浅谈光伏逆变器的优化方法

宋彦　袁耀辉

摘要：太阳能发电技术日趋成熟，在能源危机的前提下，光伏发电也越来越得到各国重视。文章对传统光伏逆变器进行分析，对其提出了可能实施的优化方法，从而提升光伏系统的整体效率。通过对各个原理部件以及控制方式的研究来完善PV发电系统，希望对光伏逆变器以及光伏发电产业的进步能起到一定的推动作用。

关键词：太阳能发电技术；光伏逆变器；光伏系统；光伏发电产业；绿色能源 文献标识码：A

中图分类号：TM615 文章编号：1009-2374（2015）19-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.024

1 概述

为了追求迅猛的经济发展，环保问题往往被放于第二位，随着温室效应的日益加重以及雾霾天气的日渐频繁，世界各国开始关注环境问题，如何高效地利用能源，减少能源利用中产生的污染物，成了世界关注的焦点。能源问题一直是世界各国关注的焦点问题，由于常规能源的不可恢复性，人类终有一天需要面临能源枯竭的难题，于是各种可再生能源应运而生。其中太阳能以其丰富的储量和清洁性得到了广泛的推广，而利用太阳能发电便是其中之一。太阳能发电我们一般称之为光伏发电（PV），它是利用太阳能电池将光能转换为电能。随着科学技术的不断进步，PV发电有望成为最具发展前景的电能源供应技术。半导体是PV发电的主要原材料，它在太阳的照射下能产生电压，通过合理的设计组合就可以达到将太阳的光能转化为电能量，然而，转化的效率并不高，大概在20%左右，这是光伏发电难以普及的原因之一，但是巨大的太阳能储量多少弥补了太阳能发电的这一缺陷。

2 光伏系统

光伏发电系统的一般组成包括太阳能电池组件、直接交流转换器、系统控制器、交流升压装置以及负载等，如图1所示。太阳能电池组件一般是由多组太阳能电池板构成，它作为光伏电站的发电源泉相当于水电站的水库一样，由于太阳能的利用率较低，因此，太阳能电池组件数量多、占地面积广。太阳能的利用先开始于太空领域，工作环境优越，可以在光照下满功率运行，但是在地球上需要考虑到天气影响以及大气层对光能的削减，使得太阳能电池无法满功率运行，所以在地球上建设光伏系统需要结合地理位置、气温、光照日等因素，并且在通过DC/AC转换后才能并入电网。

图1 光伏系统构成图

DC/AC转换器也即光伏逆变器可以说是PV发电并网系统的核心，它是太阳能电站与交流电网的链接枢纽，可以将太阳能电池组收集到的直流电压通过整流滤波电路转换成交流电，再通过交流变压器转换成与交流电网同频同相的交流电从而实现与电网的并入。因此DC/AC转换效率越高，那么光伏发电效率也会相应提高，所以深入研究光伏逆变器，对其不断进行优化改善，对提高光伏发电效率、降低发电成本有着举足轻重的作用。

3 光伏逆变器

3.1 光伏逆变器的构成

光伏逆变电路主要由传感器、Boost升压电路、逆变电路、隔离变压器、周波换电路及输出滤波器构成，通过软件控制程序进行控制，使其能工作在要求之内。基于光伏逆变器的基本构成，本文尝试从逆变器的组成部件展开，讨论其可能的改善方法，来优化光伏逆变器的转换效率。

3.2 传感器

现如今太阳能发电技术主要利用电压电流传感器来实时监测太阳能电池的PV功率，再通过软件程序控制来实现太阳能电池最大功率输出化。但是由于光伏电源分布较多，使得传感器用量较大，出错率也易发生，成本也相对较大，因此为了优化经济效益降低成本，可以考虑以减少传感器数量为目的，针对三相整流器提出了一种无直流电压传感器控制方法，这样可以大大节省传感器的使用成本，使得光伏发电更有竞争力。但是如果直接省去传感器，那么对于系统的算法设计，以及系统监测方面带来了比较多的问题，在短时间内可能无法做到较高的效率，需要通过长期的实验比对才有可能投入实际运行，从长远角度出发，省去传感器所带来的经济效益是巨大的，但是从短期来说，我们应从传感器的制作以及测量精度方面入手来实现对太阳能电池功率最大化输出，虽然不能直接提升经济效益，但是间接地提升了太阳能的利用率，使其经济效益间接的得到了提升，因此，我们应从传感器的测量精度入手，提升逆变器的转化效率。

3.3 升压电路与逆变电路

太阳能电池发出的是波动的不稳定直流电，需要先通过直流整流模块转化成稳定的直流电压，再通过升压电路将直流电提升到合适的电压，通过DC/AC转换电路——逆变电路（我们将直流电变成交流电的过程称作逆变转化）转换成我们需要的正弦交流电。这是升压电路与逆变电路的主要作用，虽然这两部分电路在体积上占有的比例不大，而且随着科技的发展其体积会越来越小，但是它可以说是逆变器的核心。现如今我们主要运用的功率开关转化元件主要是IGBT，出于对电路的优化考虑，我们可以尝试运用其他的一些功率开关元件比如mosfet等其他一些新开发的元器件，来设计一些新的升压以及逆变电路，以提升其转化效率，缩小其所占有的体积，从而不仅能够提升逆变器的工作效率，同时也能降低土建等方面的经济成本，这是一个值得研究的优化方向。

3.4 隔离变压器

隔离变压器，我们也可以说是升压变压器，在完成直接交流转化后，我们得到了正弦稳定的交流电，但是它的电压较低，无法直接并入交流电网，需要通过变压器来实现电压的提升从而并入主电网。一般为了能直接并入电网，我们传统上采用工频变压器，相对于高频变压器来说，工频变压器的成本与运输难度都相对较高，特别是在现如今土地资源日益紧缺的情况下，工频变压器不太适用于如今的需求环境。但是仅仅采用高频变压器，并不是最好的优化方式，因为变压器的体积与占地不会有太大的变化，仅仅是相对的节约，因此我们可以大胆地考虑去掉变压器这一环节，采用无隔离变压器光伏逆变器设计方式。一旦得以实现，那么其经济效益是不可估量的。endprint

3.5 控制算法

光伏逆变器除了需要优秀精密的硬件电路以外，我还需要优秀的控制算法，这样才能使其工作在最优的状体之下，最大限度地利用硬件资源，提升整个逆变器的转化效率，从而使得整个太阳能发电系统的效率得以提升，最终产生优厚的经济效益。逆变器控制算法是太阳能发电系统中的关键部分，其主要包括最大功率跟踪控制、逆变输出控制、锁相跟踪和运行模式切换等。不同的采样对象决定了不同的算法，比如实时控制电流响应与实时控制电压响应就需要不同的算法，而不同的算法必然各有优劣，如采用实时控制电流响应，那么就不需要进行斩波处理，但是滤波器的设计难度会大大增加。算法的运用也是千变万化，但是，软件算法，与硬件不同，硬件主要受限于当今的科学技术以及材料运用，而软件是需要设计者的想象力，因此软件的优化需要设计者突破常规束缚，尝试将各个算法进行取长补短，灵活应用，根据具体的硬件电路来设计响应的软件后台，这样才能使硬件电路物尽其用，发挥出最大的

效率。

4 结语

由于目前光伏发电成本仍然较高，在推进光伏“绿电”时，除了依靠国家的补助政策外，降低光伏发电的成本是最主要的方法，因此对于光伏系统核心部件——光伏逆变器的优化显得尤为重要，当然为了提升整个光伏系统的效率，其他的光伏系统组件优化也是非常必要的。随着科技的发展，愈来愈多的新材料脱颖而出，因此在光伏逆变器的优化方面应勇于突破传统设计，采用新工艺新材料，从而达到光伏系统的高效率运转，相信光伏发电有望成为未来主要电能来源之一。

参考文献

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[5] 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥工业大学，2003.

作者简介：宋彦（1966-），女，甘肃兰州人，珠海康泰明输变电工程有限公司工程师，研究方向：配电设备及配电

工程。

（责任编辑：陈 倩）endprint