并網(wǎng)電站應具備的性能

光伏電站并網(wǎng)運行，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，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要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行。光伏電站的能量來自太陽能，而日照強度隨氣候而變化，這就要求逆變器能在不同的日照條件下均能高效運行。

③要求逆變器能使光伏陣列工作在最大功率點。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負載的變化有關，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)實現(xiàn)陣列的最佳運行。

④要求逆變器具有體積小、可靠性高等特點。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，因此其配套設備的壽命也必須與其相當。

⑤要求在市電斷電狀況下逆變器在有日照時能夠單獨供電。
[page]
2正弦波電壓型逆變器的實現(xiàn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)運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UR90º.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反饋來實現(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，以實現(xiàn)功率因數(shù)為1的回饋發(fā)電。
實用的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行專用逆變器結(jié)構(gòu)如圖4所示。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驅(qū)動專用16位微處理器87C196MC,該芯片除了具有16位運算指令外，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)時間可以設定的PWM信號。

這就給逆變應用場合提供了很多便利。微處理器主要完成電網(wǎng)、相位實時檢測、電流相位反饋控制、光伏陣列最大功率跟蹤以及實時正弦波脈寬調(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主要工作是實現(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)實質(zhì)上就是調(diào)節(jié)回饋電壓大小，從而實現(xiàn)最大功率尋優(yōu)。

從圖3可以得知，當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。由于電流相位已實現(xiàn)了反饋控制，因此自然實現(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，其實光伏陣列仍能繼續(xù)發(fā)電。
其工作原理如下：當公用電網(wǎng)斷電時，電網(wǎng)側(cè)相當于短路狀態(tài)，此時并網(wǎng)運行的逆變器將由于過載而自動保護。當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，逆變器將在單獨運行狀態(tài)下運行。單獨運行時控制相對簡單，即為交流電壓的負反饋狀態(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，實現(xiàn)逆變和穩(wěn)壓運行。當然，單獨運行的前提是光伏陣列在當時能夠提供足夠的功率。若負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入低壓保護狀態(tài)。當電網(wǎng)恢復供電時，將自動切換至回饋狀態(tài)。

采用16位微處理器和高速IGBT功率模塊實現(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運行，具有一定的推廣應用前景。