【2008电力电子学会论文】1030

电网辅助太阳能供电低成本逆变方案研究

蒋志坚李英姿周聃

北京建筑工程学院电气与信息工程学院，北京 100044

）jzjmail@https://www.wendangku.net/doc/734833662.html,

摘要：提出了一种电网辅助太阳能供电低成本逆变方案。该方案针对原有太阳能光伏发电直接或间接并网存在的安全性、管理性、高成本难题，将太阳能发电输出、公共电网整流输出、蓄电池输出在逆变器的直流母线DC侧汇合，只需一台逆变器，结构简单、成本低。改变太阳能只能辅助公共电网供电的原有设计思想，以电网辅助太阳能供电，追求最大限度利用太阳能。关键字：太阳能，电网，辅助供电，低成本，逆变

1.前言

太阳能作为一种可再生清洁能源得到日益广泛的应用。考虑到太阳能的能量等级较低，稳定性较差，一般太阳能光伏发电仅作为一种辅助电源配合公共电网在中小功率等级的民用领域使用[1][5]。现行主流技术方案有两种，具体结构见图1 a）、b）。

方案a)只采用一台太阳能专用并网逆变器（如德

国SMA公司的Sunny boy太阳能多组串逆变器），结构比较简单。但考虑到公共电网的开放性与安全性，管理层面一般不允许独立的小功率发电装置（尤其是谐波含量较高的逆变型装置）并网，实际推广应用不可能。方案b）由于在交流负载侧并网，太阳能光电器件间接与公共电网并联，跨过了管理层限制，技术与管理层面都是可行的。但由于该结构采用2台逆变器，一台太阳能并网专用逆变器（如德国SMA公司的Sunny boy太阳能多组串逆变器）和一台具有整流/充

电/逆变综合控制管理功能的逆变器（如德国SMA公司的Sunny Island），结构复杂，成本过高[2][3]。

2.改进方案

研究太阳能发电系统与电网供电系统的低成本逆变并网结构是解决以上问题的有效途径。改进方案如图2所示，仅使用单台逆变器，将公共电网整流输出、太阳能光电器件（PV）系统输出和蓄电池组放电输出在逆变器DC侧并联汇合 [7]。

该改进方案的优点：首先太阳能发电不直接并网，可跨过管理层限制；其次由于只采用一台逆变器，结构简化、体积缩小、成本降低。特别当负载为采暖、空调等耗能大、运行长期稳定的设备时，在太阳能发电供不应求情况下，可省去蓄电池组储能环节，进一步降低成本，简化结构。当然，该系统的实现也存在一些困难，例如如何将3路不同的DC输入在逆变器直流母线处汇合？如何最大限度使用太阳能系统所发电能，实现MPPT控制？

图2．改进方案结构框图

具体电路实现方案如图3所示[4][8]：采用二极管分别隔离3路DC输入，由于二极管的单向导电性，使得

3路DC可以竞争输入唯一入口，电压高者准入。公共电网的整流DC输出较高，须经DC-DC变换电路降低为太阳能发电系统的低限电压约125V，计为 DC2。正常时由于太阳能PV系统发电充足，PV的输出电压DC1＞DC2，在二极管隔离作用下，只有DC1输入，负载最大限度使用太阳能系统所发出的电能；而当太阳能能量不足时，其产生的电压DC2＞DC1,在二极管隔离作用下，电网DC2输入，负载在逆变器作用下使用电网能量。为防止太阳能PV系统电压过高，以及逆变器直流母线电压的“泵升”效应损害储能功率电容与逆变桥，图3附加了直流母线电压监测和限压电路，该电路监测直流母线电压，当电压高于上限电压时，将打开储能开关K1，采用阻容放电降低电压，保护逆变器功率电路。

控制电路如图4所示：采用西门子PLC200可编程控制器进行系统总体监测与控制，基本原则为最大限度使用太阳能，达到节能目的。基本控制规律如下：由PLC200发出PWM1信号控制IGBT高速功率开关，将电网整流形成300V左右直流电压经DC-DC变换降低为

太阳能发电低限电压125V。当太阳能PV板发电电压高于125V时，在二极管隔离下，太阳能板向直流母线输出电流，逆变后为交流负载供电。电压监测电路监

测直流母线电压V1，当输出电压较高时（如≥140V），说明太阳能充足，于是打开蓄电池组充电开关K2，此时，太阳能发电在为负载供电的同时也向蓄电池组充电，蓄电池组储存的能量以备在太阳能发电不足时使用。母线电压监测电路时刻监测直流母线电压V1，当超过安全电压上限时，将打开泄能开关K1进行超压保护。此外，当直流母线电压低于125V时，说明太阳能已近供电能力下限，同时监测蓄电池组电压V2，当判断蓄电池组具备放电条件时，由PLC控制器打开蓄电池组放电开关K3，由蓄电池组供电负载。当PV板、蓄电池组电压全部低于下限电压125V时，在二极管单向导电作用下，电网经整流器和DC-DC变换器向负载供电。特别指出，假如用电负载功率较大超过太阳能供电能力，且一直处于长期稳定工作，则图3所示系统可以去掉虚线框内的蓄电池储能环节及其辅助电路，这样系统结构将进一步简化和降低成本[6]。此结构适用于太阳能供不应求的情况，在此条件下，太阳能发电系统无需储能而是采用最大限度消耗原则，不足能量由电网提供。由PLC200发出PWM2信号控制IGBT 高速功率开关，将蓄电池输出直流电压经DC-DC变换升为与太阳能发电输出电压相当水平。

以上方案以太阳能供电为主，电网供电为辅，改变了太阳能辅助电网供电的控制思想，力求最大限度利用太阳能。在系统中，太阳能被设计成供电主渠道，电网供电仅在太阳能被充分利用，其输出电压逼近低限时才启用。

3.调试运行

按照图3所示的电路，采用德国SMA公司的Sunny

boy 太阳能光伏发电专用逆变器构建实际系统，在电网的配合下，分别使用功率为800W的阻性采暖器和1匹的家用空调机组进行24小时稳定运行调试，系统工作正常。实验波形如图5所示。由a)图，幅度较大的波形为逆变器输出电压波形，幅度较小为负载工作电

流波形，两波形正弦度良好，由于负载为阻性采暖器，相位基本同步。由b)图，空调压缩机的转速经短时爬升达到稳定，而电机工作电流经过短时震荡也趋于正弦稳态。

4.问题与改进

该系统所采用的逆变器为德国SMA公司生产的专用逆变器，价格较高。考虑到空调，特别是采暖器用电时对电能质量要求不高，输出单一且不存在对电网的谐波干扰问题，因此可以自行设计低成本廉价逆变电路，进一步降低太阳能利用的综合成本。

参考文献

[1] 赵晶,赵争鸣,周德佳. 太阳能光伏发电技术现状及其

发展. 电气应用,2007,Vol.26,No.10.

[2 ] 李芳,沈辉,许家瑞,陈维. 广东户用6300W 光伏发电

系统的分析. 电源技术,2007,9 Vol.31,No.9.

[3] 郑诗程,丁明,苏建徽,茆美琴. 户用光伏并网发电系统

的研究与设计. 电力电子技术,2005,Vol.39,No.1. [4] 陈东华,谢少军,周波. 瞬时值电流控制逆变技术比较

[J]. 南京航空航天大学学报,2004,36 (3) :3432347.

[5] 赵争鸣,刘建政. 太阳能光伏发电及应用.北京：科学出

版社,2005 ISBN 7-03-015809-1.

[6] 沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术,北京:化工出版

社,2005.

[7] 吴理博,赵争鸣,刘建政,王健,钟志刚.独立光伏照明系

统中的能量管理控制.中国电机工程学

报,Vol.25,No.22,Nov.2005.

[8] 陈江辉,谢运祥. 逆变电路的控制技术与策略 [J ]. 电

气应用,2006,25(9):1022106.

作者简介：

蒋志坚：1960年7月出生，教授，工学博士，北京建筑工程学院电气工程系主任，中国自动化学会电气控制专委会委员、中国电工技术学会电器装置专委会委员、中国电工技术学会电力电子学会委员。主要研究方向：电力电子与电力传动；建筑设备节能技术；可再生能源利用技术；机器人自动控制技术等；

邮箱：jzjmail@https://www.wendangku.net/doc/734833662.html,

手机：136********，010-********

通讯地址：北京市西城区展览馆路1号电气工程系68号信箱

邮编：100044

Address: 1 Zhanlanguan Rd.,Xicheng District,Beijing 100044,P.R.China

a)阻性采暖器稳定工作波形

b)空调压缩机启动转速和电流波形

图5 实验波形