一种单相模块式光伏并网系统的设计与实现

摘 要

为了解决光伏并网发电设备结构零散，工作时间有限和利用率低等问题，本文提出了一种单相分布式、模块化光伏并网发电设计方案。该方案通过电压、电流双闭环控制能够实现逆变器前端直流输入端电压稳定，达到并网要求。另外本文还详细讨论了常见的模块式光伏发电并网系统，这些模块式各有自己的优缺点，但本文提出具有更大的优势。实验结果表明本文所设计的整个装置结构紧凑、维护便捷，具有很大的发展前景。

【关键词】光伏发电 双闭环 分布式 模块化 逆变器

随着世界经济的高速发展，能源需求也日益迫切，作为一种清洁能源的太阳能具有很大的优势，但传统的集中式结构有很多的弊端。虽然集中式光伏系统相对于分布式光伏可以更方便地进行无功和电压控制，调节电网频率更加容易，但其需要依赖长距离输电线路送电入网，同时自身也是电网的一个较大的干扰源，大容量的光伏电站由多台变换装置组合统一管理技术尚不成熟，所以就目前而言，分布式光伏发电更加具有优势。

目前常见分布式光伏阵列拓扑结构有直流模块式系统、交流模块式系统，为了改善集中式发电系统结构存在的缺陷，本文便提出了直流交流结合的分布式、模块化光伏发电系统。该系统主要附着于建筑物表面（比如屋顶），其能够就近解决用户的用电问题，实现供电差额的补偿与外送。本设计后级逆变电路采用电压、电流双闭环控制对电网进行跟踪控制，以此确保逆变电路输出高质量的电能。实验结果表明本控制系统前级和后级相互独立、互不干扰，控制可靠，并可以方便实现模块化设计与集成。

1 模块式光伏发电系统工作结构

模块式系统目前主要有两种：直流模块式系统、交流模块式系统。本文对交流模块式系统和直流模块式光伏发电系统拓扑做了一定的研究，图1的直流模块式系统中，每个光伏组件输出端都接入一个DC/DC直流斩波器，斩波器的输出端串联后将电能传到后级直流交流逆变器输入端，最终实现并网，该系统有多个直流斩波电路，控制逆变器输入电压稳定相对来说较复杂。图2是交流模块式。这种系统中每个组件都直接接了有一个具有MPPT功能的微型逆变器，将太阳能直接转换为了交流电能，最后将各个模块的交流电能接入电网。降低了了电路的复杂程度，但其控制较复杂。

图3是本文提出的直流交流结合模块式系统，它是直流模块式系统和交流模块式系统两种系统融合而成的，具有两种系统共同的优点。直流交流结合模块式系统中，每个光伏组件输出端都接入一个DC/DC斩波电路，斩波电路的输出端并联后将能量输入到后级具有MPPT功能的直流交流逆变器输入端，将斩波电路输出的直流电能转换为交流电能，最后将各个模块并联，将交流电能传入电网。该直流交流结合模块式系统各模块能够相互独立、互不干扰，并可以方便实现模块化设计与集成。

2 模块式光伏发电系统硬件设计

本文整体设计结构如图4所示，电能从光伏阵列经过Buck降压电路、逆变电路，通过工频变压器实现隔离，最终实现并网。本设计通过单片机控制可以实现离网运行和并网运行两种模式，真正实现即插即用效果，通过多个检测电路保证了系统随时处于最优状态。

本文详细讨论了单相单级式光伏并网逆变器和单相非隔离光伏并网逆变器的控制，通过分析，本设计前端通过具有降压功能的Buck电路，将光伏板电压降高至所要求的电压大小。Buck电路转化效率较高，损耗小。直流交流逆变电路，在整个发电并网系统中占着极其重要的地位，它的设计与控制直接影响到输出电能质量和并网效果，所以本设计以传统的全桥逆变电路为模型，合理选择电路参数，另外选用了高性能的驱动芯片，使全桥逆变电路的IRF540开关管处于最佳工作状态，如图5。

3 模块式光伏发电系统软件设计

本设计采用了高性能的stm32f103zet6单片机实现光伏发电自动跟踪系统集控，保证并网所必须的三个条件（同频、同相、等幅）。图6为本系统软件设计的整体框架图，为了使逆变器输出较好的正弦电流波形，在直流交流逆变器的输出电流控制方法上必须进行优化控制，本文采用固定频率电流追踪的方法将网电电压与逆变器输出电压相比较得到电压的误差值，再经过PI调节得到电流控制信号，将其与实际输出的电流相比较后得到电流误差，将得到电压值与输出电压采样值相加，然后与三角波比较，产生2路控制逆变器开关管的通断的SPWM信号，从而使逆变器输出高质量正弦波。在整个电力系统中，我们要避免孤岛运行，防止多机光伏并网逆变器的孤岛运行，本文设计出了离网监测和离网运行程序，保证了系统离网运行。

4 实验结果与分析

实验得到了并网前后网电电压和逆变器输出电压的波形的图7、图8。在锁相以前网电电压与逆变器输出电压之间会存在一定的相位，并且这个相位的大小会随时发生变化。如图8所示实现了PLL锁相技术。

表1为孤岛运行模式时系统各点的电压电流以及逆变器输出电压频率，平均效率约为0.9，另外逆变器输出频率在50HZ一定范围内波动，符合并网要求。

本模块式光伏发电系统制作出了实物，成功调试了各个模块，实现了并网和离网运行，电压、电流双闭环控制保证了系统高效稳定。

5 结束语

通过上述实验结果可得出这样的结论：本设计的光伏发电系统既可并网运行又可以离网运行，能够通过控制策略实现电压快速稳定，能够满足并网要求。本设计提出的一种分布式、模块式的光伏发电系统，可以实现多个光伏发电系统的并联运行，极大的提高了光度利用率，这种模式可实现即插即用，符合小规模发电要求。

参考文献

[1]European Photovoltaic Industry Association （EPIA）.Solar Photovoltaic Electricity Empowering the World[R].Brussels：EPIA，2011.

[2]丁坤，王祥，徐俊伟，张经炜，翟泉新.常见光伏阵列拓扑结构分析[J].2014，30（3）.

[3]梁超辉.直流模块式光伏发电系统拓扑及控制研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

作者单位

1.湖北民族学院 湖北省恩施市 445000

2.湖北民族学院科技学院 湖北省恩施市 445000