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淺談光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的工作原理

王新堂

（山東麗村熱電有限公司，山東淄博，256300)

1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成

典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、電力電子變換器、儲(chǔ)能裝置、負(fù)載等組成，其構(gòu)成如1-1圖所示。

圖1-1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

圖2-1　電流型、電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖

2　并網(wǎng)逆變器的選擇

2.1并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)的選擇

光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類(lèi)，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器， 直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。按照輸入直流電源的性質(zhì)，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變器，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

2.2并網(wǎng)逆變器回路方式的選擇

逆變器的主電路結(jié)構(gòu)按照輸出的絕緣形式分為：工頻變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式、無(wú)變壓器方式3種。

1)工頻變壓器絕緣方式采用一級(jí)DC/AC主電路，在輸出端接工頻變壓器并網(wǎng)。這種方式既可與電網(wǎng)隔離，同時(shí)又可以將逆變器輸出波形中的直流分量濾去，從而減少對(duì)電網(wǎng)的污染，并且具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是工頻變壓器體積大，重量重，效率較低。這種方式的逆變器主要用于獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2)高頻變壓器絕緣方式是通過(guò)兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變。前級(jí)將直流電壓斬波為高頻脈沖，通過(guò)高頻變壓器升壓后整流，最后通過(guò)逆變器并網(wǎng)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器體積小，重量輕，大大減小了逆變器的體積和重量。缺點(diǎn)是經(jīng)過(guò)了兩級(jí)結(jié)構(gòu)，效率比較低，且電路和控制方式復(fù)雜。由于高頻電磁干擾嚴(yán)重，需要采用濾波和屏蔽等抑制措施。

3)無(wú)變壓器方式是只采用一級(jí)DC/AC變換直接并網(wǎng)。這種方式對(duì)逆變器輸出波形要求較高，直流電壓范圍比較小，但是逆變器整機(jī)的效率卻比較高， 并進(jìn)一步降低了成本。

2.3并網(wǎng)逆變器控制策略的選擇

1)電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式

電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式示意圖如圖2-1所示的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其外環(huán)是電壓反饋控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)。將電壓PI調(diào)節(jié)器輸出電流幅值指令乘以表示網(wǎng)壓的單位正弦信號(hào)后，得到交流的電流指令，將它與實(shí)際檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)電流誤差大于指定的環(huán)寬時(shí)，滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制逆變器增大或減小輸出電流，使其重新回到滯環(huán)內(nèi)。這樣，使實(shí)際電流圍繞著指令電流曲線上下變化，并且始終保持在一個(gè)滯環(huán)帶中。

圖2-1　電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式示意圖

圖2-2　固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制示意圖

2)固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式

固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式在保留電流跟蹤的動(dòng)態(tài)性能好的基礎(chǔ)上，克服了滯環(huán)控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，控制框圖如圖2-2所示。這種控制方法與電流滯環(huán)控制的區(qū)別在于從電流誤差信號(hào)得到最終控制逆變器的PWM信號(hào)的方式不同。該控制技術(shù)的基本思想是：對(duì)給定參考電壓和逆變器輸出電壓反饋誤差信號(hào)經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器后得到逆變器輸出電流參考控制信號(hào)，然后根據(jù)電流參考信號(hào)和逆變器反饋電流的誤差經(jīng)過(guò)比例放大和三角波進(jìn)行交截可得到正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)，控制功率器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。由此可知，該方法中逆變器開(kāi)關(guān)器件的工作頻率等于三角波載波頻率，因此它的工作頻率是固定的。由于載波頻率固定，因此逆變器輸出諧波是固定的，濾波器設(shè)計(jì)相對(duì)于電流滯環(huán)瞬時(shí)控制方式控制簡(jiǎn)單，控制效果較好。

3)改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率控制方式

改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率電流控制方式的控制框圖如圖2-3所示。此方法保留了原來(lái)控制策略的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)電流的跟蹤誤差顯著減小。通過(guò)調(diào)整電源電壓的比例系數(shù)來(lái)減小直至消除電源電壓對(duì)電流跟蹤偏差的影響，從而顯著改善了逆變器中電流跟蹤控制的性能。

圖2-3　改進(jìn)型固定開(kāi)關(guān)頻率控制示意圖

2.4系統(tǒng)的總體方案

經(jīng)過(guò)方案的比較論證，本論文決定采用無(wú)變壓器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，即前級(jí)的DC/DC變換器和后級(jí)的DC/AC逆變器，兩部分通過(guò)DClink連接。系統(tǒng)的控制部分由以FPGA為核心的控制單元完成，另外系統(tǒng)設(shè)計(jì)了輔助電源為控制電路提供電源。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。

圖2-4　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖2-6　系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3-1　Boost電路原理圖

由于Buck電路的輸入工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲(chǔ)能電容，光伏陣列的工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能工作在最佳工作狀態(tài)，加入了儲(chǔ)能電容后，Buck電路功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)光伏陣列對(duì)儲(chǔ)能電容充電，使太陽(yáng)能電池始終處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)調(diào)節(jié)Buck電路占空比才能有效跟蹤最大功率點(diǎn)，因此儲(chǔ)能電容對(duì)于利用Buck電路實(shí)現(xiàn)MPPT功能是必不可少的，然而在大負(fù)荷情況下，儲(chǔ)能電容始終處于大電流充放電的狀態(tài)，對(duì)其可靠工作不利，同時(shí)由于儲(chǔ)能電容通常為電解電容，增大了MPPT裝置的體積，使整個(gè)系統(tǒng)變得笨重。此外，后級(jí)DC/AC 電路為了能得到正常的輸入工作電壓，前級(jí)的輸出電壓不能太低，而光伏陣列的電壓隨著日照等因素變動(dòng)較大，其輸出電壓低時(shí)若通過(guò)Buck電路降壓，則逆變器無(wú)法工作，所以不采用Buck電路。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。光伏陣列輸出的額定直流電壓為10-20v之間，通過(guò)DC/AC變換器轉(zhuǎn)換為DClink的直流電。后級(jí)的DC/AC逆變器，采用逆變?nèi)珮?，作用是將DClink直流電轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。DClink的作用除了連接DC/DC變換器和DC/AC逆變器，還實(shí)現(xiàn)了功率的傳遞。

3　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

3.1前級(jí)電路的工作原理

1)電路原理圖

Boost電路的原理圖如圖3-1所示。Boost電路由開(kāi)關(guān)管Q1，二極管D，電感L，電容C組成。Boost電路的作用是將電壓UPV升壓到Udc。，其中UPV是光伏陣列的輸出電壓，Udc是Boost電路的輸出電壓。

2)工作過(guò)程

在每個(gè)斬波周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)管Ql導(dǎo)通、關(guān)斷各一次。開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，等效電路如圖3-2(a)所示，流過(guò)電感L的電流為，在電感未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在電感L中。此時(shí)，由于二極管陽(yáng)極接在電源負(fù)極，二極管關(guān)斷，電容C只能向電阻姓放電，提供電阻電流。當(dāng)二極管關(guān)斷時(shí)，其等效電路如圖3-2(b)所示，由于流過(guò)電感的電流不能突變，電感L兩端的電壓極性改變，此時(shí)，電源和電感串聯(lián)，向電容和電阻供電。簡(jiǎn)言之，開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管反偏，輸出級(jí)隔離，由輸入端向電感提供能量；開(kāi)關(guān)管Q1斷開(kāi)時(shí)，輸出級(jí)吸收來(lái)自電感和輸入端的能量。

根據(jù)上述分析，列出工作過(guò)程中的關(guān)系表達(dá)式如下：

3)工作原理

根據(jù)電感電流在周期開(kāi)始是否從零開(kāi)始，是否連續(xù)，可分為連續(xù)的工作狀態(tài)或不連續(xù)的工作態(tài)兩種模式。由于電路在斷續(xù)工作時(shí)，電感電流的不連續(xù)意味著光伏陣列輸出的電能在每個(gè)周期

圖3-2　Boos電路的工作過(guò)程

圖3-3　單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

內(nèi)都有一部分被浪費(fèi)了，而且紋波也會(huì)大些。因此一般把Boost電路設(shè)計(jì)為連續(xù)導(dǎo)通的工作狀態(tài)。

3.2后級(jí)電路的工作原理

1)電路原理圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變器采用單相全橋逆變器結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。

2)工作原鯉

如圖3-3所示是單相全橋并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖，其中US(t)是電網(wǎng)電壓，Udc是輸入的恒定的直流電壓，US(t)是逆變器的輸出電壓，iN(t)是從逆變器輸出到電網(wǎng)的電流。LN為交流輸出電感，Cdc為直流測(cè)支撐電容，即前級(jí)Boost 電路的輸出電容，T1-T4是主開(kāi)關(guān)管，D1-D4是其反并聯(lián)二極管。對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行適當(dāng)?shù)腜WM控制，就可以調(diào)節(jié)電流iN(t)為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓US(t)保持同相位。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求在并網(wǎng)逆變器的輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，波形為正弦波，輸出電流與網(wǎng)壓同頻同相，其控制策略與一般獨(dú)立的電壓型逆變器的控制策略有所不同，如圖3-3中，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件上都反并聯(lián)一個(gè)二極管，起著續(xù)流的作用。在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓jwLIN1，這樣，變換器的輸出電壓US的基波US1和電網(wǎng)電UN之間將產(chǎn)生一個(gè)位移量，通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)器件使變換器的輸出電壓US滿足上述的矢量關(guān)系，這樣在理論上可以實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。

本論文采用脈寬調(diào)制方式，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件T1-T4的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間， 實(shí)現(xiàn)能量從并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)傳遞，達(dá)到輸出功率因數(shù)為l的目的。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張曉霞，侯競(jìng)偉，殷攀攀等．太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2007，20(5)

摘要：我國(guó)早在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池，于1971年首次成功應(yīng)用于我國(guó)發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了2個(gè)重要時(shí)期，第一個(gè)是在20世紀(jì)80年代中期，引進(jìn)4條總計(jì)5MW的光伏電池生產(chǎn)線，光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。第二個(gè)發(fā)展時(shí)期是在新世紀(jì)初，國(guó)家發(fā)改委在2002年啟動(dòng)了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為20MW，極大的拉動(dòng)了我國(guó)光伏市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，不具備電能質(zhì)量控制功能。因此，研究具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有重要意義。

關(guān)鍵詞：光伏；發(fā)電；并網(wǎng)；原理

The working principle and system design of grid connected inverter of photovoltaic power generation system.

Wang Xintang

（Shandong Licun thermoelectric Co. Ltd.Shandong Zibo，256300)

Abstract：China began the study of solar cells in early twentieth Century 50,in 1971 for the first time successfully applied to China's launch of Dongfanghong satellite two.China's photovoltaic industry development has experienced 2 important periods,the first was in twentieth Century 80 in the mid-1990s, the introduction of 4 a total of 5MW photovoltaic cell production line,the photovoltaic industry initially formed.Second stages of development in the new century, the national development and Reform Commission launched the "send electricity to the village" project in 2002,the capacity of the project for photovoltaic system 20MW,has greatly boosted China's photovoltaic market demand.The domestic photovoltaic system is mainly used for power grid, do not have the power quality control function.Therefore,the research of grid connected photovoltaic system of power quality regulating function has important significance.

Keywords：photovoltaic power generation;grid;principle