魏運軍，劉 釗，汪建軍
（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410000）
0 引 言
能源是社會發展和經濟發展的中心，促進光伏發展系統研究，加強節能技術應用，能夠實現光伏領域節能技術控制優化，這是目前可持續化生產應用的重點，主要研究太陽能儲存能量的技術，以提供穩定的能源供應[1]。通過分析太陽能光伏與儲能系統的配對應用，開發高效的儲能設備，改善能量的存儲方式和釋放效率，提高能源的利用率，促進可再生能源的利用和發展。
1 太陽能光伏發電系統
1.1 太陽能光伏技術
1.1.1 光-熱-電轉換方式
光伏電池也稱為太陽能電池，由半導體材料制成，是太陽能光伏發電系統的核心部件。常見的光伏電池類型包括單晶硅、多晶硅和薄膜電池等。光-熱-電轉換方式通常使用太陽能集線器吸收能量，將工作蒸汽的熱能轉化為電能，然后為渦輪發電機供電。光伏（光電）轉換指利用光伏效應將太陽光的能量直接轉化為電能。光伏電池使用半導體材料，當太陽光照射到光伏電池時，光子被吸收并激發出電子，形成電流，用來供電或充電。常見的光熱轉換技術包括太陽能熱發電和太陽能熱水系統。太陽能熱發電利用聚光系統將太陽光聚焦到一個點上，產生高溫熱能，然后通過熱機或蒸汽渦輪機轉化為電能。太陽能熱水系統則利用太陽能熱集熱器將太陽光能轉化為熱能，供暖、供熱水或進行工業加熱過程。
1.1.2 光-電直接轉換方式
光-電直接轉換方式根據光電效應，直接將太陽輻射轉化為電能[2]。太陽能電池是一種半導體光電二極管，當陽光照在光電二極管上時，它會將來自太陽的能量轉化為電能，在外部電路中創造電流。通常使用的太陽能電池板是由幾個太陽能電池串聯或并聯，以獲得更大的功率輸出。與核能和熱能相比，太陽能光伏發電無污染、清潔。太陽能光伏技術利用光伏效應，通過光伏電池將太陽光轉換為直流電，再經過逆變器轉換為交流電，供應給電網或用于自給自足的電力系統。
1.2 太陽能光伏發電原理
太陽能電池板通過半導體中的光電節點工作，太陽能光伏發電依靠光電效應，光電效應意味著當物體暴露在光線下時，內部電荷的分布會改變，產生電動勢和電流。固體和液體材料都有光電效應，但在光照下，固體會更有效地轉化，尤其是半導體設備。光伏電池的發電原理如圖1 所示，光電效應將太陽能直接轉化為電能。太陽能電池組是光電系統的基礎和中心組成部分[3]。
圖1 光伏電池的發電原理
1.2.1 太陽能光伏發電系統的構成
光電系統直接將太陽能轉化為電能，使用諸如太陽能電池板等輔助設備。太陽能光伏發電系統基本結構如圖2 所示，完整的光電系統通常由太陽能、控制器、直流/交流逆變器以及電池等組成。
圖2 太陽能光伏發電系統基本結構框圖
1.2.2 太陽能光伏發電系統的分類
太陽能光伏發電系統分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。
獨立光伏發電系統通過光伏技術將太陽能轉化為電能，并獨立運行，不依賴于傳統電網的發電系統。它既可以提供直流電，也可以提供交流電，兩種供電方式的差別是系統在提供交流電時需要在負載和蓄電池組之間加入直交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）逆變器。該系統可為獨立的建筑、設備或區域提供電力。獨立光伏發電系統的結構框圖如圖3 所示，它是一種自動供電系統，通過太陽能電池板充電所需的能量。當太陽能電池板的輸出能力無法滿足電荷需求時，它就會被電池抵消。當輸出功率超過充電要求時，剩余功率存儲在蓄電池組中。如果系統中有直流電，可以使用DC/AC 逆變器將直流電轉換為交流電源。光電系統獨立運行，通常由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換電路、DC/AC 逆變器、直流負載以及交流負載組成。
圖3 獨立光伏發電系統結構框圖
并網光伏發電系統指將光伏發電系統與傳統電網連接起來，通過電網將光伏發電系統產生的電能注入到公共電力網絡中。這種系統與傳統電網相互交互，可以實現雙向的能量傳輸。
1.1 一般資料 2018年1月至 2018年6月，在海軍軍醫大學（第二軍醫大學）東方肝膽外科醫院泌尿外科行后腹腔鏡下腎部分切除術治療的腎臟腹側腎腫瘤患者 15例，術中應用自制簡易腹膜反折懸吊裝置。其中男 9例、女 6例，平均年齡為（62.5±9.2）歲，腫瘤平均最大徑為（2.9±1.0）cm，腫瘤位于右腎 7例、左腎 8例，均為位于腎臟腹側的單發腫瘤，腫瘤分期均為 T1N0M0 期，R.E.N.A.L 評分為 6～10 分。無淋巴結、腎靜脈或下腔靜脈癌栓及遠處轉移。
2 三相光伏并網逆變器控制系統
2.1 光伏并網逆變器系統的電路結構
光伏并網逆變器系統將太陽能轉化為交流電，并與電網進行雙向的能量傳輸。該系統可以實現光伏發電的自用和余電上網，為用戶提供可靠的電力供應，并實現電力的分布和共享。其中，逆變器開關頻率和主功率開關裝置的選擇對輸出波形失真影響較大，常用的主要功率開關器件有絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）、雙極轉換器晶體管、雙極性結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）等晶體管，通常使用低容量、低電壓、低傳動功率以及高開關頻率的晶體管[4]。隨著電壓水平的增加，IGBT 經常被用于高壓和高容量系統。在平行光電控制系統中，三重逆變電能是將太陽能電池產生的直流轉化為交流電流，直接為公共電網供電。
2.2 并網逆變器的工作原理
并行網絡逆變器是并行光電系統的中心組件和技術密鑰，并行網絡逆變器和獨立逆變器的區別在于它不僅可以將太陽能電網產生的恒定電流轉化為可變電流，控制轉換電流的性能，還可以將太陽能產生的永久能源轉化為交流電，類似于電網、頻率和相位的電壓，然后轉移至電網。并行網絡的三相逆變器控制系統可以被看作是一個平衡系統，在一次側和二次側的變化過程中，整個并入逆變器性能有所改善，從而實現高頻交流在數據轉換方面的設計。高頻電壓逆變器系統的電路原理如圖4 所示。
圖4 高頻電壓逆變器系統的電路原理
在并網光伏發電系統中，為使并網光伏逆變器輸出穩定、高質量的正弦波電流與公共電網電壓的頻率和相位相同，光伏并網逆變器實現了太陽能光伏電能的高效轉換和安全并網，為用戶提供了可靠的電力供應，促進了能源的再生利用和可持續發展[5]。
3 光伏并網逆變器的控制策略
3.1 PI 控制方式
脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種常用的電子調節技術，用于調整電路中的輸出信號的平均功率或電壓。在PWM 中，信號的幅值保持不變，僅通過改變脈沖的寬度來實現調節。控制開關器件如晶體管或MOSFE 的導通時間和截止時間，使輸入信號在一個固定周期內以不同的脈沖寬度進行開關。當脈沖寬度較大時，平均電壓或功率較高；當脈沖寬度較小時，平均電壓或功率較低。由于逆變器三相橋臂有6 個開關點位，研究各相上下橋臂不同開關組合時的電壓矢量特定開關函數Sx(x=a,b,c)，此時逆變電路圖如圖5 所示，其中V1、V2、V3、V4、V5以及V6為6 個開關點位。6 個開關點位非零電壓矢量為U0（001）、U1（002）、U2（003）、U3（004）、U4（005）以及U5（006）。開關狀態與線電壓的對應關系如表1 所示。其中，Uab、Ubc、Uca表示不同開關組合時的線電壓，Udc表示母線上的直流電壓。
表1 開關狀態與線電壓的對應關系
圖5 逆變電路圖
在應力控制模式下，逆變器會產生電壓不匹配，電網的相位周期很短。但在短路后，逆變器只能測量網絡中的電壓，而不能有效控制輸出電壓變化的范圍。例如，并網光伏發電系統采用電流控制方式，只需控制逆變器產生的正弦電流跟隨電網電壓，即可實現并網運行。電流控制方式比電壓控制方式簡單，應用廣泛[6]。
3.2 電流滯環瞬時比較方式
通過比較實時電流輸出I的指數來比較Di電流（Di表示電流誤差，I表示電流變化的微小量），修正后的I作為輸入信號。如果錯誤信號的值大于介質的寬度，則該信號對應于任何產品上的滯后開關PWM 信號，即要求逆變器增加或減少輸出電流，直到發出錯誤信號。這為在給定的電流曲線周圍的平行逆變器提供了實際的輸出。這是一種實時控制方式，電流反應迅速精確，輸出電壓不包含特定的亞諧波，但由于電燈開關的頻率沒有記錄，電流譜更寬，有間接的諧波干擾。
3.3 定時比較方式
定時比較方式將誤差信號Di輸入給定的時鐘比較器，評估每小時Di的偏差。電流控制的缺點是跟蹤電流的不穩定性和控制的低精度。基準電壓為
式中：Uc為基準電壓；Ud為瞬時電壓。
采用傳統變壓器并網的典型風電系統潮流控制電壓調節、沖擊抑制和暫態穩定是目前電力系統面臨的主要問題。例如，靜態無功補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）這樣的無功補償裝置對調節公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）電壓有很好的效果。固態變壓器（Solid State Transformer，SST）也稱為智能變壓器，是一種現代的電能設備，可提供雙向功率流。SST 如果將以上幾個功能集成到一個設備上，就可以大大提高設備的使用效率，這提供了潛在的可能性和代表性。對于風能系統，SST 用于連接風能和電力網，其中的變壓器、電容器組和靜態無功補償裝置功能性集成，并將替換為一個電源，以雙饋異步風力發電機為基礎的風電場系統采用交流/交流（Alternating Current/Alternating Current，AC/AC）變換器，最大限度利用感應電動機系統的優點，只有傳統變壓器和STATCOM 被相同的SST 替換，其中的直接驅動式同步風電機系統使用了全功率轉換裝置，因此AC/AC 變換器、2 個常規變壓器和STATCOM 都可以被1 個SST 替換。
3.4 正弦波脈寬調制電流跟蹤方式
正弦波脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一種常見的電力電子調制技術。在SPWM 中，電流跟蹤方式通常有2 種。第一，基波電流跟蹤。在基波電流跟蹤方式下，控制系統會跟蹤交流電流的基波成分，即與電源頻率相同的正弦波信號。通過測量電流的幅值、相位和頻率等參數，并與期望的基波電流進行比較，控制系統可以調整PWM 信號的脈沖寬度來實現電流的跟蹤。第二，零序電流跟蹤。在某些應用中，除了跟蹤基波電流，還需要控制交流電流的零序分量，即其平均值為0 的部分。零序電流跟蹤方式會檢測交流電流的零序成分，并將其保持在一個期望的值附近。這通常通過引入額外的控制回路來實現，采用三相電流檢測電路和控制算法，對零序電流進行測量和控制。
電流跟蹤方式的選擇取決于具體的應用需求。基波電流跟蹤是最常見的方式，適用于普通的交流電壓或電流控制。而零序電流跟蹤則在需要限制電流的零序成分時使用，例如用于提高系統的穩定性、減小諧波產生或滿足特定的電網要求等情況下。然后向SPWM 提供輔助信號電流。實時測量與連接到第一個網絡的電流信號，放大接收到的信號到放大器，最后將其與三角形載波信號進行比較。此外，主要是使用比例或比例積分放大器，其參數直接影響電流跟蹤性能，以確保電路控制系統的快速反應，這種管理方法在逆向電路中廣泛使用。
3.5 空間矢量脈寬調制
空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是一種用于交流電機驅動的高級調制技術。它是一種基于三相坐標系的脈沖寬度調制方法，通過控制電壓矢量的變化來實現對交流電機的精確控制。根據系統需要，選擇一個合適的參考矢量，通常為位于正六邊形內部的一個點。將所選的參考矢量根據當前的電機狀態轉換到三相坐標軸上，并確定該矢量所對應的PWM 周期數。根據定位矢量計算得到2 個相鄰的空間矢量，一個用于產生正向電壓，另一個用于產生負向電壓。根據電機電流的需求，對2 個相鄰的空間矢量進行加權，得到最終的輸出矢量。將輸出矢量轉換為脈沖信號，并通過PWM 技術控制開關器件的導通時間，產生合適幅度的電壓輸出，驅動交流電機。基于SPWM 的流控制主要調節逆變波的輸出，由于主電源單元的開關頻率低，很難獲得良好的輸出輸出。SVPWM 具有高效率、低諧波失真以及更好的電機動態響應等優點，通過精確控制輸出矢量的方向、幅值和頻率，可以實現對交流電機轉速、扭矩和位置等參數的高精度控制。因此，SVPWM 廣泛應用于工業驅動、電動汽車、風力發電等領域中的交流電機控制系統。
4 太陽能光伏發電與節能技術控制發展方向
太陽能光伏技術一直在不斷的創新和提升，研究人員致力于開發更高效的太陽能電池技術，以提高能源轉換效率。太陽能發電受到日照時間和天氣條件的限制，因此儲能技術是解決間歇性發電的關鍵。太陽能光伏發電與節能技術未來的發展方向包括更高效的電池儲能系統、熱儲能和化學儲能等。通過智能化控制系統優化光伏發電的管理和運行，包括實時監測、預測與調度，并實現與電網的有效互聯。
5 不同的控制策略對發電效率的影響
不同的控制策略可以對太陽能光伏發電系統的效率產生影響。以下是幾種常見的控制策略及其對太陽能光伏發電效率的影響。
5.1 最大功率點跟蹤策略
最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）通過調整太陽能電池陣列的工作點，使其輸出功率達到最大值。MPPT 算法根據太陽能電池陣列當前的電壓和電流情況，實時調整工作點，最大限度地提取太陽能的能量。采用更高級的MPPT 算法可以提高太陽能光伏發電系統的效率，并提高能源利用率。
5.2 溫度控制策略
太陽能電池的工作溫度對其效率有顯著影響。過高或過低的溫度都會降低太陽能電池的效率。因此，采取合適的溫度控制策略，如散熱設計和溫度補償等，可以有效提高太陽能光伏發電系統的效率。
5.3 并網控制策略
對于與電網連接的太陽能光伏發電系統，通過監測和調節電網電壓、頻率等參數，以確保太陽能光伏發電系統與電網的穩定連接，并最大限度地將發電功率注入電網。
5.4 多級變換策略
太陽能光伏發電系統中的直流到交流變換環節也會影響系統的效率。采用多級變換策略，如采用多級逆變器或微逆變器，可以有效降低能量損耗，提高能量轉化率。
6 結 論
太陽能光伏發電具有清潔、可再生和低碳排放的特點，被廣泛應用于居民住宅、商業建筑和大型太陽能電站等各種規模的發電系統。將太陽能電網產生的恒定電流轉化為交流電，滿足市政電網的需求，并連接到公共網絡，是光電并行系統中能量和控制轉換的中心部分。為了積極發展和推廣光電系統，必須特別注意光電電網逆變器技術，發展太陽能光伏，在經濟、社會和環境保護等方面具有積極的現實意義。
