微电网光伏逆变器的研究 史升振

微电网光伏逆变器的研究史升振

发表时间：2017-12-07T18:19:19.597Z 来源：《电力设备》2017年第22期作者：史升振潘锴天

[导读] 摘要：经济的不断进步和人们汽车使用量的提升，导致化石能源的过度消耗，并伴随着生态环境的恶化，迫使世界各国投人巨资研究新型环保能源。

（山东电力建设第三工程公司）

摘要：经济的不断进步和人们汽车使用量的提升，导致化石能源的过度消耗，并伴随着生态环境的恶化，迫使世界各国投人巨资研究新型环保能源。太阳能光伏电池和光伏发电技术的不断进步，以及太阳能其自身用之不尽、取之不绝、清洁无污染的特点，使太阳能成为新兴的能源之一。本文概述了逆变器相关的基本理论知识，详细分析了逆变电路的主电路结构和工作原理,对控制电路的结构进行了简单的介绍，并分析了孤岛效应产生的原因和相关检测方法。

关键词：光伏逆变器；微电网；并网运行；孤岛检测

1引言

逆变器作为光伏发电系统中主要的电路变换器件，起到了举足轻重的作用，逆变器的研究和发展对光伏发电产业有着重要的推动作用。在世界各国高端关注新型能源的大环境下，逆变器的研究进入了高速发展。在国外，光伏产业得到了很多国家的关注和鼓励。美国、日本等发达国家也出发布了一连串刺激光伏产业的举措，使全球光伏发电市场呈现出欣欣向荣的景象。在国内，光伏领域发展迅猛，大规模的能源企业也投入到光伏发电领域中，产业管理体系日益完善，同时，机遇当中也伴随着许多问题，如光伏制造的关键技术研发落后，缺乏核心竞争力，市场不规范等问题继续解决[1]。

2 光伏逆变器

2.1 隔离性光伏逆变器结构

光伏电池输出的电流首先通过直流-交流变换器变为工频频率的交流电流，然后交流电流经过工频变压器变换成具有一定幅值的交流电流。运用工频变压器的优点是主要的系统电路和控制装置易于实现，并且光伏阵列与DC/AC变换器可匹配的电压范围广。工频变压器具有结构简单、可靠性、抗冲击性能好、安全性能良好等优点。然而，工频变压器存在体积大、质量大的缺点，此外，工频变压器系统效率较低，损耗了很多电能，不符合节能的要求。

高频隔离型逆变器与工频隔离型逆变器的不同在于前者在前级升压电路添加了高频变压器，代替了后级的工频变压器，逆变效率大大提高，逆变器也变得更加轻便[3]。光伏电池输出的准直流电能经过直流-交流变换器转化为高频电能，在通过高频变压器转化为较高电压的交流电压，然后通过AC/DC变换和整理滤波，变换为具有较高电压的直流电能，最后在通过DC/AC变换为符合一定频率和电压要求的交流电能。高频变压器既有隔离作用又有升压作用，同时提高逆变器的效率、减小了体积，是逆变器的发展趋势。其缺点是功率等级一般较小；高频工作的工作频率较高。

2.2 非隔离型逆变器的结构

非隔离型光伏逆变器由于没有了变压器电磁转化环节上的能量损耗，进一步提高了光伏发电系统中的转化效率。在非隔离型逆变器中，系统的结构简单、重量变轻，成本降低。

逆变器将直流电能转化为交流电能。通过将多个光伏阵列串联，来使其具有较高的输出电压，从而使直流侧电压满足了逆变交流输出的电压等级，省去了笨重的工频变压器[4]。其优点是效率高、重量小、结构简单，价格低廉。但光伏电池板与电网之间没有添加保护措施，对工作人员的安全产生危险，发生漏电事故。

3 逆变器的控制方式

光伏并网逆变器控制方式分类，主要包括电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种。现在大部分场合中，逆变器采用电压源输入方法，因为采用电流源输入会产生很大的电流，影响系统的快速反应能力，使系统处于极不稳定的状态。按输入直流电源性质，逆变器分为：电流型逆变器，和电压型逆变器。

4 逆变器的最大功率跟踪技术与孤岛效应

4.1 最大功率跟踪原理

光伏电池受其结构的影响，其输出特性非常复杂，光伏系统产生的输出电压极易受到外部环境改变的影响，而这些改变又作用于系统的各种输出电量，使系统并不能最优的处理吸收的太阳能，工作效率降低，这对光伏系统的影响是极为的不利[7]。

4.2 常见的最大功率跟踪技术

扰动观察法：不断地扰动电池板的输出特性，同时注意输出特性的变化，根据其输出的特性变化再来选择下一次的扰动方式，如此反复，使电池板能够工作在最优的状态。

电导增量法：该方法是需要测量光伏阵列的瞬时导抗和在这期间的导抗变化值，进而比较这两者之间的差异，使电池板工作在理想状态。光伏P-U曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线，最大功率点出的功率对电压的导数为零。

4.3 孤岛效应产生的机理及危害

“孤岛”指的是电力系统中某一部分（包括负载和工作当中的设备）独立供电工作，不和其他的电力设备相联系的一种状态[10]。光伏逆变器和公共电网相连时，电能由电网和逆变器共同输出，当电网不能正常供电时，各个用户端的变压器未能及时将自身切离市电，并一起自身的输出频率和电压周围负载供电，这样就形成由发电系统和其所带负载所形成的一个供电公司不能实时控制的自己供电的“孤岛”,并称此时的逆变器运行在孤岛状态。

孤岛效应会产生很多危害：(1)当电网发生孤岛现象时，该区域内的电压和频率处于不可控状态，极不稳定，该区域内的用电设备会受到不同程度的损害。

(2)有时，电网所带的负载并没有按照逆变电源的容量设计，这就导致了电源的过载，减少了逆变电源的使用寿命，而且电源极易发生烧毁。(3)发生孤岛现象时，电网电压向量极易发生漂移，当和主网差距过大时，系统的闭合闸门二次跳闸，极易损坏系统中的工作装置。

(4)当发电系统处于孤岛时，大部分的电路会有电能残存，残存的电能还是具有很强的能量，极易危害工作人员的生命健康安全。(5)孤岛发生后，逆变电源的输出与电网失去了同步时序，当电网恢复供电时可能因出现大的冲击电流而导致线路再次跳闸（重合闸失败），导致损

坏逆变器和设备[12]。

4.4 孤岛效应的检测

因为RL串联负载可以很容易的在孤岛状态中检测出来，所以我们将负载设定为RLC并联结构。可以很明显的看出，若负载中L和C的设定值合理，传统的被动式检测很难发现孤岛状态。

主动式检测法是指通过改变逆变器的功率、频率或相位的变化，然后监测它的响应，根据监测到的响应参数的变化来确定孤岛是否发生。主动频移检测法：通过使逆变器的输出电流频率发生微弱的失真，使其频率能够连续的发生变化，这样就导致输出的电量超出保护电路所设定的最大值，以此来消除孤岛现象 [13]。周期性检测法：当电网稳定运行时，有规律地对逆变器输出电压施加正、反两个方向的频率扰动，来抵消因负载自身特性而对一种频率扰动的平衡作用。

被动式检测法通过检测电网由正常工作状态变为非正常状态时，逆变器的输出电压、频率、相位的前后差异来进行孤岛检测。如果光伏系统输出功率等于部分负载功率时，这时被动式检测就检测不到孤岛现象，存在大范围的无效区域 [14]。过欠电压检测法：该策略是当公共耦合点的电量没有处于设定的正常范围时，触发系统的保护电路，从而切断逆变器的工作状态。

以上几种被动式检测方法得出：该方法经济性好，理论基础易懂，易于搭建，不降低电能质量；缺点是存在检测盲区，当分布式电源容量和负载容量相匹配时，孤岛产生后，电压、频率波动小，因此无法区别孤岛和并网状态，一些电量要通过计算才能得到。该方法适用于负载功率变化平缓，负载容量和分布式电源容量差距不大的环境下。

参考文献

[1] 魏学业, 王立华, 张俊红, 谷建柱, 惠子南. 光伏发电技术及其应用[M]. 机械工业出版社, 2013年7月.

[2] 周志敏, 纪爱华. 太阳能光伏逆变器设计与工程应用[M]. 电子工业出版社, 2013年6月.

[3] 杨金焕, 于化丛, 葛亮. 太阳能光伏发电应用技术[M]. 电子工业出版社,