基于微網(wǎng)理念的光伏變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王明才，黃 梅

（北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電的有效利用方式之一。目前并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)外部主電網(wǎng)故障或檢修時(shí)，需要防止孤島效應(yīng)產(chǎn)生，常用措施是切除并網(wǎng)系統(tǒng)，停止其發(fā)電，但會(huì)造成一定的浪費(fèi)。隨著生活水平的提高，人們對(duì)供電穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源組成的系統(tǒng)，其內(nèi)部電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，并提供必要控制。微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面要求，并且微電網(wǎng)能與外部電網(wǎng)脫離，獨(dú)立運(yùn)行[1-2]。

本文結(jié)合微電網(wǎng)理念，設(shè)計(jì)一個(gè)光伏變流器，構(gòu)建一個(gè)小型系統(tǒng)。當(dāng)外部電網(wǎng)正常時(shí)，變流器工作于并網(wǎng)模式；當(dāng)外部電網(wǎng)故障時(shí)，該系統(tǒng)和外部電網(wǎng)脫離，變流器工作于離網(wǎng)模式，并結(jié)合蓄電池繼續(xù)對(duì)重要負(fù)載供電。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由太陽能光伏池板陣列、蓄電池組及其管理系統(tǒng)、光伏變流器、電能計(jì)量單元以及重要負(fù)載5部分組成。

光伏池板經(jīng)過串并聯(lián)后形成25 kWp，開路電壓為500 V的太陽能電池陣列。蓄電池選用50 kW·h鋰電池，并且?guī)в须姵毓芾硐到y(tǒng)。逆變器是整個(gè)系統(tǒng)核心和主控單元，設(shè)計(jì)額定輸出功率為25 kW。電能計(jì)量單元能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電網(wǎng)和系統(tǒng)之間的功率流向以及接口處電壓相位和頻率，為并網(wǎng)離網(wǎng)切換提供信息依據(jù)。

光伏變流器主電路拓?fù)渲饕?部分，前級(jí)為2個(gè)并聯(lián)在直流母線上的雙向DC-DC電路，后級(jí)為三相全橋DC-AC逆變電路。兩級(jí)之間通過大電容解耦。雙向DC-DC電路作用主要有維持中間電壓穩(wěn)定，另外光伏池板側(cè)的DC-DC電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏池板的最大功率跟蹤功能，蓄電池側(cè)的DC-DC電路同時(shí)能實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電功能[3]。

變流器三相逆變輸出通過LC濾波，經(jīng)過三相工頻隔離變壓器并網(wǎng)。重要負(fù)載接在變壓器輸出側(cè)，通過一個(gè)交流繼電器和電網(wǎng)相連。變流器系統(tǒng)通過隔離RS485方式與電能計(jì)量單元通信，獲取網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)功率信息；通過隔離CAN總線方式與鋰電池管理系統(tǒng)通信，獲取蓄電池狀態(tài)信息。

1.2 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)工作模式有并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式。當(dāng)外部電網(wǎng)正常時(shí)，變流器工作于并網(wǎng)模式[4]。光伏池板側(cè)DC-DC電路升壓工作，維持中間直流母線電壓710 V，同時(shí)采用擾動(dòng)觀察法，對(duì)光伏池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，使池板工作發(fā)揮最大效率[5]。蓄電池側(cè)DC-DC電路，結(jié)合蓄電池管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，單相降壓工作，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，直到達(dá)到其設(shè)定的上限電壓Uh。DC-AC部分工作于電壓型逆變器模式，實(shí)時(shí)跟蹤外部電壓幅值和相位，逆變輸出電能供給重要負(fù)載和電網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

當(dāng)外部電網(wǎng)異常時(shí)，變流器工作于離網(wǎng)模式。光伏池板側(cè)DC-DC電路依舊升壓工作，但此時(shí)蓄電池側(cè)DC-DC電路根據(jù)重要負(fù)載大小，選擇給蓄電池充電或是使蓄電池放電工作，維持中間母線電壓穩(wěn)定。DC-AC部分工作于離網(wǎng)逆變模式，維持輸出相電壓220 V/50 Hz。鋰電池側(cè)DC-DC電路控制充分結(jié)合鋰電池管理系統(tǒng)，其控制流程如圖2所示。

圖2 蓄電池側(cè)雙向DC-DC控制邏輯Fig.2 Control logic of bi-directional DC-DC battery side

2 主電路器件選型

2.1 IGBT

功率器件直流側(cè)輸入最大電流為100 A，交流輸出按額定功率考慮，器件輸出相電流有效值為：

交流輸出2倍過載時(shí)電流為76 A。

系統(tǒng)所用開關(guān)管均選 EUPEC FF200R12KE3G，200 A，1200 V。

2.2 中間支撐電容

首先，對(duì)于700 V的直流電壓，中間直流濾波電容電壓值設(shè)計(jì)為900 V。其次，考慮到中間直流電容要能承受PWM整流器直流側(cè)工作時(shí)所帶來的紋波電流Irms。對(duì)于采用SVPWM算法的PWM整流器，其直流側(cè)紋波電流有效值約為相電流有效值的55%。穩(wěn)態(tài)時(shí)，紋波電壓Urms可以取額定值的2%，電容值應(yīng)滿足下述關(guān)系：

式中，Irms為流過電容的紋波電流；Ia為A相電流有效值；Urms為電容上的紋波電壓；fs2為PWM整流器開關(guān)管開關(guān)頻率。

按照額定輸出功率25 kW設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)Udc=700 V，Ia=38 A，fs2=6 kHz，帶入公式（2）得到 C≥40 μF。

考慮PWM整流器工作時(shí)，電容在開關(guān)管導(dǎo)通期間放電，輸出能量，在開關(guān)管關(guān)斷期間充電，儲(chǔ)存能量。電容上電壓按照開關(guān)周期振蕩。所以，電容設(shè)計(jì)應(yīng)滿足能量傳輸?shù)囊?，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電容上儲(chǔ)存的能量的變化等于一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)傳輸?shù)哪芰俊?/p>

式中，P0為額定輸出功率。

按照額定輸出功率25 kW設(shè)計(jì)，將Udc=700 V，ε=1%，P0=25 kW，fs2=6 kHz帶入式（2），得到 C≥854 μF。 為加強(qiáng)各個(gè)環(huán)節(jié)的解耦，降低控制難度，這里選擇900 V/2000 μF的電容。

2.3 直流升壓電感

直流輸入電壓范圍250～600 V，最大工作電流為100 A，工作頻率為10 kHz。當(dāng)輸入電壓為350 V時(shí)，電流波形最差，設(shè)此時(shí)電流峰峰值為15 A（滿功率電流15%），則有：

得知：L≥1.16 mH。選用兩個(gè)600 μH/100 A電感串聯(lián)，該系統(tǒng)總共用4個(gè)。

提供15 A峰峰值電流對(duì)于太陽能電池陣列來說，影響較大，需在輸入側(cè)加濾波電容。對(duì)蓄電池電壓影響很小，但是考慮電磁兼容問題，也要在輸入側(cè)加上濾波電容。對(duì)在輸入電壓為350 V時(shí)，要求輸入開關(guān)周期內(nèi)電壓跌落不超過2%，則：

可得：C=700 μF

因此選用1000 μF/900 V的薄膜電容。

3 變流器控制電路設(shè)計(jì)

變流器控制電路是基于TMS320F2812型DSP設(shè)計(jì)的，由DSP、控制底板、電壓采集板和驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成?？刂频装逄幚黼妷翰杉搴蛡鞲衅鬏敵龅碾娏餍盘?hào)，并傳輸給DSP，DSP對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。一方面按SVPWM算法計(jì)算控制脈沖，將脈沖通過驅(qū)動(dòng)板提供給IGBT，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的并網(wǎng)或者離網(wǎng)工作；另一方面進(jìn)行MPPT控制，使太陽能池板始終工作在最大功率點(diǎn)處。驅(qū)動(dòng)板可以反饋IGBT故障信號(hào)，從而進(jìn)行故障保護(hù)，使系統(tǒng)可以安全可靠的運(yùn)行[6-7]。

圖3 控制電路框圖Fig.3 Block diagram of control circuit

3.1 光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤——擾動(dòng)觀察法

在光照相對(duì)穩(wěn)定的條件下，提供高性能追蹤MPPT算法有很多不同的方法，經(jīng)常使用的是擾動(dòng)觀察法，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，幾乎適應(yīng)任何的光伏發(fā)電系統(tǒng)配置，并在穩(wěn)態(tài)下具有良好表現(xiàn)。擾動(dòng)觀察法基本思想：引入一個(gè)小擾動(dòng)H，然后與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整光伏電池板的工作點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集光伏電池的輸出電壓和電流，并計(jì)算出此時(shí)的功率值，而后與上一時(shí)刻的功率值進(jìn)行比較，從而相應(yīng)調(diào)整光伏電壓的變化方向，使其向著最大功率點(diǎn)的方向移動(dòng)，以達(dá)到逼近最大功率點(diǎn)的目的。

3.2 SVPWM控制算法實(shí)現(xiàn)

逆變器采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）技術(shù)。SVPWM是具有較高直流電壓利用率，諧波電流含量少的優(yōu)化算法，在現(xiàn)代變流器控制領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 并網(wǎng)工作模式

并網(wǎng)工作模式變流器跟蹤電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)同頻同向正常并網(wǎng)。圖4實(shí)際并網(wǎng)時(shí)A相輸出電流與電壓波形。圖4中波形較好的為A相電壓波形，另一個(gè)為A相電流波形。從圖中可以看出，電流波形有一定畸變，并不理想，但是輸出電流能基本保證與電網(wǎng)電壓同頻同向且功率因素為1。

4.2 離網(wǎng)工作模式

系統(tǒng)離網(wǎng)模式工作時(shí)，輸出相電壓為220 V/50 Hz。系統(tǒng)正常工作，且波形良好。

圖4 并網(wǎng)電壓電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms in grid-connected mode

圖5為離網(wǎng)工作時(shí)A相電壓和電流波形。圖6為離網(wǎng)工作時(shí)A相和B相電流波形。從圖6可以看出，由于模擬的三相重要負(fù)載不平衡，A相和B相電流大小有些不同。

圖5 離網(wǎng)時(shí)A相電壓電流波形Fig.5 A-phase's voltage and current waveforms in off-grid mode

圖6 離網(wǎng)時(shí)A相和B相電流波形Fig.6 Current waveforms of A-phase and B-phase in off-grid mode

5 結(jié)束語

介紹了一種基于微網(wǎng)理念的光伏變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，進(jìn)行了主電路器件選型。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)顯示其能完成基本的設(shè)計(jì)功能，能正常工作于并網(wǎng)和離網(wǎng)模式，只是并網(wǎng)時(shí)電流諧波偏大，在電流跟蹤的控制算法上仍需做更進(jìn)一步的改進(jìn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了普通并網(wǎng)系統(tǒng)在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象時(shí)必須停機(jī)的不足，同時(shí)能加強(qiáng)對(duì)重要負(fù)載供電的可靠性。該系統(tǒng)對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣和微網(wǎng)的研究都有一定的價(jià)值。該系統(tǒng)還可以繼續(xù)加入其他分布式電源，比如小型風(fēng)電機(jī)組、小型燃?xì)廨啓C(jī)等組成多電源更為復(fù)雜的微網(wǎng)系統(tǒng)，有利于分布式發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，對(duì)于提高電網(wǎng)的可靠性也有一定作用。

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