光伏并网发电/独立供电系统的工作原理探究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇光伏并网发电/独立供电系统的工作原理探究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：光伏并网发电系统与光伏独立供电系统是光伏系统技术中的重要应用领域，适于不同的应用场合，两者的有效结合即是将并网发电功能与独立逆变供电功能集于一体，可以进一步拓展其应用范围并简化结构和减少投资。分析光伏并网发电/独立供电系统的工作原理，根据太阳电池的最大功率点跟踪技术，采用电网SPWM整流充电方式实现对蓄电池进行合理的充电控制。
关键词：光伏系统；并网发电；独立供电；工作模式；控制策略；最大功率点
中图分类号：TK89,TP393 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)10-013-04オ
Probe into the Principle of Work of Grid-connected Electricity Generation and
the Independent Power Supply System
JI Shengyong
(Anhui Vocational college of Electronics & Infortiomation Technology,Bengbu,233030,China)オ
Abstract：The system of photovoltaic grid and photovoltaic power generation and the independent photovoltaic power system is an important technology in the application field,which is suitable for different applications.The effective integration of the two functions can further expand its scope of application and simplify the structure and reduce investment.This paper analyzes the principle of work of the grid-connected electricity generation and the independent power supply system,and uses grid SPWM rectifier rechargeable battery means to achieve reasonable charge control,according to the solar maximum power point tracking technology.
Keywords：photovoltaic system;grid-connected electricity generating;independent power supply;mode;control strategy;maximum power point
1 主电路拓扑结构分析
光伏并网发电/独立供电系统是一种将有源逆变与无源逆变结合于一体的逆变装置，除了需要2种不同的控制策略外，还需要两套不同主电路拓扑结构，但是发现这2种逆变主电路的不同之处在于滤波环节不同，实际上可以通过对滤波参数进行整合折中，选用相同的滤波参数以满足需要，这样就能省去一套滤波装置，从而可以一机两用。本文采用了单相拓扑结构来实现两用功能。三相与单相实现原理一样，只是控制上要复杂些。
系统主电路根据实际设计有以下几种结构：
图1是一种比较简单实用的结构，他的主要构成有：光伏阵列、蓄电池组、双向全桥变换器、并网逆变和独立逆变共用的滤波电感L、工频变压器、直流平波电容、软起动电阻、以及若干接触器。他的具体工作原理是：光伏阵列和蓄电池的直流电能可以由双向全桥变换器变换成交流电能，提供给负载或电网；电网的交流电能也可以由双向全桥变换器变换成直流电能，给蓄电池充电。图2 与图1基本相同，只是多了一个太阳能充电器环节，这个环节的增加，使得蓄电池既可以由太阳电池充电，又可以由电网整流充电。但是显然增加了系统的成本。图1通过一个二极管来代替接触器KM1，因为大容量的直流接触器价格比较昂贵，尽量少的使用接触器，可以降低成本，于是得到图3，由于系统在SPWM整流充电时需对直流电压控制，若太阳电池电压过高二极管导通，不利于直流电压控制。
2 系统的工作模式
从系统要求出发，要具备以下几种工作模式是：
2.1 并网逆变模式
这种工作模式的前提是天气晴好，且电网电压正常和蓄电池不需要充电。负载是交流电网和交流负载。
2.2 独立供电模式
这种工作模式的前提是电网电压故障。负载是交流负载。
2.3 整流充电模式
这种工作模式的前提是电网电压正常且蓄电池欠压。负载是交流负载和蓄电池。
2.4 太阳电池给蓄电池充电模式
这种工作模式的前提是电网故障，不能由电网进行整流充电，且天气晴好，这时逆变器工作在独立逆变状态，蓄电池处于边充边放状态，但这时一定要注意检测蓄电池的电压，不能过充，否则会损伤蓄电池。由于考虑成本因素没有加充电器环节，以及处于独立逆变工作状态蓄电池不能完全充满，只能根据蓄电池的电压和充电电流大小近似认为是否充满电，这只是一种附加充电方式。
2.5 电网给负载供电模式
天气转阴(或夜间)且蓄电池电已充满，则由电网给负载供电,逆变器不工作。
知道系统这5种工作模式后，如何进行各种模式之间的切换是需要认真解决的一个问题，由于考虑到成本问题，没有选用图1，2那种拓扑结构，这就使得太阳能给蓄电池充电模式不够理想，控制的可靠性方面不够完美，但如果采用高频逆变器作为并网和独立逆变的逆变器，从一方面考虑还是具有一定的可行性，因为高频逆变器中有一个DC/DC升压环节，正好可以利用这个升压环节作为太阳能给蓄电池充电的充电器，使的系统的充电控制策略更加完善，同时由于采用高频逆变器，可以省去笨重的工频变压器。但是在高频独立逆变时直流侧需要更多的蓄电池，同样也会增加成本。下面将在本文采用的拓扑结构下，介绍5种模式之间的7种切换过程。
(1) 并网逆变和独立逆变之间的切换
系统开机后首先检测电网电压、蓄电池电压和太阳电池电压，如果电网电压正常，且太阳电池电压正常，蓄电池电压也是满的，这时就可以进行并网发电，逆变器输出电压供给电网和交流负载，此时如果电网发生故障，则系统在检测到电网故障后会立即转入独立逆变状态，继续给负载供电，起到不间断电源的作用。当电网恢复后又继续并网发电。
(2) 并网发电和整流充电之间的切换
当电网正常时，在进行并网发电时若发现蓄电池电量不满，则可以通过手动开关发一个I/O信号给控制器，控制器发相应的命令实现整流充电，此时系统停止并网，当蓄电池充满电后，检测并网条件符合后则自动再转到并网发电模式。
(3) 并网逆变模式和太阳能充电模式之间的切换
当电网正常时，在进行并网发电时若发现蓄电池电量不满，则可以通过手动开关发一个I/O信号给控制器，控制器发相应的命令实现太阳能给蓄电池充电。当检测到蓄电池电压基本满时则检测是否符合并网条件，若符合条件，则继续并网发电。
(4) 独立供电模式和整流充电模式之间的切换
当系统工作在整流充电时，若电网发生故障，则系统检测到故障后立即转到独立供电模式。当系统工作在独立逆变状态时，电网恢复且蓄电池电量不足，这时系统又转到整流充电模式。
(5) 独立供电模式和太阳能给蓄电池充电模式之间的切换
当系统工作在独立供电模式时，若天气晴好则边给蓄电池充电边独立逆变;当天气转阴时或天黑时则由蓄电池提供能量进行独立供电。
(6) 独立供电和电网给负载供电模式之间的切换
当电网给负载供电时，突然电网发生故障，则系统会立即转入独立供电状态;当电网恢复时会继续转到由电网供电状态。
(7) 整流充电模式和太阳能充电模式之间的切换
当系统正在进行整流充电时，电网突然发生故障，则系统必须工作在独立供电模式，此时系统处于边充电边逆变状态，也即是太阳能充电模式，当电网恢复后，可以根据需要再转到整流充电模式。
在知道详细的切换过程后，还需要知道在各种工作模式下的控制方法，在并网模式时，需要控制与电网电压同步的并网电流，而且要保证太阳电池始终以最大功率输出；独立供电模式下，需要控制逆变器的交流输出电压；整流时需要控制交流输入电流，并且保证电流与电网电压反相，才能得到蓄电池的恒压、恒流控制。
3 蓄电池的充电管理
在独立供电模式下，铅酸蓄电池组工作在存储能量和释放能量状态。
天气晴好且电网故障时，系统工作在独立逆变状态，可以根据负载大小和太阳电池阵列容量给蓄电池充电；当天气转阴(或天黑)且电网故障时蓄电池能量可以经过逆变给负载供电，蓄电池组的在这种工作环境下工作，会存在以下缺点：
(1) 电源来自于光伏阵列接收到的太阳辐射能量，容量有限，并且受到时间、环境温度和太阳辐射强度等因素的影响，具有间断性的特点；
(2) 蓄电池组的充放电次数频繁，经常工作于充放电状态；
(3) 太阳辐射强度较高时，容易造成蓄电池组过充；太阳辐射强度较低时，又容易造成蓄电池组欠充。
这些缺点的存在可能使得昂贵的蓄电池组寿命减少，由于以上原因，为了保证系统正常供电和蓄电池的长期使用，必须采用合理优化的控制方法来减小这些因素对蓄电池的影响。在对蓄电池充放电时，应尽可能地按照蓄电池所提供的充放电特性曲线进行，充电时一般采用三段式充电方式，先恒流充电，然后恒压充电，再涓流充电；当蓄电池工作于放电状态时，须设置蓄电池的放电电压下限值，保证蓄电池的放电深度，不能过放。所以，在蓄电池工作时须检测蓄电池的充电电流和端电压，这样才能实现对蓄电池的三段式充电管理以及放电管理。同时，由于温度也会影响蓄电池的特性曲线，温度不同，其欧姆内阻和过充电压阈值也不同，因此，为了实现对蓄电池的有效管理，有时还须对蓄电池过充电压阈值进行温度补偿。
在了解了蓄电池的充放电要求后还需要根据太阳电池的特性来设计充电器，在设计充电器之前需要了解太阳电池的最大功率跟踪技术。
3.1 最大功率点跟踪技术
由于太阳电池本身的特性和成本比较昂贵，希望太阳电池阵列在同样日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，以达到资源的最优利用，尤其是在大功率光伏并网系统中，最大功率点跟踪技术更显得重要。日照强度和电池结温是影响太阳电池阵列功率输出的2个重要参数，太阳电池结温和环境温度的关系依赖于日照强度，从太阳电池阵列的I-V特性(见图4)和不同日照量下的I-V和P-V特性曲线(见图5)可以看出在日照度不变的条件下，当环境温度升高时，太阳电池的开路电压将减小，短路电流将有微小的增大。在环境温度不变的条件下，当日照度高时，太阳电池的短路电流Isc将增大，开路电压Uoc将有微小的增大。考虑到日照度高时一般都具有较高环境温度，日照度低时一般都具有较低环境温度这一特点，太阳电池1天内最大功率点的轨迹接近于太阳电池某一恒电压处的功率轨迹。
(1) 短路电流(Isc)： 在给定日照强度和温度下的最大输出电流；
(2) 开路电压(Voc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电压；
(3) 最大功率点电流(Im)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流；
(4) 最大功率点电压(Vm)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电压；
(5) 最大功率点功率(Pm)：在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率，Pm=Im•Vm。И
因为太阳电池1天内最大功率点的轨迹接近于太阳电池某一恒电压处的功率轨迹。所以可以采用定电压控制方法实现最大功率点跟踪问题。
3.2 系统的充电控制策略
在了解太阳电池的最大功率点跟踪技术后，就可以设计适合铅酸蓄电池的充电器。由于这部分内容在有关文献中介绍比较多，在这里不再叙述。
蓄电池的充电主要有2种方式：一种是太阳电池阵列给蓄电池充电，另一种是利用双向变换器对电网电压通过SPWM整流对蓄电池充电。前一种充电方式由于需要光伏充电器，增加了系统的成本，但不加光伏充电器，会频繁的对蓄电池进行不完善充放电，且不能进行最大功率点跟踪，因此采用电网SPWM整流充电方式作为主要的充电方式；而太阳能给蓄电池充电模式只作为一种辅助的充电方式，一般不使用这种方式给蓄电池充电，只有在独立逆变时为防止太阳电池能量不足或过剩，作为一种提供能量和存贮能量的装置才可以设置采用这种充放电模式，而且这种模式下需要保证蓄电池电压不能过压，如果在前面加一级DC/DC充电器，这样可以对蓄电池进行合理的充电控制。符合蓄电池的使用要求，但成本高。
在采用太阳电池给蓄电池充电工作模式时，只能通过判断蓄电池电压来认为蓄电池是否充满，因为没有蓄电池正常的三段式充电过程，所以很难将蓄电池充满。本文充电系统主要是通过SPWM整流进行充电，这种充电方式可以很好的满足充电要求。下面介绍SPWM整流充电控制策略。
蓄电池的充电系统需要控制直流电流、直流电压、交流网侧电流3个量，因此，该系统的控制结构应包含有 3闭环控制，其结构如图6所示。
U*x为蓄电池充电电压指令值；Ux为蓄电池实际反馈电压；ASR为蓄电池电压调节器，电压误差调节输出为I*x；I*x为充电电流指令值；Ix为实际充电直流电流；ACR1为蓄电池直流电流调节器，ACR1的输出作为网侧电流的幅值给定，其正负决定了是并网还是充电，即其逆变器并网电流与电网电压是同相还是反相；TB为同步电压变换器；I*M与同步变换器输出U*net的乘积为I*B，I*B再作为网侧交流电流的给定；ACR2为网侧电流调节器，实现网侧电流I*B的跟踪控制；ACR1的输出I*M的正负变化可以反映系统处于充电状态还是并网发电状态，也即指令电流I*Bв氲缤的对应相位是相同还是相差180°。因为是3闭环控制，要得到稳定的充电电压和电流就必须合理的设置3个调节器的参数，同时也要保证一定的快速性。
具体工作原理是：当蓄电池电压小于给定直流电压时，相当于蓄电池欠压；此时直流电压调节输出值增大，也就是直流电流给定值增大，于是直流电流调节器输出增大，也就是网测电流给定值增大，于是网测电流调节器值增大，变换器导通角增大，电网输入功率增大，反映到直流电压升高，直流电流也增大；当蓄电池电压高于直流给定电压时，直流电压调节器输出减小，也就是直流电流给定值减小，于是直流电流调节器输出也减小，网测电流给定值也减小，变换器导通角减小，网测输入功率减小，反映到直流电压也减小，直流充电电流减小。
由于这部分基本由软件实现，这里不再叙述。
4 结 语
随着光伏发电系统在我国的广泛推广和应用，相关电力变换系统及技术也会不断进步和发展，光伏并网逆变和独立逆变供电系统虽然其各有特点并分属不同应用场合，但两者结合一体的应用会更加受到用户欢迎。逆变器的模块化和多功能化是今后逆变技术的发展方向，不仅是并网发电和独立后备供电的两者控制的结合，而且还会有多机并联供电、多机并网群控等功能的集成。
参 考 文 献
［1］郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究\[D\].合肥:合肥工业大学,2005.
［2］苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究\[D\].合肥:合肥工业大学,2003.
［3］赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究\[D\].合肥:合肥工业大学,2003.
［4］汪海宁,苏建徽,丁明.光伏并网发电系统中的最大功率跟踪控制\[J\].电工技术,2005(9):4-6.
［5］刘凤君.Delta逆变技术及其在交流电源中的应用\[M\].北京:机械工业出版社,2003.
［6］张鹏,王兴君,王松林.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用\[J\].现代电子技术,2007,30(14):189-191,194.
作者简介
纪圣勇 男，1968年出生，硕士，中国高等学校电子教育学会会员。研究方向为电气工程。