陳卓，李宗原，韓聰

（許昌開普檢測研究院股份有限公司，許昌 461000）

引言

傳統(tǒng)能源隨著使用正在逐漸減少，對可再生能源的開發(fā)利用勢在必行，其中代表性的可再生能源即為太陽能，其作為無污染的綠色潔凈能源，被越來越廣泛的應(yīng)用于可再生能源開發(fā)中[1]。新型太陽能光伏發(fā)電從根本上解決了世界上逐漸減少的能源需求，被眾多學(xué)者研究而逐漸運(yùn)用[2]。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電是眾多學(xué)者探討的主要方向之一，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件即為并網(wǎng)逆變器，為避免電流諧波向電網(wǎng)內(nèi)流入，需通過濾波器與電網(wǎng)連接，那么提升進(jìn)入電網(wǎng)的電流質(zhì)量便成為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題[3]。

逆變器開關(guān)頻率及其整數(shù)倍的頻率位置為并網(wǎng)電流高次諧波的關(guān)鍵聚集之處[4,5]。LLCL濾波器屬于一種新型的濾波裝置，其之所以較傳統(tǒng)濾波器有更優(yōu)越的濾波效果，原因在于其將一個小電感值的電感串聯(lián)于傳統(tǒng)LCL濾波器的電容支路上，能夠與電容共同形成一個串聯(lián)諧振電路，且于開關(guān)頻率位置設(shè)置串聯(lián)諧振頻率，能夠更大的衰弱開關(guān)頻率位置的電流諧波，提升向電網(wǎng)輸送電流的質(zhì)量[6]。基于此本文針對新型太陽能單相光伏逆變器進(jìn)行研究與分析，為提高輸送到電網(wǎng)電流的穩(wěn)定與質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 新型太陽能單相光伏逆變器性能分析

1.1 太陽能光伏發(fā)電的構(gòu)成

通過光伏組件半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換太陽光輻射為電能的整個過程即為太陽能光伏發(fā)電[7]。其構(gòu)成為：太陽能光伏電池陣列、蓄電池組、直流/交流逆變器與交直流負(fù)載等，優(yōu)點(diǎn)為無噪音、無污染且便于維護(hù)等。太陽能光伏發(fā)電構(gòu)成圖如圖1所示。

太陽能光伏發(fā)電的關(guān)鍵是太陽能光伏電池，當(dāng)下太陽能光伏電池的類型主要有三種，分別為：單晶硅、多晶硅及非晶硅，其中光電轉(zhuǎn)換效率最高且最耐用的即為單晶硅[8-10]，所以在此采用單晶硅太陽能光伏電池設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)。此電池板的短路電流與開路電壓分別為2.8 A、11 V。

圖1 太陽能光伏發(fā)電構(gòu)成圖

1.2 單相并網(wǎng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略

1.2.1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由單晶硅太陽能光伏電池、逆變器、Boost DC/DC電路、操控電路共同構(gòu)成單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)[11]。為調(diào)整太陽能光伏電池陣列的輸出電壓，需由前級Boost電路對占空比進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)，達(dá)到追蹤最大功率點(diǎn)電壓的目的；太陽能光伏電池最大功率的并網(wǎng)傳輸通過后級逆變電路完成。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，由太陽能光伏電池陣列PV、LLCL濾波器、DC/AC逆變器、DC/DC變換器與電路對應(yīng)的操控單元共同構(gòu)成主電路。在Boost DC/DC電路內(nèi)采用最高功率點(diǎn)追蹤控制方法對開關(guān)管的占空比進(jìn)行操控，并對太陽能光伏電池在輸出最高功率時的電池端電壓eh進(jìn)行追蹤，將作為DC/AC并網(wǎng)逆變操控內(nèi)逆變器操控的瞬間參考電流，且的峰值為太陽能光伏電池最高功率追蹤輸出時的直流電流Lmax，相位與頻率是電網(wǎng)電壓的相位與頻率。因而此控制方法不僅可以令并網(wǎng)逆變器追蹤電網(wǎng)的相位和頻率，而且可及時輸送最高功率到電網(wǎng)，完成最高功率點(diǎn)的追蹤；除此之外，另將電網(wǎng)電壓前饋控制與濾波電容電流內(nèi)環(huán)操控理念加入，提升整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)固性[12]。以往的逆變器輸出電流內(nèi)的諧波分量大多采用LCL濾波器進(jìn)行衰弱，這種濾波器的缺陷是當(dāng)并網(wǎng)逆變器功率較高時，開關(guān)的頻率較低，使用此濾波器所需電感量較高，電感量值的提高對逆變器的操控不利且會造成成本的增長[13,14]。因此本文選用LLCL型濾波器用于并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)之中，不僅能夠?qū)⒉⒕W(wǎng)電流內(nèi)的諧波分量降低，且可以減少電感設(shè)計(jì)。

1.2.2 控制策略

太陽能光伏電池運(yùn)行時最高功率的變換電壓以Hqw表示，設(shè)其為逆變器前端DC/DC的輸出電壓，并將逆變器設(shè)為一個Gpwm電壓增益的變換器，基于此可將圖2內(nèi)的并網(wǎng)逆變器和LLCL濾波器模型進(jìn)行簡化成圖3所示的電路結(jié)構(gòu)圖。

由LLCL濾波器將一個小電感串聯(lián)到以往的LCL濾波器電容支路內(nèi)，與電容共同構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，其串聯(lián)諧振頻率表達(dá)式為：

通過圖3能夠?qū)LCL濾波器的等效模型得出，見圖4，并將系統(tǒng)開環(huán)的傳遞函數(shù)得出，其式為：

由于諧振尖峰的缺陷在使用LLCL濾波器的系統(tǒng)內(nèi)依然存在，并且其增益高于0 dB，因此為令系統(tǒng)更加穩(wěn)定，應(yīng)對諧振尖峰給予控制。對LLCL濾波器的控制可采用LCL諧振的有源或者無源阻尼的控制方式。在此選用串聯(lián)諧振電路電流內(nèi)環(huán)與網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)的雙電流閉環(huán)有源阻尼方法，且將電網(wǎng)電壓的前饋控制方式加入，降低并網(wǎng)電流因電網(wǎng)電壓干擾或畸變帶來的擾動[15]。前饋控制原理圖見圖5。

其中，Lref、Lkfjb分別表示給定的參考電流信號與逆變器實(shí)際輸出的并網(wǎng)電流，網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)調(diào)節(jié)器、串聯(lián)諧振電路電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)器分別表示為Kx、G，并網(wǎng)逆變器實(shí)際輸出電流的傳遞函數(shù)可依據(jù)圖5得出，即為：

式中，并網(wǎng)輸出電流和參考電流存在直接相關(guān)性，通過以上前饋控制可消除電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的干擾。

圖3 LLCL濾波的單相光伏并網(wǎng)逆變器

圖4 LLCL濾波器等效模型

圖5 電網(wǎng)電壓前饋控制原理圖

1.3 網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)PI控制

以電流內(nèi)環(huán)為控制對象的網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制模型見圖6所示。

表達(dá)式為：

將外環(huán)控制看作二階系統(tǒng)，那么其式為：

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對應(yīng)用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，可驗(yàn)證新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)采用Matlab/Simulink建立新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表1。

圖6 網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制模型

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.1 動態(tài)性能

對實(shí)驗(yàn)新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中采用的本文所研究的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)過程中并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的變化情況，具體變化情況見圖7。

通過圖7可看出，在并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果中，電網(wǎng)電壓在0.15 s時突然出現(xiàn)下降趨勢，并網(wǎng)電流幅值在0.09 s時下降一半，并網(wǎng)電流可及時追蹤參考電流，且抗電網(wǎng)電壓干擾性能較好，說明采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具備較好的動態(tài)性能。

圖7 并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果

2.2 濾波性能對比

在仿真實(shí)驗(yàn)中對電網(wǎng)電壓所存在的諧波次數(shù)進(jìn)行模擬，分別為2、4、6、8、10次諧波。對新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中所使用的LLCL濾波器與傳統(tǒng)LCL濾波器進(jìn)行對比，通過對二種濾波器濾波時的并網(wǎng)電流分別進(jìn)行傅里葉分析，得出對比結(jié)果。見圖8。

通過分析圖8可得出，在電網(wǎng)電壓存在較大的2、4、6、8、10次諧波時，傳統(tǒng)的LCL濾波器濾波時在開關(guān)頻率周圍聚集大量并網(wǎng)電流的高次諧波，且其并網(wǎng)電流的諧波總畸變率（THD）為0.55 %；而采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的LLCL濾波器極大的衰弱了開關(guān)頻率周圍的并網(wǎng)電流諧波，且其THD值為0.38 %，低于LCL濾波器的THD值，由此說明，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的LLCL濾波器性能更優(yōu)越。

圖8 不同濾波情況下并網(wǎng)電流傅里葉分析

2.3 應(yīng)用性能對比

在此設(shè)定四種光照強(qiáng)度，依次為：0～0.1 s時光照強(qiáng)度是900 W/m2、0.1～0.2 s時光照強(qiáng)度是100 W/m2、0.2～0.3 s時光照強(qiáng)度是700 W/m2、0.3～0.4 s時光照強(qiáng)度是200 W/m2，將四種光照強(qiáng)度分別作用到采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)光伏電池與單相光伏離網(wǎng)型系統(tǒng)內(nèi)的光伏電池上，對比兩種系統(tǒng)在不同光照強(qiáng)度下，輸出電流的變化情況，驗(yàn)證采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用性能，結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸出電流對比

通過分析圖9能夠得出，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電流與入射光強(qiáng)度成正比，既能夠及時追蹤系統(tǒng)內(nèi)光伏電池的最高功率，又能夠令輸出的并網(wǎng)電流更加穩(wěn)定，說明所研究逆變器提高了新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，所研究逆變器的應(yīng)用性能較好。

3 結(jié)論

本文建立新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對其核心位置的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，將LLCL濾波器用于逆變器中，可將諧波聚集較多的開關(guān)頻率位置的并網(wǎng)電流高次諧波衰弱，提升電流的質(zhì)量，采用電網(wǎng)電壓前饋控制提升系統(tǒng)的抗干擾能性能，結(jié)合網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)PI控制對電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好且輸出電流的質(zhì)量較高，由此說明本文新型太陽能單相光伏逆變器具備優(yōu)越的應(yīng)用性能。