魏運軍，劉 釗，汪建軍

（中機(jī)國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

能源是社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心，促進(jìn)光伏發(fā)展系統(tǒng)研究，加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)控制優(yōu)化，這是目前可持續(xù)化生產(chǎn)應(yīng)用的重點，主要研究太陽能儲存能量的技術(shù)，以提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)[1]。通過分析太陽能光伏與儲能系統(tǒng)的配對應(yīng)用，開發(fā)高效的儲能設(shè)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(jìn)可再生能源的利用和發(fā)展。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 太陽能光伏技術(shù)

1.1.1 光-熱-電轉(zhuǎn)換方式

光伏電池也稱為太陽能電池，由半導(dǎo)體材料制成，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電能，然后為渦輪發(fā)電機(jī)供電。光伏（光電）轉(zhuǎn)換指利用光伏效應(yīng)將太陽光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池使用半導(dǎo)體材料，當(dāng)太陽光照射到光伏電池時，光子被吸收并激發(fā)出電子，形成電流，用來供電或充電。常見的光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)包括太陽能熱發(fā)電和太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)電利用聚光系統(tǒng)將太陽光聚焦到一個點上，產(chǎn)生高溫?zé)崮?，然后通過熱機(jī)或蒸汽渦輪機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。太陽能熱水系統(tǒng)則利用太陽能熱集熱器將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，供暖、供熱水或進(jìn)行工業(yè)加熱過程。

1.1.2 光-電直接轉(zhuǎn)換方式

光-電直接轉(zhuǎn)換方式根據(jù)光電效應(yīng)，直接將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能[2]。太陽能電池是一種半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)陽光照在光電二極管上時，它會將來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為電能，在外部電路中創(chuàng)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(lián)或并聯(lián)，以獲得更大的功率輸出。與核能和熱能相比，太陽能光伏發(fā)電無污染、清潔。太陽能光伏技術(shù)利用光伏效應(yīng)，通過光伏電池將太陽光轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，供應(yīng)給電網(wǎng)或用于自給自足的電力系統(tǒng)。

1.2 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能電池板通過半導(dǎo)體中的光電節(jié)點工作，太陽能光伏發(fā)電依靠光電效應(yīng)，光電效應(yīng)意味著當(dāng)物體暴露在光線下時，內(nèi)部電荷的分布會改變，產(chǎn)生電動勢和電流。固體和液體材料都有光電效應(yīng)，但在光照下，固體會更有效地轉(zhuǎn)化，尤其是半導(dǎo)體設(shè)備。光伏電池的發(fā)電原理如圖1 所示，光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽能電池組是光電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和中心組成部分[3]。

圖1 光伏電池的發(fā)電原理

1.2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

光電系統(tǒng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，使用諸如太陽能電池板等輔助設(shè)備。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示，完整的光電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并獨立運行，不依賴于傳統(tǒng)電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。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(tǒng)在提供交流電時需要在負(fù)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(tǒng)可為獨立的建筑、設(shè)備或區(qū)域提供電力。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示，它是一種自動供電系統(tǒng)，通過太陽能電池板充電所需的能量。當(dāng)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(dāng)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(tǒng)中有直流電，可以使用DC/AC 逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電源。光電系統(tǒng)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(zhuǎn)換電路、DC/AC 逆變器、直流負(fù)載以及交流負(fù)載組成。

圖3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指將光伏發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)連接起來，通過電網(wǎng)將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能注入到公共電力網(wǎng)絡(luò)中。這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相互交互，可以實現(xiàn)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(yī)大學(xué)（第二軍醫(yī)大學(xué)）東方肝膽外科醫(yī)院泌尿外科行后腹腔鏡下腎部分切除術(shù)治療的腎臟腹側(cè)腎腫瘤患者 15例，術(shù)中應(yīng)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(cè)的單發(fā)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(jié)、腎靜脈或下腔靜脈癌栓及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。

2 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)

2.1 光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為交流電，并與電網(wǎng)進(jìn)行雙向的能量傳輸。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)光伏發(fā)電的自用和余電上網(wǎng)，為用戶提供可靠的電力供應(yīng)，并實現(xiàn)電力的分布和共享。其中，逆變器開關(guān)頻率和主功率開關(guān)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(guān)器件有絕緣柵雙極晶體管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）、雙極轉(zhuǎn)換器晶體管、雙極性結(jié)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(guān)頻率的晶體管[4]。隨著電壓水平的增加，IGBT 經(jīng)常被用于高壓和高容量系統(tǒng)。在平行光電控制系統(tǒng)中，三重逆變電能是將太陽能電池產(chǎn)生的直流轉(zhuǎn)化為交流電流，直接為公共電網(wǎng)供電。

2.2 并網(wǎng)逆變器的工作原理

并行網(wǎng)絡(luò)逆變器是并行光電系統(tǒng)的中心組件和技術(shù)密鑰，并行網(wǎng)絡(luò)逆變器和獨立逆變器的區(qū)別在于它不僅可以將太陽能電網(wǎng)產(chǎn)生的恒定電流轉(zhuǎn)化為可變電流，控制轉(zhuǎn)換電流的性能，還可以將太陽能產(chǎn)生的永久能源轉(zhuǎn)化為交流電，類似于電網(wǎng)、頻率和相位的電壓，然后轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)。并行網(wǎng)絡(luò)的三相逆變器控制系統(tǒng)可以被看作是一個平衡系統(tǒng)，在一次側(cè)和二次側(cè)的變化過程中，整個并入逆變器性能有所改善，從而實現(xiàn)高頻交流在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的設(shè)計。高頻電壓逆變器系統(tǒng)的電路原理如圖4 所示。

圖4 高頻電壓逆變器系統(tǒng)的電路原理

在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為使并網(wǎng)光伏逆變器輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的正弦波電流與公共電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同，光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)了太陽能光伏電能的高效轉(zhuǎn)換和安全并網(wǎng)，為用戶提供了可靠的電力供應(yīng)，促進(jìn)了能源的再生利用和可持續(xù)發(fā)展[5]。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略

3.1 PI 控制方式

脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）是一種常用的電子調(diào)節(jié)技術(shù)，用于調(diào)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(xiàn)調(diào)節(jié)。控制開關(guān)器件如晶體管或MOSFE 的導(dǎo)通時間和截止時間，使輸入信號在一個固定周期內(nèi)以不同的脈沖寬度進(jìn)行開關(guān)。當(dāng)脈沖寬度較大時，平均電壓或功率較高；當(dāng)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(guān)點位，研究各相上下橋臂不同開關(guān)組合時的電壓矢量特定開關(guān)函數(shù)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(guān)點位。6 個開關(guān)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(guān)狀態(tài)與線電壓的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。其中，Uab、Ubc、Uca表示不同開關(guān)組合時的線電壓，Udc表示母線上的直流電壓。

表1 開關(guān)狀態(tài)與線電壓的對應(yīng)關(guān)系

圖5 逆變電路圖

在應(yīng)力控制模式下，逆變器會產(chǎn)生電壓不匹配，電網(wǎng)的相位周期很短。但在短路后，逆變器只能測量網(wǎng)絡(luò)中的電壓，而不能有效控制輸出電壓變化的范圍。例如，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用電流控制方式，只需控制逆變器產(chǎn)生的正弦電流跟隨電網(wǎng)電壓，即可實現(xiàn)并網(wǎng)運行。電流控制方式比電壓控制方式簡單，應(yīng)用廣泛[6]。

3.2 電流滯環(huán)瞬時比較方式

通過比較實時電流輸出I的指數(shù)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(zhì)的寬度，則該信號對應(yīng)于任何產(chǎn)品上的滯后開關(guān)PWM 信號，即要求逆變器增加或減少輸出電流，直到發(fā)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(yīng)迅速精確，輸出電壓不包含特定的亞諧波，但由于電燈開關(guān)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(wěn)定性和控制的低精度?；鶞?zhǔn)電壓為

式中：Uc為基準(zhǔn)電壓；Ud為瞬時電壓。

采用傳統(tǒng)變壓器并網(wǎng)的典型風(fēng)電系統(tǒng)潮流控制電壓調(diào)節(jié)、沖擊抑制和暫態(tài)穩(wěn)定是目前電力系統(tǒng)面臨的主要問題。例如，靜態(tài)無功補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）這樣的無功補(bǔ)償裝置對調(diào)節(jié)公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）電壓有很好的效果。固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）也稱為智能變壓器，是一種現(xiàn)代的電能設(shè)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(shè)備上，就可以大大提高設(shè)備的使用效率，這提供了潛在的可能性和代表性。對于風(fēng)能系統(tǒng)，SST 用于連接風(fēng)能和電力網(wǎng)，其中的變壓器、電容器組和靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能性集成，并將替換為一個電源，以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)的風(fēng)電場系統(tǒng)采用交流/交流（Alternating Current/Alternating Current，AC/AC）變換器，最大限度利用感應(yīng)電動機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點，只有傳統(tǒng)變壓器和STATCOM 被相同的SST 替換，其中的直接驅(qū)動式同步風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)使用了全功率轉(zhuǎn)換裝置，因此AC/AC 變換器、2 個常規(guī)變壓器和STATCOM 都可以被1 個SST 替換。

3.4 正弦波脈寬調(diào)制電流跟蹤方式

正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一種常見的電力電子調(diào)制技術(shù)。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(tǒng)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(shù)，并與期望的基波電流進(jìn)行比較，控制系統(tǒng)可以調(diào)整PWM 信號的脈沖寬度來實現(xiàn)電流的跟蹤。第二，零序電流跟蹤。在某些應(yīng)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(xiàn)，采用三相電流檢測電路和控制算法，對零序電流進(jìn)行測量和控制。

電流跟蹤方式的選擇取決于具體的應(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)定性、減小諧波產(chǎn)生或滿足特定的電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(jìn)行比較。此外，主要是使用比例或比例積分放大器，其參數(shù)直接影響電流跟蹤性能，以確保電路控制系統(tǒng)的快速反應(yīng)，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(diào)制

空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是一種用于交流電機(jī)驅(qū)動的高級調(diào)制技術(shù)。它是一種基于三相坐標(biāo)系的脈沖寬度調(diào)制方法，通過控制電壓矢量的變化來實現(xiàn)對交流電機(jī)的精確控制。根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇一個合適的參考矢量，通常為位于正六邊形內(nèi)部的一個點。將所選的參考矢量根據(jù)當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到三相坐標(biāo)軸上，并確定該矢量所對應(yīng)的PWM 周期數(shù)。根據(jù)定位矢量計算得到2 個相鄰的空間矢量，一個用于產(chǎn)生正向電壓，另一個用于產(chǎn)生負(fù)向電壓。根據(jù)電機(jī)電流的需求，對2 個相鄰的空間矢量進(jìn)行加權(quán)，得到最終的輸出矢量。將輸出矢量轉(zhuǎn)換為脈沖信號，并通過PWM 技術(shù)控制開關(guān)器件的導(dǎo)通時間，產(chǎn)生合適幅度的電壓輸出，驅(qū)動交流電機(jī)?；赟PWM 的流控制主要調(diào)節(jié)逆變波的輸出，由于主電源單元的開關(guān)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(jī)動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，通過精確控制輸出矢量的方向、幅值和頻率，可以實現(xiàn)對交流電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和位置等參數(shù)的高精度控制。因此，SVPWM 廣泛應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域中的交流電機(jī)控制系統(tǒng)。

4 太陽能光伏發(fā)電與節(jié)能技術(shù)控制發(fā)展方向

太陽能光伏技術(shù)一直在不斷的創(chuàng)新和提升，研究人員致力于開發(fā)更高效的太陽能電池技術(shù)，以提高能源轉(zhuǎn)換效率。太陽能發(fā)電受到日照時間和天氣條件的限制，因此儲能技術(shù)是解決間歇性發(fā)電的關(guān)鍵。太陽能光伏發(fā)電與節(jié)能技術(shù)未來的發(fā)展方向包括更高效的電池儲能系統(tǒng)、熱儲能和化學(xué)儲能等。通過智能化控制系統(tǒng)優(yōu)化光伏發(fā)電的管理和運行，包括實時監(jiān)測、預(yù)測與調(diào)度，并實現(xiàn)與電網(wǎng)的有效互聯(lián)。

5 不同的控制策略對發(fā)電效率的影響

不同的控制策略可以對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率產(chǎn)生影響。以下是幾種常見的控制策略及其對太陽能光伏發(fā)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(diào)整太陽能電池陣列的工作點，使其輸出功率達(dá)到最大值。MPPT 算法根據(jù)太陽能電池陣列當(dāng)前的電壓和電流情況，實時調(diào)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(fā)電系統(tǒng)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(shè)計和溫度補(bǔ)償?shù)龋梢杂行岣咛柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)的效率。

5.3 并網(wǎng)控制策略

對于與電網(wǎng)連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過監(jiān)測和調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率等參數(shù)，以確保太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，并最大限度地將發(fā)電功率注入電網(wǎng)。

5.4 多級變換策略

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的直流到交流變換環(huán)節(jié)也會影響系統(tǒng)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(zhuǎn)化率。

6 結(jié) 論

太陽能光伏發(fā)電具有清潔、可再生和低碳排放的特點，被廣泛應(yīng)用于居民住宅、商業(yè)建筑和大型太陽能電站等各種規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)。將太陽能電網(wǎng)產(chǎn)生的恒定電流轉(zhuǎn)化為交流電，滿足市政電網(wǎng)的需求，并連接到公共網(wǎng)絡(luò)，是光電并行系統(tǒng)中能量和控制轉(zhuǎn)換的中心部分。為了積極發(fā)展和推廣光電系統(tǒng)，必須特別注意光電電網(wǎng)逆變器技術(shù)，發(fā)展太陽能光伏，在經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境保護(hù)等方面具有積極的現(xiàn)實意義。