陳四雄，曾春保

（漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司，福建 漳州363000）

0 引 言

隨著世界能源短缺和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，能源格局正在發(fā)生重大的變化，其將成為21世紀(jì)人類所面臨的核心問題。清潔的可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注［1］。近二十年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了持續(xù)的發(fā)展，是我國“十二五”時期新能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要方式之一。開展光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，對于緩解能源和環(huán)境問題，開拓廣闊的光伏發(fā)電市場和掌握相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價值［2，3，4］。

光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽能電池所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電能同幅、同頻、同相的交流電能的一種電力變換裝置。大功率光伏并網(wǎng)逆變器主要應(yīng)用在大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，是此系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。

本文深入分析了大功率光伏并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)，對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對500 kW光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，給出了樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果。

1 光伏并網(wǎng)逆變器分類

光伏并網(wǎng)逆變器的分類有如下幾種方式：

（1）按輸出交流相數(shù)分為：單相逆變器；三相逆變器。

（2）按電氣隔離情況分為：隔離型；非隔離型。

（3）按工作環(huán)境分為：戶內(nèi)型；戶外型。

（4）按電磁發(fā)射限值分為：A型逆變器，指非家用和不直接連接到住宅低壓供電網(wǎng)的所有設(shè)施中使用的逆變器；B型逆變器，指適用于包括家庭在內(nèi)的所有場合，以及直接與住宅低壓供電網(wǎng)連接的設(shè)施。

（5）按照可接入電網(wǎng)電壓等級分為：低壓型；中高壓型。低壓型接入電網(wǎng)電壓等級為1 kV及以下，中高壓型接入電網(wǎng)電壓等級1 kV以上。

2 大功率光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?/h2>

大功率光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)淙鐖D1所示。光伏組件產(chǎn)生的電能經(jīng)過電容儲能來保持直流電壓穩(wěn)定，三相全橋逆變單元將直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電，經(jīng)過LC濾波器濾波后將電能饋送至電網(wǎng)。

3 大功率光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 整體控制系統(tǒng)

圖1 大功率光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)?/p>

為實(shí)現(xiàn)對大功率光伏并網(wǎng)逆變器的全數(shù)字化控制，項(xiàng)目采用“DSP＋FPGA”的控制架構(gòu)，應(yīng)用空間矢量SVPWM控制技術(shù)，以DSP為核心，F(xiàn)PGA為輔助。這一控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，大大減小了外圍電路，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

DSP主要功能：DSP負(fù)責(zé)整體控制，包括控制算法計(jì)算、PWM脈沖生成、部分AD采樣、電能統(tǒng)計(jì)、與觸摸屏通信、總線存儲控制、與閃存芯片通信等。

FPGA主要功能：FPGA則負(fù)責(zé)故障實(shí)時判斷及保護(hù)、PWM監(jiān)視、系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)、有效值計(jì)算、頻率檢測、相序檢測、開關(guān)量控制、PWM脈沖的邏輯封鎖、外部AD芯片控制等。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

關(guān)鍵技術(shù)控制回路如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵技術(shù)控制回路

（1）電流環(huán)

電流環(huán)采用了空間矢量及比例積分控制，控制示意圖如圖3所示。首先由前級的MPPT給出母線電壓參考值，再由電壓控制環(huán)給出輸出電流幅值Iscmd，再根據(jù)給定的功率因數(shù)將其分解為Idcmd、Iqcmd。Ia、Ib、Ic為三相反饋電流，相位角正弦sin及余弦cos信號來自三相電壓鎖相環(huán)。通過坐標(biāo)變換，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，可將三相反饋電流變成直流量Id、Iq。然后分別對Idcmd－Id、Iqcmd－Iq做PI控制，即可得到逆變器電壓矢量Ud、Uq。將Ud、Uq做反派克變換，可得到Ualph、Ubeta，再通過空間矢量控制算法，即可得到三相占空比信號。為減少PI的超調(diào)，以及并網(wǎng)瞬間的沖擊，引入了前饋量UdFF、UqFF。

圖3 電流環(huán)控制示意圖

（2）PF（功率因數(shù)）控制

根據(jù)前級的電壓環(huán)給出的電流信號Iscmd，再根據(jù)功率因數(shù)命令參數(shù)PFcmd，將Iscmd分解為有功電流IdPF與無功電流IqPF，送給后級的電流環(huán)功率因數(shù)給定Idcmd、Iqcmd。

（3）電壓環(huán)

電壓環(huán)主要用來配合實(shí)現(xiàn)MPPT功能。電壓環(huán)采用了比例積分控制，直流母線電壓Ubus為反饋量。正常情況下，電壓環(huán)根據(jù)前級MPPT給定的電壓Ucmd計(jì)算輸出的電流信號，作為電流環(huán)的給定Iscmd，通過反饋環(huán)節(jié)可將直流母線電壓大小調(diào)節(jié)至Ucmd。

（4）MPPT

MPPT采用擾動觀察法，每秒擾動一次母線電壓，通過一定的步長后再比較前后功率及電壓的變化，如果功率和電壓均增大或者均減小，則增大母線電壓給定值，否則減小母線電壓給定值，使功率達(dá)到最大點(diǎn)。

（5）鎖相環(huán)

鎖相環(huán)的作用是為電流環(huán)提供相位信號，也是低電壓穿越中非常關(guān)鍵的一個技術(shù)要點(diǎn)。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，能否繼續(xù)正常的鎖相是通過低電壓穿越的前提條件。鎖相環(huán)采用了三相線電壓坐標(biāo)變換，得到Ud、Uq，然后以Uq作為誤差信號，使用PI控制，輸出相位角及其正弦余弦信號。

（6）孤島檢測

孤島分為被動孤島與主動孤島，被動孤島主要有電壓幅值及頻率上下限檢測，本項(xiàng)目的主動孤島采用了新穎的無功電流擾動方法。結(jié)合新標(biāo)準(zhǔn)對頻率上下限的放寬，如果要使頻率擾動出正常范圍，勢必要增大擾動量。為配合無功電流擾動，被動孤島還加入了頻率變化檢測，當(dāng)頻率變化超過一定值時，即可認(rèn)為出現(xiàn)孤島。這樣則無需將頻率擾動出正常范圍，只需要較小的擾動即可滿足孤島保護(hù)的要求。擾動量太小則會不起作用，太大則會對輸出電流的幅值以及功率因數(shù)造成影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)例：設(shè)計(jì)并研制成功的500 kW光伏并網(wǎng)逆變器，獲得了優(yōu)越的綜合性能。MPPT電壓范圍為450 V～820 Vdc，額定并網(wǎng)電壓為三相線電壓270 Vac，額定輸出功率500 kW，最大效率高達(dá)98.6%，額定功率下電流諧波總畸變率＜3%，額定功率下功率因數(shù)＞0.99。

500 kW光伏并網(wǎng)逆變器的試驗(yàn)波形及指標(biāo)分析如下：

（1）三相并網(wǎng)電流

三相并網(wǎng)電流如圖4所示，三相輸出電流相位差互為120°，較好地實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)進(jìn)行鎖相輸出，輸出功率因數(shù)高達(dá)0.995，波形質(zhì)量好。

圖4 三相并網(wǎng)電流波形

（2）低電壓穿越

低電壓穿越波形如圖5所示，（a）為三相跌落到20%持續(xù)1 s，（b）為三相跌落80%持續(xù)2.71 s的試驗(yàn)波形，（c）為兩相60%跌落瞬態(tài)波形，（d）為兩相60%恢復(fù)瞬態(tài)波形，跌落到60%持續(xù)時間為2.14 s。從波形可以看出，逆變器在電壓跌落過程中，能夠快速的實(shí)現(xiàn)鎖相并保持電流的輸出而不脫網(wǎng)；當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)后逆變器實(shí)現(xiàn)對功率的快速恢復(fù)，快速的完成MPPT追蹤；整個過程逆變器為電網(wǎng)的恢復(fù)提供了有力的能量支撐保證，順利地實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越的要求及功能。

圖5 低電壓穿越波形

（3）電流諧波 THDi

從試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)看，逆變器獲得較小的THDi，為2.13%，各次諧波均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，并網(wǎng)電流質(zhì)量好，對電網(wǎng)的諧波污染較小，并網(wǎng)電流諧波分析如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)電流諧波分析圖

（4）整機(jī)效率曲線

500 kW光伏并網(wǎng)逆變器的效率曲線如圖7所示，在整個MPPT范圍內(nèi)，輸入PV電壓在低端時的效率最高，達(dá)到98.6%，歐洲光伏并網(wǎng)逆變器效率為98.3%，隨著輸入電壓的升高，效率有所降低。

圖7 效率曲線

理論分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用“DSP＋FPGA”先進(jìn)的控制架構(gòu)，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，使得大功率并網(wǎng)逆變器的可靠性大大提高。針對控制系統(tǒng)開發(fā)的500 kW光伏并網(wǎng)逆變器，獲得了優(yōu)異的電氣性能，整機(jī)效率高、并網(wǎng)諧波小、功率因數(shù)高、體積重量小、成本低。

［1］ 王長貴.新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望［C］.太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集，新疆，2003：4－17.

［2］ Tomita T.Toward giga－watt production of silicon photovoltaic cells，modules and systems.Photovoltaic Specialists Conference［C］.Conference Record of the Thirty－first IEEE.NJ，USA：IEEE，2005：7－11.

［3］ 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］ 陳 維，沈 輝.光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器技術(shù)應(yīng)用及展望［J］.電力電子技術(shù)，2006，8：130－133.