太阳能光伏发电并网逆变器控制技术的应用

太阳能光伏发电并网逆变器控制技术的应用

傅婧

（中国能源建设集团西北电力建设甘肃工程有限公司，甘肃兰州  730070）

摘要：随着时代的发展和进步，审核高速发展，维护电力成为现代化建设和社会可持续发展的关键。该文阐述光伏发电并网逆变器的控制方法，而后提出基于正弦波脉宽调制逆变技术的并网逆变器控制策略。该文旨在合理化解太阳能利用效率低下的问题，探寻出最佳的逆变器控制方法，实现零静态误差运行，并提升逆变器运行稳定性，从而将太阳能资源有效转化成为电能。

关键词：：太阳能；光伏发电并网；逆变器控制

引言

随着全球能源需求的不断增长和化石能源的日益枯竭，可再生能源作为一种新型的清洁能源受到越来越多的关注。在众多可再生能源中，太阳能是最为广泛应用的一种。太阳能的利用不仅可以减少对有限的化石能源资源的依赖，还能够降低环境污染和碳排放，具有重要的经济和环境意义。光伏发电系统作为太阳能利用的一种主要方式，其发展和应用已经进入了快速发展阶段。

1太阳能光伏系统概述

太阳能光伏系统是由太阳能电池组件、太阳能电池板阵列、光伏并网逆变器和蓄电池等组成，并通过光伏并网逆变器将直流电转换成可供远距离传输的交流电。太阳能电池组件主要由玻璃、胶膜和硅材料等构成，而太阳能电池板阵列主要由单晶硅、多晶硅、非晶硅等构成，其中多晶硅与非晶硅的性能最好，因而在太阳能光伏发电系统中应用最为广泛。蓄电池是由镍氢电池和镍镉电池构成，其中镍氢电池的使用寿命相对较长，但其价格较高，因此在太阳能光伏发电系统中一般不会应用。光伏并网逆变器是将太阳能电池组件产生的直流电转换成与电网同频、同相的交流电的设备，是太阳能光伏发电系统中必不可少的设备之一。通常情况下，光伏并网逆变器可以将直流电转换成交流电。但当太阳能光伏系统中的负载需要低电压时，为了避免其工作于直流状态而损坏自身，在设计时应尽可能地使光伏并网逆变器工作于交流状态。

2太阳能光伏技术优点

（1）供电可靠性。太阳能发电技术是一种对太阳能量进行有效利用的技术。常规的太阳能使用方法是在供热处理中使用太阳能，到1839年人们首次发现太阳能电池的光电特性，但受限于技术和生产能力的影响，全球首个单片硅基太阳能电池，一直到1954年才被生产出来。尽管这一技术受到国际上的广泛重视，但是由于其较高的制造费用而未能大规模普及。在21世纪之后，光伏发电技术得到迅速发展，有关材料和装备的成本也在持续下降，这为太阳能光伏发电技术的广泛应用奠定了坚实的基础。目前，太阳能电池的使用非常普遍，利用太阳电池为城镇和农村提供可靠的电力供给。经过国家的大力推广和建设，现在的太阳能电池板，可以为14万多个家庭，提供稳定的电力。（2）资源充足、干净、不受环境影响。太阳能资源丰富，是一种洁净的能源，与传统的矿物能源燃烧发电技术相比，太阳能光伏发电技术不会对生态环境产生污染和破坏，也不会产生因能量过度开采和利用而带来的严重后果。从国内的太阳能分布情况来看，我国地域广阔在西部高原地区拥有丰富的太阳能资源，在不高的人口密度条件下，可为发展光伏发电技术提供一个可靠的地理和环境条件。例如西部部分区域的太阳辐射强度都可以高达4kW/m2，而在西北部的某些区域，更是高达7kW/m2以上。

3基于正弦波脉宽调制逆变技术的并网逆变器控制策略

3.1聚光光伏技术

聚光光伏技术是区别于传统光伏系统的，聚光光伏发电系统主要由太阳跟踪机构、组件框架、聚光镜、太阳能接收器组成，即通过高效率的光伏电池将聚焦后的太阳光直接转化为电能的技术，其中，聚光光伏（Concentrated Photovo ltaics）是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。这种系统能够最大程度地利用太阳能，提高光伏系统的能量输出。聚光光伏系统使用的光伏电池的效率通常高于传统太阳能电池，可达30%至40%，其常见的聚光比在300倍到1000倍之间。在实际应用中，CPV系统的跟踪精度可以达到亚角秒（sub-arcsecond）的级别。这样的高精度跟踪系统可以确保太阳光在不同季节和天气条件下始终被准确地聚焦在太阳能电池上，从而最大程度地提高能源转换效率。与适用于各种光照条件下、无需高度聚光的传统太阳能电池不同的是，CPV系统适用于要求高效能的环境，如阳光直射强烈的沙漠地区，使其能更有效地利用阳光。聚光光伏技术以其显著的光电转换效率优势成为新兴电能生产模式，有望解决传统能源供应不足，实现更高的发电功率密度。然而，该技术对光学器件制造和调整、系统维护以及安全方面提出了严格要求。通过对砷化镓（GaAs）薄膜电池等聚光发电技术的研究，聚光光伏技术有望在大规模光伏发电项目中得到广泛应用。作为新兴发电技术，聚光光伏发电标志着可再生能源进入更高效和可持续的阶段。通过优化太阳能的捕获和转换过程，该技术不仅提高了发电效率，还减少了对传统能源的依赖。引入聚光光伏发电技术将为可再生能源领域注入新的活力，为清洁能源的可持续发展创造更有利的条件。随着技术不断创新和应用，聚光光伏发电有望为全球能源格局带来积极的变革，对环境保护至关重要，为能源行业的未来发展打开崭新前景。

3.2逆变器的选型和控制策略

逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分，其作用是将直流电转换为交流电，供应给家庭和企业使用。逆变器的性能和效益直接影响到光伏发电系统的整体性能和效益。因此，在逆变器的选型和控制策略方面需要进行合理的选择和设计。在逆变器的控制策略中需要考虑多种因素，包括输出功率、转换效率、波形质量、可靠性等。其中，输出功率是最为重要的指标之一，它决定了逆变器的适用场景和电力输出能力。转换效率也是非常重要的指标，它直接影响到光伏发电系统的效益和稳定性。另外，波形质量和可靠性也是需要考虑的因素，它们分别影响到逆变器的输出质量和工作寿命。包括最大功率点追踪、电网连接、保护控制等。其中，最大功率点追踪是最为重要的控制策略之一，它可以使逆变器在不同光照条件下实现最大输出功率。电网连接和保护控制也是需要考虑的因素，它们保证了光伏发电系统与电网的安全连接和稳定运行。在本研究中，选择了输出功率和转换效率较高、波形质量和可靠性较好的逆变器作为光伏发电系统的核心组件，并采用最大功率点追踪和保护控制等策略进行控制。具体来说，选取了多个不同品牌的逆变器进行测试，并对比了它们的性能表现和价格等因素。下表为选取的三种逆变器的比较数据：

表1　三种逆变器数据比较

通过表1对比数据可以看出，逆变器C的转换效率最高，且波形质量和可靠性也较好，但价格相对较高；逆变器A的性价比最高，但波形质量略低；逆变器B的价格最低，但转换效率和波形质量较低。在实际应用中，需要根据实际情况综合考虑这些因素，选择合适的逆变器。

3.3电池储能系统

在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏发电系统对环境的影响，通常采用电池储能系统，在电池储能系统中，为了更好地提高它的效率，必须保证电池储能系统的安全，因此必须对其进行有效的设计。根据目前的研究情况来看，为了使电池储能系统具有安全性和稳定性，必须保证其具有较高的效率。同时，还应该对电池储能系统进行合理的设计，在对其进行设计时需要充分考虑以下方面：（1）对电池储能系统中的能量进行合理的分配。在对其进行设计时必须充分考虑各部分能量之间的平衡性，只有这样才能够有效地提高其效率。（2）电池储能系统中应该安装相应的保护装置。目前在很多国家中都已经建立了相应的电池储能系统保护装置，但这些保护装置一般都是针对大型设备而设计的，因此在对其进行设计时必须充分考虑小型设备在运行过程中可能出现的故障。因此在对其进行设计时必须充分考虑小型设备在运行过程中可能出现的故障。在对电池储能系统进行设计时必须充分考虑它和电网之间的连接方式，只有这样才能够确保电池储能系统能够在电网发生故障时对其进行有效的保护。

3.4提高太阳能光伏电池效率

在太阳能光伏发电技术的发展研究中，提高太阳能光伏电池的效率是一个重要的研究方向。研究人员采取了多种方法来增加太阳能光伏电池的光电转换效率。（1）材料的研究是提高太阳能光伏电池效率的关键。通过开发新型的材料，如多层结构化合物半导体材料、钙钛矿材料和有机无机杂化材料等，可以扩大光谱范围，提高光吸收效率，并提高电子输运效率。此外，由多种材料组成的混合电池结构也被广泛研究，进一步提高太阳能光伏电池的效率。（2）光伏电池的结构和电池工艺也是提高效率的关键。研究人员通过优化电池结构、改进电池的表面纳米结构和增加反射层等手段，可以增强光在电池中的吸收和电子的传输效率，从而提高整体的光伏电池效率。此外，利用新型的电极材料和电池工艺技术，如低成本和高效率的印刷技术和柔性电池技术也是研究的热点。（3）研究人员还在智能光伏系统的控制和优化方面进行了大量的研究工作，以实现更高的效率。通过使用最先进的控制算法和优化方法，可以实现最大功率点跟踪和优化光能的利用，提高系统效率和性能。

3.5混合光伏发电系统

混合光伏发电系统中的“混合”一词，是指将太阳能与其他非太阳能能源的发电系统进行整合，以实现更全面的能源利用和更稳定的供电。这一系统设计的核心思想在于充分发挥各种能源系统的优势，从而在不同条件下保证电力的持续供应。在混合光伏发电系统中，太阳能与生物质能发电系统、风力发电系统、地热发电系统等可以相互协调工作。这种整合的方式不仅可以弥补光伏发电系统在一些气候条件下稳定性较差的问题，还能有效控制负载缺电率，减少对天气的依赖性。例如，在冬天风力较大且日照较差的地区，通过与风力发电系统混合使用，可以更好地应对气象变化，保持系统的稳定性。混合光伏发电系统的整合形式既可以采用并网方式，也可以是独立系统。这样的设计不仅提高了系统的灵活性，还能更好地适应不同地区的能源需求。并网形式下，系统可以灵活地向电网存取电能，减少线路损耗，提高电力系统的整体效益。而独立形式下，系统则更具自主供电能力，适用于一些偏远地区或特殊场合。混合光伏发电系统的发展，有望为能源领域带来更为灵活、可靠的解决方案，实现多能源协同发电的目标。这也进一步推动了清洁能源技术的发展，为全球可持续能源体系的建设做出了积极的贡献。

4太阳能发电项目的发展趋势

在目前阶段，由于太阳能发电项目主要分布在人口比较稀少的地区，因此可以建立具有较大规模的地面光伏发电站，来满足其市场化的要求。同时，巨大的用地需求量也限制太阳能发电的发展，所以科研人员设计出农光互补、林光互补等分布式的发电厂，以此方式最大限度地利用空间，并建造小型光伏发电厂利用有限的土地资源，降低光伏发电对土地资源的要求。但是，该类太阳能电池板的维修与养护工作相对困难普通民众无法承担，所以该技术的推广面临着技术、环境和政策等诸多障碍。目前，国内对于太阳能电池板的开发仍有许多不够完善的问题，需要科研人员结合我国发展与用电现状，研发新技术，开创新项目，最大化发挥我国太阳能资源与土地资源，但同时需要注意我国西北高原地区的独特地理特征，明确因其地理位置和地理位置的特殊性，导致其在当地的开发和应用受到限制问题。

结语

本文在光伏并网逆变器类型分析的基础上，阐述了光伏发电并网逆变器的基本控制方法，并在此基础上构建逆变器控制系统的模型，计算出了PI控制参数，并分析了逆变器控制系统的误差，总结出光伏逆变器电流环控制方式具备原理性误差的分析结论。之后，选用有效值外环控制与瞬时值内环控制相结合的控制策略，绘制出了逆变器控制结构图，并阐述了逆变器独立运行与并网运行时的控制模式，验证了此种双闭环控制结构在太阳能光伏发电并网逆变器控制方面成效显著。

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