陳煒煒，詹躍東

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

單相光伏并網逆變器研究

陳煒煒，詹躍東

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

以單相并網系統(tǒng)為研究對象，對光伏并網系統(tǒng)進行了全面的理論分析，選擇適合其特點的逆變主電路拓撲結構，全面分析全橋逆變電路的工作原理，給出主電路直流側和交流側濾波器的設計思想和設計過程，推導并提供了主體電路關鍵參數的計算公式，得出相關結論。

單相并網系統(tǒng);光伏并網系統(tǒng)；全橋逆變電路；設計

0 引言

能源影響著人類的生存和發(fā)展，與人類有著密切的關系，其中化石能源還是占據著主導地位。雖然化石燃料有著利用率高的特點，但是也存在著很多不可忽視的問題，比如化石燃料是有限的，并不是可再生的；化石燃料比如石油，天然氣在開采過程中都會造成環(huán)境污染等等。為了解決環(huán)境問題，能源有限性的問題，我們必須探索出一種清潔安全的可再生能源來替代目前的化石能源。目前光伏并網發(fā)電所利用的太陽能便是一種完全符合這些特點的可再生能源，受到了眾多科研人員的青睞。因此，為促進可持續(xù)發(fā)展，解決能源危機，開發(fā)利用發(fā)展太陽能勢在必行[1-4]。

現(xiàn)如今，新能源已經取代了化石能源成為了能源發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵詞，我國科研人員發(fā)現(xiàn)了大批的清潔能源，如太陽能，風能，潮汐能等等，并對這些可再生能源加之開發(fā)利用，以提高能源利用率。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)便是其中一種。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)并不是在其中加入成本過高，體積龐大的蓄電池以發(fā)電，而是使用了一張新型設備——并網逆變器，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網相連，以提高發(fā)電效率。并網逆變器在光伏并網系統(tǒng)中占據著關鍵的地位，是系統(tǒng)的核心，其運行性能直接影響光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠和高效率運行。從目前的照明系統(tǒng)及微波站供電系統(tǒng)可以看出，直流系統(tǒng)還是光伏發(fā)電系統(tǒng)的第一選擇，其原理是由太陽能電池發(fā)出電能，蓄電池吸收其電能進行充電，并對負載進行供電。直流光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然有著結構簡單，成本低廉的特點，但是因大多數民用電力是交流負載，并不能滿足標準化及兼容化，所以很難被人們所接受。為滿足市場需求，促進經濟發(fā)展，我們終將采用交流光伏發(fā)電系統(tǒng)以取代現(xiàn)行的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)[8]。

1 實驗方案

1.1 研究現(xiàn)狀

為滿足可再生能源回饋電網的要求，現(xiàn)如今，光伏發(fā)電并網系統(tǒng)依然是以逆變器為主導，采用正弦波脈寬調制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)逆變技術，首先將太陽能轉化成電能的形式，將電能調節(jié)成直流電壓，然后全橋逆變器將可再生能源回饋給交流電網。光伏發(fā)電并網系統(tǒng)其相應的組成結構如圖1所示。

依目前能源形勢來看，并網逆變器應具有兩個特點：一是無市電接入時獨立作為電壓源逆變；二是在并網時作為電流源工作。并網逆變器的工作模式比獨立逆變器更為復雜，其在運行時有電壓控制和電流控制兩種工作模式。在電壓控制模式下的工作原理是電感L和電容C構成濾波器，這種LC結構決定輸出的動態(tài)響應。而在電流控制模式下的工作原理與之不同，選用L或LCL的結構，結果電感元件影響到了輸出的動態(tài)響應。目前許多科研工作者發(fā)現(xiàn)，逆變器在無市電接入時獨立作為電壓源運行時，濾波器采用的是電感L和電容C結構所構成的LC結構；而逆變器在并網時作為電流源工作時，并未采用LC結構，而是直接通過L、LC或者LCL和電網相聯(lián)。LCL結構因有著更好的衰減性，在市場上還是處于領先地位，其在抑制電流諧波方面要優(yōu)于LC結構，因此在制作研究并網逆變器的時候，研究人員會選擇LCL結構作為濾波器，用以獲得較為純凈的進網電流，不過因系統(tǒng)階數的提高，我們不得不對系統(tǒng)的控制策略提出更高的要求。

1.2 總體方案

并網逆變器主要包含了信號采樣電路、DSP單元、硬件控制電路、逆變器驅動電路、輔助電源、L濾波電路、隔離變壓器等組成，組成框圖如圖2所示[9]。

圖1 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)組成結構圖Fig.1 Composition diagram of photovoltaic grid-connected power generation system

圖2 并網逆變器系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Grid diagram of grid-connected inverter system

其中硬件控制電路為該系統(tǒng)的重要組成部分，其采用硬件電路產生SPWM波來驅動IGBT，同時實現(xiàn)PID調節(jié)。DSP單元用來實現(xiàn)鎖相功能，其對電網電壓進行采樣輸出與電網電壓同步的正弦波送到硬件控制電路。采樣電路采用電壓電流霍爾傳感器來采集電網電壓和并網電流[10]。驅動電路主要是對硬件控制電路輸出信號加工后實現(xiàn)驅動IGBT，其中濾波電路采用單電感濾波。為了使逆變器能夠并網運行，我們應在電壓源電流控制下，采用控制逆變器的輸出電流跟蹤電網電壓的相位和頻率的方法，保持幅值能夠以正弦的形式輸出，以保證較高的并網功率因數，這種控制相位和頻率的方法不僅較其他方法相對簡單，而且用硬件電路實現(xiàn)控制速度響應快，DSP實現(xiàn)功能簡單易于實現(xiàn)。

2 組成原理及參數設計

2.1 系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結構及原理

對于逆變電路結構，我們采用的是單相全橋式逆變電路。其拓撲結構圖如圖 3所示，圖示 C1為直流側平波儲能電容，Us為整個逆變器的輸出電壓，L為濾波電感，T2為工頻隔離變壓器，其變比為1∶2，Unet為市電電網電壓。逆變器的輸出電路是由輸出電壓 Us，濾波電感 L和 T2（1∶2）工頻隔離變壓器組成，并與電網相接。選用單相輸出全橋式逆變電路作為逆變器的主體電路，選用Q1、Q2、Q3、Q4四只IGBT管作為功率開關元件，通過IGBT管的導通和截至狀態(tài)來控制電路輸出調制信號?，F(xiàn)實驗如下，將電路接上直流電源，然后先將功率開關元件Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，則可以根據電路圖可看出，電流的流動方向為電流先從直流電源正極輸出，經過IGBT管Q1、濾波電感L、變壓器T2的初級線圈、IGBT管Q4后，回到直流電源負極。然后，將功率開關原件 Q1、Q4由導通變?yōu)榻刂?，Q2、Q3由截止變?yōu)閷?，電流從直流電源正極輸出，經IGBT管 Q3、濾波電感L、變壓器 T2的初級線圈、IGBT管Q2后，再回到直流電源負極。兩種情況下，因兩種電流的出現(xiàn)，一個正負交變的方波在變壓器T2的初級線圈上形成。結合高頻SPWM控制方式，控制兩對IGBT管Q1和Q4，Q2和Q3交替重復進行導通截止，兩對 IGBT管開關動作必須相反，此時輸出等效交流電壓，交流電壓在經過濾波電感L的作用時，在輸出端形成了正弦波交流信號。我們還可以在逆變橋各臂上并聯(lián)反饋二極管，以用來給交流側向直流側反饋無功能量提供通道[11]。逆變器的原理是依靠其特性將直流電轉變?yōu)榻涣麟?，實現(xiàn)DC/AC轉換。逆變器將頻率不穩(wěn)定的直流電轉變?yōu)轭l率穩(wěn)定，波形畸變度滿足設計要求的交流電，達到了相位頻率緊跟電網，以高功率因數回饋電網的目的。

圖3 系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結構圖Fig.3 System inverter main body circuit topology

在單相并網逆變系統(tǒng)研究中，我們選用的是雙極性SPWM調制方式，雙極性SPWM調制方式屬于正弦波脈寬調制SPWM，SPWM這種調制方式與其他調制方式相比，算法簡單，易于控制輸出，使得系統(tǒng)功能實現(xiàn)。SPWM調制方式中另一中調制方式為單極性調制。單極性調制開關損耗低，產生電磁干擾小，但是控制方式復雜，穩(wěn)定性較差；而雙極型調制雖然開關損耗相對較高，但是其控制方式相對簡易，輸出諧波易于控制，穩(wěn)定性較好等。綜合以上單極性調制與雙極性調制的對比來看，雙極性SPWM更適合本單相并網逆變系統(tǒng)研究，因此采用雙極性SPWM調制方式，雙極性SPWM波調制波形如圖4所示。

2.2 主體電路參數設計

從系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結構圖，經過電路分析簡化拓撲結構圖，得出了對應的并網逆變系統(tǒng)的工作示意圖，如圖5所示。其中Ud為直流側輸入電壓，Us為逆變器的輸出經變壓器變比升壓后的電壓，L為濾波電感，Unet為市電電網電壓，ic為并網電流。

此時再根據圖5所示的工作示意圖，得出了并網逆變器的有關的兩個圖，圖6為交流輸出側的等效電路圖，圖7為逆變輸出的矢量和相位關系圖，如圖6和圖7所示?？梢詮倪@兩個圖中看出了各重要物理量之間的數學關系，以便于數學分析及參數設計。

圖4 雙極性SPWM波調制波形Fig.4 Bipolar SPWM wave modulation waveform

圖5 并網逆變器的工作示意圖Fig.5 Grid diagram of the operation of the inverter

圖6 并網逆變器交流側的等效電路圖Fig.6 The equivalent circuit diagram of the AC side of the grid-connected inverter

圖7 并網逆變輸出矢量關系圖Fig.7 Grid-connected inverter output vector diagram

2.2.1 直流側輸入電壓的Ud選擇

根據圖3所示系統(tǒng)逆變主體電路拓撲結構圖，并結合電路分析可以知道，在并網逆變系統(tǒng)中，該電路運行可以看作為一個能量雙向流動轉換，該裝置不僅是一個降壓變換器，也可以看作是一個升壓變換器，取決于電流從直流側流向交流側或是從交流側流向直流側，如果是前者，則它就成了一個降壓變壓器，相反，它是一個升壓變換器。正是因為這個原因，我們可以論斷，為使系統(tǒng)能夠正常運行且不會發(fā)生故障，必須將交流側的峰值電壓小于并網系統(tǒng)直流側的電壓。綜合以上觀點，并結合工頻隔離變壓器和開關管 IGBT的性能，選取直流側輸入電壓Ud的范圍為200～400 V[12]。

2.2.2 直流側電容C的選擇

通常我們選擇大容量的電解電容器，使得交流側電感在開關過程中的瞬時能量交換和平穩(wěn)直流側輸入電壓能夠得到緩沖，不會造成電路出現(xiàn)短路或設備燒壞。根據并網逆變器工作示意圖結合數學分析，設直流側輸入開路電壓為dU ，直流側濾波電容的耐壓通常應留有1.2倍裕量即：

電容值的選擇應以直流母線電壓的波動限幅為依據，考慮極端情況，在功率開關元件 IGBT導通的時間段內并網電流值完全由電容放電提供，且該時刻并網電流的大小為其峰值，電容C上的電壓和電流的關系滿足：

其中ci為并網電流有效值，tΔ為開關管導通時間。當要求直流輸入電壓脈動的幅值小于3%時，電路中平波的選擇應按如下方程：

將式（3）代入式（2），可得：

并網功率調節(jié)系統(tǒng)輸出的額定電流為 ic=P/U=1000 VA/110 V≈10 A，直流側最小輸入工作電壓= 200 V，開關管IGBT導通頻率為f=12 kHz，綜合各元件參數考慮，直流側電容C的理論值應大于300 μF，結合本設計拓撲圖，工作原理圖及所要達到的實驗效果，將直流側電容C選取400 V、800 μF的電解電容[9]。

3 結論

光伏并網發(fā)電系統(tǒng)通過把太陽能直接轉化為電能，通過轉換電路，把電能送上電網，實際上它是一個有源逆變系統(tǒng)，但它和普通的逆變器又有很大的區(qū)別。通過對單項光伏并網逆變器的研究，我們得出如下結論。

（1）闡述了現(xiàn)如今化石燃料趨于耗盡，污染嚴重，需探索出清潔安全的可再生能源取代化石能源，且對可再生能源需進行開發(fā)利用。結合光伏并網逆變器的研究現(xiàn)狀及創(chuàng)新點，分析了逆變系統(tǒng)的主要工作原理，經過數學分析和電路分析，得出并網逆變器的工作原理圖及數學關系圖，并與直流側和交流側濾波器的設計依據相結合，對系統(tǒng)主體電路的關鍵參數進行推導，得出相關計算公式，并選取了適合的元件參數。

（2）根據光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的特性，其輸出的正弦電流信號應與電網電壓同頻同相，但在實際的系統(tǒng)運行過程中，光伏電池受到多重因素的影響，輸出的直流電壓穩(wěn)定性，抗干擾性均很差，幅值頻率均易出現(xiàn)波動，經DC/AC轉化后，轉化后的交流電流幅值也并不是絕對的穩(wěn)定，受外界因素影響也會出現(xiàn)上下波動的趨勢，且會出現(xiàn)波形畸變。這就需要根據現(xiàn)有的科學技術，外界的干擾因素，并結合硬件結構及參數選取等等，對并網逆變器的結構進行優(yōu)化，盡量減少波形畸變的現(xiàn)象發(fā)生，使得頻率和幅值均趨于穩(wěn)定。

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Research on Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter

CHEN Wei-wei, ZHAN Yue-dong
(Faculty of information engineering and automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The single-phase grid-connected system is used as the research object, and the theoretical analysis of the PV grid-connected system is carried out. The topology of the inverter main circuit is selected, and the working principle of the full-bridge inverter circuit is analyzed comprehensively. Side and AC side of the filter design ideas and design process, derivation and provide the main circuit of the key parameters of the formula, draw the relevant conclusions.

Single-phase grid-connected system; Photovoltaic grid connection system; Full bridge inverter circuit; Design

TM464

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.038

本文著錄格式：陳煒煒，詹躍東. 單相光伏并網逆變器研究[J]. 軟件，2017，38（12）：197-201

陳煒煒(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術，分布式電源接入技術研究。

詹躍東(1963-)，男，教授，研究方向：電力電子技術，分布式電源接入技術研究。