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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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并网光伏系统逆变器研究综述

Prakash Kumar Dewangan1， Umesh T. Nagdeve教授2
  1. 学生，M.E(研究)，电子工程系，麻省理工学院冈迪亚，(M.H)，印度
  2. 印度麻省理工学院电子与通信工程系主管、副教授、院长(奖学金和助学金)和分会顾问
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

并网光伏发电系统由连接到公用电网的光伏板供电。并网电力系统由光伏板、电源调节单元、控制器、MPPT、太阳能逆变器、滤波器和并网设备组成。太阳能光伏发电取决于天气条件，需要夜间存储系统。而利用MPPT技术，光伏系统在不同天气条件下都能产生最大功率，并在不使用任何存储系统的情况下向公用电网供电。多电平逆变器由于具有开关损耗小、电磁兼容性好、耐压能力强、谐波低等优点，近年来受到广泛关注。太阳能能源太阳能是一种有利的可再生能源，多级逆变器已被证明是光伏利用的重要使能技术之一。随着全球能源需求的增长和对环境污染的关注，光伏发电系统正得到越来越广泛的应用。

关键字
MPPT，控制器，太阳能逆变器，滤波器，MATLAB/Simulink

介绍
直流到交流电逆变器的概念光伏应用。当暴露在阳光下时，光伏组件能够产生直流电力。逆变器，负载为低压交流公用电网，电源为单个光伏组件。光伏效应是光伏电池将阳光直接转化为电能的基本物理过程。光伏技术在任何时候都可以工作，但当阳光更强烈时，当阳光直射到光伏组件时，当太阳光垂直于光伏组件时，就会产生更多的电力。阳光是由光子或辐射能束组成的。当光子撞击PV电池时，它们可能会被反射、吸收或通过电池传输。PV电池有多种形状和尺寸。最常见的形状是圆形、矩形和正方形。PV电池的大小和形状，以及一个PV组件所需的PV电池数量，取决于PV电池的制造材料。 Due to low voltage of the individual solar cell (mainly 0.5V) several cells are wired in series for manufacture of a laminate. Then the laminate is assembled into a protective weather proof enclosure thus making a photovoltaic module or solar panel. Modules are then strung together into a photovoltaic array. A photovoltaic array is a linked assembly of PV modules. Most PV array use an inverter to convert the dc power produced by the modules into alternating current. The modules in a PV array are connected in series to obtain the desired the voltage, the individual string are then connected in parallel to allow the system to produce more current. A solar or PV inverter converts variable direct current (DC) output of the photovoltaic solar panel into a utility frequency alternating current that can be fed into a commercial electrical grid or it is used by the local or off grid electrical network. It is a critical component in the photovoltaic system allowing the use of ordinary commercial appliances. Solar inverters have special functions adapted for use with the photovoltaic arrays including maximum power point tracking and anti islanding protection.

光伏系统概述
太阳能电池是光伏组件的基本部件，它是负责将太阳光或光子直接转化为电能的元件。所使用的太阳能电池是P-N结，其电特性与二极管差别很小。光伏电源的主要优点是
1-设计、安装和启动新工厂的交货时间短。
2-高度模块化，因此，工厂经济不是一个强大的功能大小。
3-功率输出与峰值负载需求非常匹配。
4、静力结构，无活动部件，无噪音。
5-单位重量的高功率能力。
6-由于没有活动部件，使用寿命更长，维护较少。
光伏的主要应用是-家庭建筑照明和一般电源，工业建筑照明，一般电源和处理设备，远程建筑的一般报警，区域照明CCTV广告，休闲船，电动船，电池充电(照明和电视)露营和远程住宅，商业建筑照明和一般电源。
图1为光伏系统框图，该系统包括带有DC - DC变换器的太阳能光伏板、单相逆变器和负载。当太阳光的光子照射在光伏电池阵列上时，太阳能光伏电池板就会产生电能。光伏板的输出直接连接DC - DC升压变换器，提高光伏板的直流输出。然后，它被馈送到一个逆变器，在所需的电压和频率下将直流转换为交流电源。电流控制器具有灵活、易于通过软件修改、在定点计算中实现简单等优点。
描述了PV模块内光子到电子转换的机理。考虑到固有的PN结和入射阳光产生的电流，最终得到了PV模块的模型。该模型用于研究PV组件终端的局部阴影和电压/电流纹波在功率退化方面的作用。在对光伏组件进行分析的基础上，对并网接口的现状和未来的预期标准、逆变器的规格进行了设计。
光伏电网系统的电力电子接口主要有以下任务:
1-将产生的直流电放大和逆变成适合电网的交流电流。一个标准的光伏模块在23 V到38 V的电压下产生大约100w到150w，而电网大多需要110V在60 Hz或230v在50 Hz。
2 .控制光伏组件，以跟踪最大功率点(MPP)，最大限度地捕获能量。由于早晨-中午-晚上和冬天-夏天的变化，这两项任务必须在一个大的功率范围内以尽可能高的效率完成。MPP通过MPP跟踪器(MPPT)设备进行跟踪。
3-逆变器向电网注入正弦电流，并优化光伏组件的工作点，以捕获最大数量的能量。
逆变器已经在成本、可靠性、效率方面进行了优化，并且已经建立了原型并进行了测试。并网光伏系统的控制
1- MPPT控制，其主要特性是从光伏发电机提取最大功率。
控制有功功率，调节注入电网的无功功率。
3控制直流母线电压。
4 .保证高质量的注入电源。

多电平逆变器
多电平逆变器在n级时，通过功率半导体器件串联，无需增加电路，实现电压均匀共担，功率比两电平逆变器提高(n-1)倍。多电平变换器的一般结构是从几个电平的直流电压合成一个近正弦电压，通常从电容器电压源获得。随着层数的增加，合成的输出波形具有更多的台阶，从而产生接近所需波形的阶梯波。此外，随着向波形中添加更多的阶长，输出波的谐波失真减小，随着阶数的增加而接近于零。多电平逆变器可分为三类:
二极管箝位多电平逆变器-二极管箝位逆变器在每个电平使用半桥版本。二极管箝位多电平逆变器是最常用的。然而，直流链路组成的每个电容器的电压很难控制在四级以上。由于夹紧二极管数量较多，在结构上难以扩展到高电平系统。二极管箝位式逆变器最适用于背靠背惯性系统作为统一的功率控制器运行。
飞电容多电平逆变器-飞电容多电平逆变器不需要单独隔离的直流侧和额外的夹紧二极管。FCMLI在电压冗余的可用性方面具有很大的优势。它们被定义为允许在产生相同相位滞后电压时优先对单个飞行电容器充电或放电的不同电容器组合。
级联多电平逆变器级联多电平逆变器由一系列h桥(单相，全桥)逆变器单元组成。级联多电平除串联设备和电容器外，无共压问题，但有单独隔离的直流电源，需要专用的输入变压器。
多层结构的主要特征如下:
1-He输出电压和功率随着电平数的增加而增加。
2-谐波含量随着电平数的增加和滤波要求的降低而降低。
3-在没有任何技术的情况下，可以避免开关损耗。
4-通过夹紧二极管或电容器在开关设备之间建立静态和动态电压共享。
5-多级逆变器可以很容易地应用于大功率应用，如大型电机驱动器和公用事业供应。
6-多电平变换器通常使用大量直流电源;开关需要屏蔽较小的电压。由于开关应力降低，所需的开关额定值也降低。因此，成本降低了。
7-一个明显的好处是，不需要变压器来产生这些高电压，而传统的脉冲逆变器需要变压器。
8-增加逆变器中的电压电平，而不需要对单个设备进行更高的额定值，可以增加额定功率。
9 .通过采用多级结构，每个开关器件上的应力可以按电平数成比例减小，从而使逆变器可以处理更高的电压。
10- MLI带来了更好和更正弦波输出电压波形。结果表明，该方法具有较低的总谐波失真(THD)。
多电平逆变器的应用如下:
多电平逆变器可以使用分布式能源，如光伏和燃料电池。
2-使用多电平逆变器作为无功功率补偿器可以帮助提高负载的功率因数。
3-如果多电平逆变器的直流电源是电池组或电容器，多电平逆变器也可用于在紧急情况下提供通过能力。
4-多电平逆变器也可以用来构造一个高压直流背靠背惯性，因此它可以用作变频器，这似乎是合理的，一个多电平逆变器也可以用作一个可调速驱动器。
5多级逆变器用于电动汽车(ev)和混合动力电动汽车(hev)。多级逆变器通常允许更小的组件，从而减轻重量。

并网光伏系统光伏逆变器规范、标准及试验
电力电子逆变器必须转换成交流电流，然后将光伏系统提供的能量注入电网。因此，在光伏并网方面有特殊的标准和要求。必须遵守公用事业公司制定的规章制度。这些标准是为了保持光伏配电系统产生的电能质量。并网标准涵盖了电压、直流电流注入、闪烁、频率、谐波电流、最大电流、总谐波失真(THD)和功率因数等主题。
孤岛:光伏系统及其负载在与电网断开连接时仍保持通电的一种状态。根据IEEE标准，DG应检测任何可能的孤岛条件，并在2秒内停止对电压和频率信号变化小的区域通电。在PCC孤岛处，0.16s内检测到低于0.88 pu或高于1.2 pu的较大电压变化，以及频率变化大于60.5 Hz或小于59.3Hz。
分布式资源孤岛:孤岛条件是光伏能源提供的负荷不是来自公用事业系统。接地:标准要求系统和接口设备应接地并进行监控。在光伏系统内部发生接地故障时提供更多的安全性和保护。电压干扰:电力公司设定电网电压。光伏系统不能控制电网电压，因此PV的输出电压必须在标准规定的工作范围内。逆变器应检测异常电压，防止系统孤岛。
直流元件注入:注入到实用交流接口的直流电流应小于逆变器额定输出电流的0.5%。直流电流会导致输变换器在电网内淹没。总谐波失真:拓扑必须与逆变器的调制方案一起选择，应该给出具有低水平谐波失真的交流电流。高电流谐波会对连接到电网的各种设备造成不利影响。
电压闪烁:电压闪烁不应超过最大限值。
孤岛保护:逆变器必须具有能够识别孤岛情况并作出相应反应的功能，以保护相关人员和设备。例如，该标准规定，当有来自系统的干扰时，逆变器应断开公用事业线路。在孤岛中，即使电网不再连接到逆变器，逆变器也能继续提供本地负载。与电网相连的逆变器可以忽略公用事业线路，并在公用事业系统发生异常时，在需要时(在2秒或更短时间内)以极快的速度自动关闭。主要的问题是，公用事业线路工作人员可能会暴露在意外通电的线路上。
功率因数:光伏系统的功率因数标准应为0.85(滞后或领先)。并网光伏逆变器设计为具有功率因数统一的控制电流。有时用逆变器进行无功补偿;因此，逆变器应能控制输出功率因数。
干扰后重新连接:光伏系统不应重新连接，直到电力公司保持连续正常电压和频率至少5分钟，此时逆变器可以自动重新连接。
频率:光伏系统应具有59.3 - 60赫兹之间的固定频率。光伏系统应该与电网保持同步。对于小型光伏系统，频率跳闸应为59.2 Hz和60.6 Hz。所开发的光伏逆变器的测试计划旨在进行全面的评估，可用于所设计的逆变器的特性描述。该计划是基于国际标准和在并网光伏系统领域的经验。包括功能测试、保护测试和现场测试。进行这些测试是为了评估逆变器的以下特性。
1-静态功率效率:逆变器的功率效率定义为注入电网的功率与来自光伏模块的功率之间的比率。
2-功率因数:本测试的目的是确定系统的功率因数，看是否与国际标准一致。
3 .电流谐波:在一般情况下，逆变器的运行不应引起电网电压的过度扭曲或导致过多的谐波电流注入电网。
4-待机损耗:待机损耗定义为逆变器不工作但在待机条件下的公用电力消耗。
5-交流电源线断开:本测试的目的是观察逆变器在失去电网连接下的响应。
6-直流电源线断开:本试验的目的是观察直流电源线突然断开时逆变器的反应。
7-交流电压限制:本测试的目的是确定逆变器停止工作时的交流电压限制(过电压/欠电压)。
8-对异常电网条件的响应:本测试的目的是观察和验证逆变器在异常电网条件下的运行情况。
9-现场测试:该测试的目的是评估逆变器在连接到不同技术的正常照明模块时的性能。在该测试中，可以测量能源效率、启动电压、启动功率、停止电压和待机损耗等参数。

结论
光伏电池通常连接在一起制成光伏组件，由72个光伏电池组成，根据温度和太阳照射，产生23伏至45伏的直流电压，典型的最大功率为160瓦。世界各地的电力基础设施都是基于交流电压，除了少数例外，配电网的电压为120伏特或230伏特。因此，光伏组件不能直接连接到电网，而必须通过逆变器连接。逆变器的两个主要任务是为光伏模块加载最佳负载，以收集最多的能量，并向电网注入正弦电流。

数字一览
图1
图1

参考文献






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