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引言

太陽能光伏發電系統目前主要用于無電或缺電的邊遠地區，作為獨立的電源給家用電器及照明設備供電。隨著電力緊張、環境污染等問題的日趨嚴重，與公用電網并網運行的太陽能發電系統已顯出越來越大的競爭力。光伏發電的并網運行，將省去獨立光伏系統中的貯能環節—蓄電池，從而大大減少了電站的維護。由于蓄電池的壽命較短，省去蓄電池后，發電系統的壽命可與太陽能電池的壽命相當。對于家庭住宅而言，配備光伏發電系統，可緩和白天電力緊張的局面，提高電網功率因素和降低線路損耗。光伏電站的并網發電，最終將取代常規能源發電。光伏發電的并網原理如圖1 所示。太陽能電池陣列通過正弦波脈寬調制逆變器向電網傳送電能，逆變器饋送給電網的電力由陣列功率和當時當地的日照條件決定。逆變器除了具有直流— 交流轉換功能外，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一步研究。

圖1 光伏發電的并網原理

1 小型光伏并網電站應具備的性能

光伏電站并網運行，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的電力，必須滿足電網規定的指標，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節實現陣列的最佳運行。

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。

光伏發電并網運行時的電路原理如圖2 所示。Up 為逆變器輸出電壓，Uu 為電網電壓，R為線路電阻，L 為串聯電抗器，Iz 則為回饋電網的電流。為保證回饋功率因數為1，回饋電流的相位必須與電網電壓的相位一致。以電網電壓Uu為參考，則Iz 與Uu 同相位，其矢量圖如圖3 所示。內阻R 兩端的電壓UR 與電網電壓相位一致，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，回饋電流Iz 的相位角的參考相位即為公用電網相位。用電流互感器隨時檢測Iz，確保Iz 與電網電壓相位一致，以實現功率因數為1 的回饋發電。

逆變器主電路功率管采用IGBT，容量為50A、600V，型號為2MBI50N-060 。隔離驅動電路采用東芝公司生產的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制(PWM)輸出口，包括一個10 位A/D 轉換器、一個事件處理陣列、兩個16 位定時器和一個三相波形發生器。三相波形發生器的每相均能輸出兩路死區時間可以設定的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、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制信號發生，其工作過程如下：公用電網的電壓和相位經過霍爾電壓傳感器送給微處理器的A/D 轉換器，微處理器將回饋電流的相位與公用電網的電壓相位作比較，其誤差信號通過PID 調節后送給PWM 脈寬調制器，這就完成了功率因數為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，然后調節PWM 輸出占空比。這個占空比的調節實質上就是調節回饋電壓大小，從而實現最大功率尋優。

從圖3 可以得知，當Up 的幅值變化時，回饋電流與電網電壓之間的相位角φ也將有一定的變化。由于電流相位已實現了反饋控制，因此自然實現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，光伏發電并網運行還必須考慮公用電網停電時的工作狀況。常規的光伏發電并網系統，在公用電網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發電。

其工作原理如下：當公用電網斷電時，電網側相當于短路狀態，此時并網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，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，實現逆變和穩壓運行。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。當電網恢復供電時，將自動切換至回饋狀態。

3  結論

采用16 位微處理器和高速IGBT 功率模塊實現了中、小容量光伏電站的并網發電。本文描述的光伏發電的并網運行逆變器，不僅具有較高的效率和畸變小的輸出電流波形，而且在電網斷電的情況下能夠單獨運行，具有一定的推廣應用前景。