魏运军，刘 钊，汪建军
（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南 长沙 410000）
0 引 言
能源是社会发展和经济发展的中心，促进光伏发展系统研究，加强节能技术应用，能够实现光伏领域节能技术控制优化，这是目前可持续化生产应用的重点，主要研究太阳能储存能量的技术，以提供稳定的能源供应[1]。通过分析太阳能光伏与储能系统的配对应用，开发高效的储能设备，改善能量的存储方式和释放效率，提高能源的利用率，促进可再生能源的利用和发展。
1 太阳能光伏发电系统
1.1 太阳能光伏技术
1.1.1 光-热-电转换方式
光伏电池也称为太阳能电池，由半导体材料制成，是太阳能光伏发电系统的核心部件。常见的光伏电池类型包括单晶硅、多晶硅和薄膜电池等。光-热-电转换方式通常使用太阳能集线器吸收能量，将工作蒸汽的热能转化为电能，然后为涡轮发电机供电。光伏（光电）转换指利用光伏效应将太阳光的能量直接转化为电能。光伏电池使用半导体材料，当太阳光照射到光伏电池时，光子被吸收并激发出电子，形成电流，用来供电或充电。常见的光热转换技术包括太阳能热发电和太阳能热水系统。太阳能热发电利用聚光系统将太阳光聚焦到一个点上，产生高温热能，然后通过热机或蒸汽涡轮机转化为电能。太阳能热水系统则利用太阳能热集热器将太阳光能转化为热能，供暖、供热水或进行工业加热过程。
1.1.2 光-电直接转换方式
光-电直接转换方式根据光电效应，直接将太阳辐射转化为电能[2]。太阳能电池是一种半导体光电二极管，当阳光照在光电二极管上时，它会将来自太阳的能量转化为电能，在外部电路中创造电流。通常使用的太阳能电池板是由几个太阳能电池串联或并联，以获得更大的功率输出。与核能和热能相比，太阳能光伏发电无污染、清洁。太阳能光伏技术利用光伏效应，通过光伏电池将太阳光转换为直流电，再经过逆变器转换为交流电，供应给电网或用于自给自足的电力系统。
1.2 太阳能光伏发电原理
太阳能电池板通过半导体中的光电节点工作，太阳能光伏发电依靠光电效应，光电效应意味着当物体暴露在光线下时，内部电荷的分布会改变，产生电动势和电流。固体和液体材料都有光电效应，但在光照下，固体会更有效地转化，尤其是半导体设备。光伏电池的发电原理如图1 所示，光电效应将太阳能直接转化为电能。太阳能电池组是光电系统的基础和中心组成部分[3]。
图1 光伏电池的发电原理
1.2.1 太阳能光伏发电系统的构成
光电系统直接将太阳能转化为电能，使用诸如太阳能电池板等辅助设备。太阳能光伏发电系统基本结构如图2 所示，完整的光电系统通常由太阳能、控制器、直流/交流逆变器以及电池等组成。
图2 太阳能光伏发电系统基本结构框图
1.2.2 太阳能光伏发电系统的分类
太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
独立光伏发电系统通过光伏技术将太阳能转化为电能，并独立运行，不依赖于传统电网的发电系统。它既可以提供直流电，也可以提供交流电，两种供电方式的差别是系统在提供交流电时需要在负载和蓄电池组之间加入直交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）逆变器。该系统可为独立的建筑、设备或区域提供电力。独立光伏发电系统的结构框图如图3 所示，它是一种自动供电系统，通过太阳能电池板充电所需的能量。当太阳能电池板的输出能力无法满足电荷需求时，它就会被电池抵消。当输出功率超过充电要求时，剩余功率存储在蓄电池组中。如果系统中有直流电，可以使用DC/AC 逆变器将直流电转换为交流电源。光电系统独立运行，通常由太阳能电池阵列、控制电路、蓄电池组、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换电路、DC/AC 逆变器、直流负载以及交流负载组成。
图3 独立光伏发电系统结构框图
并网光伏发电系统指将光伏发电系统与传统电网连接起来，通过电网将光伏发电系统产生的电能注入到公共电力网络中。这种系统与传统电网相互交互，可以实现双向的能量传输。
1.1 一般资料 2018年1月至 2018年6月，在海军军医大学（第二军医大学）东方肝胆外科医院泌尿外科行后腹腔镜下肾部分切除术治疗的肾脏腹侧肾肿瘤患者 15例，术中应用自制简易腹膜反折悬吊装置。其中男 9例、女 6例，平均年龄为（62.5±9.2）岁，肿瘤平均最大径为（2.9±1.0）cm，肿瘤位于右肾 7例、左肾 8例，均为位于肾脏腹侧的单发肿瘤，肿瘤分期均为 T1N0M0 期，R.E.N.A.L 评分为 6～10 分。无淋巴结、肾静脉或下腔静脉癌栓及远处转移。
2 三相光伏并网逆变器控制系统
2.1 光伏并网逆变器系统的电路结构
光伏并网逆变器系统将太阳能转化为交流电，并与电网进行双向的能量传输。该系统可以实现光伏发电的自用和余电上网，为用户提供可靠的电力供应，并实现电力的分布和共享。其中，逆变器开关频率和主功率开关装置的选择对输出波形失真影响较大，常用的主要功率开关器件有绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）、双极转换器晶体管、双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）等晶体管，通常使用低容量、低电压、低传动功率以及高开关频率的晶体管[4]。随着电压水平的增加，IGBT 经常被用于高压和高容量系统。在平行光电控制系统中，三重逆变电能是将太阳能电池产生的直流转化为交流电流，直接为公共电网供电。
2.2 并网逆变器的工作原理
并行网络逆变器是并行光电系统的中心组件和技术密钥，并行网络逆变器和独立逆变器的区别在于它不仅可以将太阳能电网产生的恒定电流转化为可变电流，控制转换电流的性能，还可以将太阳能产生的永久能源转化为交流电，类似于电网、频率和相位的电压，然后转移至电网。并行网络的三相逆变器控制系统可以被看作是一个平衡系统，在一次侧和二次侧的变化过程中，整个并入逆变器性能有所改善，从而实现高频交流在数据转换方面的设计。高频电压逆变器系统的电路原理如图4 所示。
图4 高频电压逆变器系统的电路原理
在并网光伏发电系统中，为使并网光伏逆变器输出稳定、高质量的正弦波电流与公共电网电压的频率和相位相同，光伏并网逆变器实现了太阳能光伏电能的高效转换和安全并网，为用户提供了可靠的电力供应，促进了能源的再生利用和可持续发展[5]。
3 光伏并网逆变器的控制策略
3.1 PI 控制方式
脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）是一种常用的电子调节技术，用于调整电路中的输出信号的平均功率或电压。在PWM 中，信号的幅值保持不变，仅通过改变脉冲的宽度来实现调节。控制开关器件如晶体管或MOSFE 的导通时间和截止时间，使输入信号在一个固定周期内以不同的脉冲宽度进行开关。当脉冲宽度较大时，平均电压或功率较高；当脉冲宽度较小时，平均电压或功率较低。由于逆变器三相桥臂有6 个开关点位，研究各相上下桥臂不同开关组合时的电压矢量特定开关函数Sx(x=a,b,c)，此时逆变电路图如图5 所示，其中V1、V2、V3、V4、V5以及V6为6 个开关点位。6 个开关点位非零电压矢量为U0（001）、U1（002）、U2（003）、U3（004）、U4（005）以及U5（006）。开关状态与线电压的对应关系如表1 所示。其中，Uab、Ubc、Uca表示不同开关组合时的线电压，Udc表示母线上的直流电压。
表1 开关状态与线电压的对应关系
图5 逆变电路图
在应力控制模式下，逆变器会产生电压不匹配，电网的相位周期很短。但在短路后，逆变器只能测量网络中的电压，而不能有效控制输出电压变化的范围。例如，并网光伏发电系统采用电流控制方式，只需控制逆变器产生的正弦电流跟随电网电压，即可实现并网运行。电流控制方式比电压控制方式简单，应用广泛[6]。
3.2 电流滞环瞬时比较方式
通过比较实时电流输出I的指数来比较Di电流（Di表示电流误差，I表示电流变化的微小量），修正后的I作为输入信号。如果错误信号的值大于介质的宽度，则该信号对应于任何产品上的滞后开关PWM 信号，即要求逆变器增加或减少输出电流，直到发出错误信号。这为在给定的电流曲线周围的平行逆变器提供了实际的输出。这是一种实时控制方式，电流反应迅速精确，输出电压不包含特定的亚谐波，但由于电灯开关的频率没有记录，电流谱更宽，有间接的谐波干扰。
3.3 定时比较方式
定时比较方式将误差信号Di输入给定的时钟比较器，评估每小时Di的偏差。电流控制的缺点是跟踪电流的不稳定性和控制的低精度。基准电压为
式中：Uc为基准电压；Ud为瞬时电压。
采用传统变压器并网的典型风电系统潮流控制电压调节、冲击抑制和暂态稳定是目前电力系统面临的主要问题。例如，静态无功补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）这样的无功补偿装置对调节公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）电压有很好的效果。固态变压器（Solid State Transformer，SST）也称为智能变压器，是一种现代的电能设备，可提供双向功率流。SST 如果将以上几个功能集成到一个设备上，就可以大大提高设备的使用效率，这提供了潜在的可能性和代表性。对于风能系统，SST 用于连接风能和电力网，其中的变压器、电容器组和静态无功补偿装置功能性集成，并将替换为一个电源，以双馈异步风力发电机为基础的风电场系统采用交流/交流（Alternating Current/Alternating Current，AC/AC）变换器，最大限度利用感应电动机系统的优点，只有传统变压器和STATCOM 被相同的SST 替换，其中的直接驱动式同步风电机系统使用了全功率转换装置，因此AC/AC 变换器、2 个常规变压器和STATCOM 都可以被1 个SST 替换。
3.4 正弦波脉宽调制电流跟踪方式
正弦波脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）是一种常见的电力电子调制技术。在SPWM 中，电流跟踪方式通常有2 种。第一，基波电流跟踪。在基波电流跟踪方式下，控制系统会跟踪交流电流的基波成分，即与电源频率相同的正弦波信号。通过测量电流的幅值、相位和频率等参数，并与期望的基波电流进行比较，控制系统可以调整PWM 信号的脉冲宽度来实现电流的跟踪。第二，零序电流跟踪。在某些应用中，除了跟踪基波电流，还需要控制交流电流的零序分量，即其平均值为0 的部分。零序电流跟踪方式会检测交流电流的零序成分，并将其保持在一个期望的值附近。这通常通过引入额外的控制回路来实现，采用三相电流检测电路和控制算法，对零序电流进行测量和控制。
电流跟踪方式的选择取决于具体的应用需求。基波电流跟踪是最常见的方式，适用于普通的交流电压或电流控制。而零序电流跟踪则在需要限制电流的零序成分时使用，例如用于提高系统的稳定性、减小谐波产生或满足特定的电网要求等情况下。然后向SPWM 提供辅助信号电流。实时测量与连接到第一个网络的电流信号，放大接收到的信号到放大器，最后将其与三角形载波信号进行比较。此外，主要是使用比例或比例积分放大器，其参数直接影响电流跟踪性能，以确保电路控制系统的快速反应，这种管理方法在逆向电路中广泛使用。
3.5 空间矢量脉宽调制
空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）是一种用于交流电机驱动的高级调制技术。它是一种基于三相坐标系的脉冲宽度调制方法，通过控制电压矢量的变化来实现对交流电机的精确控制。根据系统需要，选择一个合适的参考矢量，通常为位于正六边形内部的一个点。将所选的参考矢量根据当前的电机状态转换到三相坐标轴上，并确定该矢量所对应的PWM 周期数。根据定位矢量计算得到2 个相邻的空间矢量，一个用于产生正向电压，另一个用于产生负向电压。根据电机电流的需求，对2 个相邻的空间矢量进行加权，得到最终的输出矢量。将输出矢量转换为脉冲信号，并通过PWM 技术控制开关器件的导通时间，产生合适幅度的电压输出，驱动交流电机。基于SPWM 的流控制主要调节逆变波的输出，由于主电源单元的开关频率低，很难获得良好的输出输出。SVPWM 具有高效率、低谐波失真以及更好的电机动态响应等优点，通过精确控制输出矢量的方向、幅值和频率，可以实现对交流电机转速、扭矩和位置等参数的高精度控制。因此，SVPWM 广泛应用于工业驱动、电动汽车、风力发电等领域中的交流电机控制系统。
4 太阳能光伏发电与节能技术控制发展方向
太阳能光伏技术一直在不断的创新和提升，研究人员致力于开发更高效的太阳能电池技术，以提高能源转换效率。太阳能发电受到日照时间和天气条件的限制，因此储能技术是解决间歇性发电的关键。太阳能光伏发电与节能技术未来的发展方向包括更高效的电池储能系统、热储能和化学储能等。通过智能化控制系统优化光伏发电的管理和运行，包括实时监测、预测与调度，并实现与电网的有效互联。
5 不同的控制策略对发电效率的影响
不同的控制策略可以对太阳能光伏发电系统的效率产生影响。以下是几种常见的控制策略及其对太阳能光伏发电效率的影响。
5.1 最大功率点跟踪策略
最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）通过调整太阳能电池阵列的工作点，使其输出功率达到最大值。MPPT 算法根据太阳能电池阵列当前的电压和电流情况，实时调整工作点，最大限度地提取太阳能的能量。采用更高级的MPPT 算法可以提高太阳能光伏发电系统的效率，并提高能源利用率。
5.2 温度控制策略
太阳能电池的工作温度对其效率有显著影响。过高或过低的温度都会降低太阳能电池的效率。因此，采取合适的温度控制策略，如散热设计和温度补偿等，可以有效提高太阳能光伏发电系统的效率。
5.3 并网控制策略
对于与电网连接的太阳能光伏发电系统，通过监测和调节电网电压、频率等参数，以确保太阳能光伏发电系统与电网的稳定连接，并最大限度地将发电功率注入电网。
5.4 多级变换策略
太阳能光伏发电系统中的直流到交流变换环节也会影响系统的效率。采用多级变换策略，如采用多级逆变器或微逆变器，可以有效降低能量损耗，提高能量转化率。
6 结 论
太阳能光伏发电具有清洁、可再生和低碳排放的特点，被广泛应用于居民住宅、商业建筑和大型太阳能电站等各种规模的发电系统。将太阳能电网产生的恒定电流转化为交流电，满足市政电网的需求，并连接到公共网络，是光电并行系统中能量和控制转换的中心部分。为了积极发展和推广光电系统，必须特别注意光电电网逆变器技术，发展太阳能光伏，在经济、社会和环境保护等方面具有积极的现实意义。
