夏 耘，易映萍

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

10kW三相光伏并網(wǎng)逆變器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

夏 耘，易映萍

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

以10kW三相光伏并網(wǎng)逆變器為研究對(duì)象，闡述了并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，并根據(jù)其輸入輸出特性對(duì)逆變器主電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì).最后，在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)的建模與仿真，通過(guò)FFT分析了逆變器輸出電流和并網(wǎng)電流，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主電路參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性.

三相光伏逆變器；主電路參數(shù)設(shè)計(jì)；并網(wǎng)；MATLAB／SIMULINK

隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng).然而像煤、石油、天然氣等不可再生能源的儲(chǔ)量已經(jīng)十分有限，同時(shí)這些能源對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染.太陽(yáng)能、風(fēng)能等作為綠色無(wú)污染的新能源日益受到人們的青睞.新能源發(fā)電并網(wǎng)是必然趨勢(shì)，而光伏并網(wǎng)逆變器是發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，能將光伏陣列所輸出的直流電變換成交流電送入電網(wǎng).

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的接口設(shè)備，因此，它的控制可靠性將影響整個(gè)設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性.三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：逆變器主電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等，而逆變器主電路承擔(dān)著轉(zhuǎn)換、傳遞能量的任務(wù)，是整個(gè)逆變器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).主電路必須安全、可靠，其各部分參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)該以極限工作條件為依據(jù)，并保留充分的裕量，保證所選擇的器件工作在安全區(qū)域［1］.

1 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

本文采用了單級(jí)式帶隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示.為了提高濾波效果，采用LCL濾波器代替普通L濾波器.工頻隔離變壓器變比為400∶270，既可以實(shí)現(xiàn)電能隔離保證設(shè)備和人員安全，又可以降低直流母線并網(wǎng)電壓.這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以減少硬件成本，因此易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化.此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為交流電流環(huán)，目的為控制電流從直流到交流的逆變，并能到達(dá)高品質(zhì)因數(shù)；外環(huán)為直流電壓環(huán)，目的是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，最大功率跟蹤確定的電壓值為直流母線電壓給定的指令值.

圖1 10kW光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于三相PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全一致的，為此可以借用PWM變流器的工作模式來(lái)分析逆變器的工作方式.通過(guò)對(duì)交流側(cè)電流的控制可以保證變流器工作在不同的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)變流器在四象限運(yùn)行，工作原理的分析如圖2所示.

圖2 變流器四象限運(yùn)行狀態(tài)

圖2中：E為交流電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量；U為交流側(cè)電壓矢量；UL為交流側(cè)電感電壓矢量；I為交流側(cè)電流矢量.圖2（a）是純電感特性運(yùn)行，圖2（b）是單位功率因數(shù)整流運(yùn)行，此時(shí)電流方向與電網(wǎng)電壓方向一致；圖2（c）是純電容運(yùn)行，圖2（d）單位功率逆變器運(yùn)行，此時(shí)電流方向與電網(wǎng)電壓方向反向.當(dāng)變流器作為逆變器運(yùn)行時(shí)，電壓矢量U端點(diǎn)在圓軌跡CDA上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)PWM變流器便處在于有源逆變狀態(tài)；當(dāng)電壓矢量U 在CD 弧段上運(yùn)行時(shí)，PWM變流器向電網(wǎng)傳送有功功率及容性無(wú)功功率，電能將從PWM變流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)；當(dāng)電壓矢量U在DA弧段運(yùn)行時(shí)，PWM變流器向電網(wǎng)傳輸有功功率及感性無(wú)功功率，同樣電能將從PWM變流器直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)；當(dāng)PWM變流器運(yùn)行至D點(diǎn)時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制.為了減小對(duì)電網(wǎng)的影響，并達(dá)到單位功率因素控制，當(dāng)逆變器從電網(wǎng)吸收能量時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)，電網(wǎng)電壓和電流同相.當(dāng)逆變器向電網(wǎng)輸入電能時(shí)，其電網(wǎng)電流和電流反相，這是光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行的理想狀態(tài)，也是光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)要努力達(dá)到的控制目標(biāo)［2］.

2 三相并網(wǎng)逆變器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

該并網(wǎng)逆變器的輸入電壓范圍為400～820V，功率因數(shù)不小于99%，額定輸出功率為10kW.主電路主要由光伏陣列、直流母線電容、三相逆變橋、LCL濾波器、三相隔離變壓器等組成.以下分別討論IGBT的選型，直流母線電容的確定，以及濾波器電容、電感的設(shè)計(jì)［3］.

2.1 IGBT的選取

IGBT的選取需要考慮三方面的因素：開關(guān)速度、額定電壓和額定電流.根據(jù)10kW光伏逆變器的技術(shù)要求，直流母線電壓最高為850V，考慮到關(guān)斷尖峰可能要達(dá)到1.2倍，因此IGBT耐壓要超過(guò)850＊1.2＝1020V.系統(tǒng)的額定功率為10kW，考慮到1.1倍的過(guò)載能力，流過(guò)IGBT的最大電流為

其中因此流過(guò)IGBT峰值電流為

結(jié)合目前主要的IGBT規(guī)格以及供貨周期、價(jià)格等因素綜合選取型號(hào).最后IGBT的型號(hào)選定為FF200R12KE3（英飛凌），主要技術(shù)參數(shù)為：最大電流200A，耐壓1200V.

2.2 直流母線電容的確定

直流電容對(duì)逆變器的諧波、功率因素、直流母線電壓波動(dòng)等有重要影響，因此直流母線電壓和母線電容參數(shù)的確定至關(guān)重要.直流母線電壓既要滿足電網(wǎng)電壓的要求，還要通過(guò)控制使流過(guò)LCL濾波器的電流為正弦波.從電源的控制角度來(lái)說(shuō)，直流電壓過(guò)低不僅會(huì)導(dǎo)致逆變出的交流側(cè)電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，甚至達(dá)不到跟隨指定電壓的目的；直流電壓過(guò)高一方面會(huì)提高元器件的耐壓等級(jí)，提高了系統(tǒng)硬件成本，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性因此會(huì)降低.一般而言，為達(dá)到電壓環(huán)控制的快速響應(yīng)，直流母線電容應(yīng)選取的盡量??；而為達(dá)到電壓環(huán)控制的抗擾性，直流母線電容應(yīng)選取的盡量大，防止在有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)直流電壓值的動(dòng)態(tài)降落.

逆變器輸出相電壓的有效值為：

考慮到電網(wǎng)最大10%的電壓波動(dòng)時(shí)：

當(dāng)三相電壓不平衡時(shí)，由于負(fù)序分量的作用，并網(wǎng)逆變器直流母線側(cè)電容上能量將以2ω波動(dòng)，則：

式（5）中：Vm為電網(wǎng)電壓峰值，In為電網(wǎng)電流峰值，ω為電網(wǎng)角頻率，θ為初始相角.考慮5%直流母線電壓紋波，同時(shí)直流電壓為400V，則電容的值為：

根據(jù)參數(shù)要求、電容廠家、供貨周期等，本文選取Nichicon（尼吉康）兩個(gè)4700μF的電解電容串聯(lián)的方式，電容型號(hào)為L(zhǎng)NW2W472MSEH，電容參數(shù)為耐壓450V，容值為4700μF.

2.3 濾波器設(shè)計(jì)

隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，大功率并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì).由于容量通常較大，為了降低開關(guān)損壞和其他損耗，開關(guān)頻率一般比較低.在大功率逆變器中一般采用LCL濾波器，LCL濾波器不僅可以減少體積、節(jié)約成本，而且具有更好濾除高頻諧波的能力.本文采用LCL濾波器，首先根據(jù)電感的允許電壓降確定電感的上限值，然后依據(jù)電路中的紋波電流指標(biāo)進(jìn)而確定電感的下限值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合考慮參數(shù)的選取.

在SVPWM調(diào)制下，直流母線的電壓利用率為1，所以此時(shí)逆變器交流側(cè)線電壓峰值就是Udc，此時(shí)可以得到L的上限值：

式中L為電網(wǎng)側(cè)和網(wǎng)側(cè)逆變器的總電感；Emp為電網(wǎng)相電壓基波有效值和峰值；Udc為直流母線電壓；I，Imp為交流側(cè)電流矢量.

電路中相電流的最大電流紋波為：

由此得到電感的下限：

電感值的大小會(huì)影響電流性能的好壞，電感值越小電流的跟蹤能力和系統(tǒng)的響應(yīng)就會(huì)得到提高，電感的值越大，電抗器濾除高次諧波的能力會(huì)更好.為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，根據(jù)常規(guī)一般選取L1＝2L2.根據(jù)上述計(jì)算，選定濾波器為L(zhǎng)1＝0.12mH，L2＝0.06mH.

以下介紹濾波電容的選取，由于濾波器電容的使用，會(huì)引起無(wú)功功率的增加從而會(huì)降低功率因數(shù).為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)輸出，選取額定功率的5%作為電容吸收無(wú)功功率的上限值，可得出選取電容的標(biāo)準(zhǔn)為C≤5%Cb.

綜合考慮，本文選取30μF的交流濾波電容.為防止發(fā)生濾波器諧振，取10f≤fs≤0.5fsw，根據(jù)這個(gè)約束條件來(lái)核算選取的參數(shù)是否合適，fs的計(jì)算公式為（11），帶入相關(guān)參數(shù)得fs＝1434Hz，滿足設(shè)計(jì)要求.

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用MATLAB仿真工具搭建了仿真模型如圖3所示.電池板模型的開路電壓為620V，短路電流為25A.根據(jù)電池板模型的輸出特性曲線，電池板在最大輸出功率點(diǎn)處的電壓為510V，電流為22A.直流母線電容取2350μF，LCL型濾波器中電網(wǎng)側(cè)電感L2取0.6 mH，Cu取30μF，逆變器側(cè)電感L1取1.2mH，開關(guān)頻率為4.2kHz.在實(shí)際電路中，逆變器輸出電流通過(guò)工頻變壓器并網(wǎng)，變比為270∶400.在仿真模型中，為簡(jiǎn)化分析，將電網(wǎng)線電壓的峰值設(shè)為270V，相當(dāng)于隔離變壓器并網(wǎng)之前的電壓［4－5］.

圖3 光伏逆變系統(tǒng)仿真模型

并網(wǎng)時(shí)A相輸出電流和電網(wǎng)電壓波形如圖4所示，由圖可知：交流側(cè)的輸出電流接近理想的正弦波，并網(wǎng)逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，將能量回饋到了電網(wǎng).達(dá)到了單位功率因數(shù)運(yùn)行的效果.

圖4 并網(wǎng)時(shí)A相輸出電流和電壓波形圖

圖5為逆變器輸出電流FFT分析，以驗(yàn)證LCL濾波器的濾波效果.從波形分析可以看出，通過(guò)雙閉環(huán)控制，輸出諧波THD值含量為4.51%，低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).在1000～2000Hz頻率段，由于LCL濾波器的諧振作用，THD有所增大，但對(duì)于2000 Hz以上的高次諧波有很好的抑制效果.仿真結(jié)果表明，該光伏并網(wǎng)逆變器主電路設(shè)計(jì)符合逆變器并網(wǎng)要求，是光伏并網(wǎng)逆變器主電路設(shè)計(jì)的一種可行方案.

圖5 逆變器輸出電流THD分析

為驗(yàn)證光伏并網(wǎng)逆變器的主電路設(shè)計(jì)符合逆變器并網(wǎng)要求，進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)波形如圖6所示.圖6中CH3為A相電網(wǎng)電壓（CH3進(jìn)行了反相），CH2為A相電網(wǎng)電流，由于前端調(diào)壓器容量有限，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)有功指令I(lǐng)d給定－11A，此時(shí)并網(wǎng)功率為

圖6 并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)波形

此時(shí)測(cè)得并網(wǎng)電流THD＝5.3%，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng).

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)10kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB建模和仿真，分析了逆變器主電路的工作原理，并推導(dǎo)出主電路元件參數(shù)的計(jì)算公式.在理論分析和推導(dǎo)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合主電路實(shí)際工作的特點(diǎn)，合理的選擇了各元件的參數(shù).仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇元件搭建的主電路工作穩(wěn)定，符合要求，可作為工程應(yīng)用的參考.

［1］趙 為.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2003.

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The Main Circuit Parameter Design of 10 kW Three－phase Photovoltaic Grid－connected Inverter

XIA－Yun，YI Ying－ping
（School of Optical－electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

This paper elaborates the system structure and working principle of 10kW three－phase photovoltaic grid－connected inverter and designs the main circuit parameters based on the input／output characteristics of the inverter.In addition，it analyses the output current and grid current of the inverter through FFT in the modeling and simulation of system based on MATLAB／SIMULINK environment.The simulation and experiment results have verified the correctness of design for the main circuit parameters.

Three－phase photovoltaic inverter；main circuit parameters design；grid－connected；MATLAB／SIMULINK

TM464

A

1671－119X（2012）03－0009－04

2012－03－26

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展863計(jì)劃.資助項(xiàng)目（2012AA050206）

夏 耘（1959－），女，工程師，研究方向：電工與電子應(yīng)用.