新型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)潆娐放c控制策略解析

南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司 江 晨

為了能有效實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)、把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，一定要處理好兩個基本環(huán)節(jié)：一是光伏陣列與DC-DC 變換器，其宗旨在于獲得更多的太陽能，進(jìn)而使光伏陣列處于最佳的工作狀態(tài)，達(dá)到最大功率點(diǎn)追蹤MPPT 并提升輸出的直流電壓值；二是DC-AC 變換器，其運(yùn)行目的是把光伏陣列生成的直流電轉(zhuǎn)變成大多數(shù)負(fù)荷所需的交流電，其輸出電流相位和電網(wǎng)電壓等同，幅值在電網(wǎng)電流之上，且具有更高的單位功率因數(shù)。由此可見DC-AC、DC-DC 變換器均有各自的控制目標(biāo)和方法，兩部分的耦合不夠緊密，故建議分開設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的控制過程。

1 雙Boost DC-AC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1是雙Boost DC-AC 變換器的基本電路拓?fù)鋄1]。兩組結(jié)構(gòu)等同且對稱分布，輸入端實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，不僅有原Boost 變換器提升電壓的屬性，采用以上組合方式后也生成一種新功能，即調(diào)整占空比后負(fù)載上獲得的正弦交流波瞬時檢測值明顯高于直流輸入電壓。

圖1 變換器的基本拓?fù)?/p>

因兩組Boost 電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了絕對對稱，應(yīng)用的開關(guān)管IGBT S1-S4不管是材料還是性能參數(shù)均完全相同，左、右兩組Boost 變換器直流偏置也無差異，唯一的不同是，若左側(cè)開關(guān)管S1、S2驅(qū)動電壓呈正弦規(guī)律改變且受到初相位0°正弦波參考量的調(diào)節(jié)控制時，要求右側(cè)的單組開關(guān)管S3、S4驅(qū)動電壓的正弦波參考量和前者的相位差一定是180°，反之也如此。不論是電容C1還是C2，其輸出電壓均伴隨各自的參考電壓值改變而變化。在本電路內(nèi)，因電感L1、L2內(nèi)電流不會發(fā)生突變，故而選擇L1—L2作為續(xù)流支路，供電負(fù)載用R 表示[2]。

1.2 工作過程

電路實(shí)際運(yùn)行時會存在“死區(qū)”時間，并且感應(yīng)電流應(yīng)是連貫的。假定流入直流電源的電感電流iL1是正、流出直流電源的電流iL2是負(fù)。在直流穩(wěn)壓穩(wěn)定的狀況下，可依照真實(shí)的開關(guān)管驅(qū)動波形細(xì)分成不同時段開展分析，圖2（a）是開關(guān)管觸發(fā)脈沖[3]。

圖2 變換器觸發(fā)脈沖和等效電路

[t0～t1]時段。S2、S3導(dǎo)通，基于假定的電感電流方向，iL1、iL2分別由D1、D4轉(zhuǎn)移到S2、S3，等效電路圖是圖2（b）；[t1～t2]時段（死區(qū)）。因電感電流方向不會突變，故而在關(guān)斷S2、S3時，iL1、iL2分別轉(zhuǎn)移到D1、D4續(xù)流；[t2～t3]時段。iL1、iL2依然分別通過D1、D4流動，此時盡管Vg4、Vg1是高電平，但其所調(diào)控的兩個開關(guān)管無法即刻導(dǎo)通。等效電路見圖2（c）；[t3～t4]時段。iL1、iL2分別通過D1、D4實(shí)現(xiàn)續(xù)流，圖2（c）是其等效電路；t3后又重復(fù)進(jìn)行以上工作過程，只有當(dāng)iL1、iL2電流方向出現(xiàn)變化后，S1、S4方能在開關(guān)信號作用下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通與關(guān)斷動作，在這樣的情境下S2、S3始終能維持關(guān)斷狀態(tài)，iL1、iL2電流從D2、D3轉(zhuǎn)移至S4、S1，圖2（c）是其等效電路。

觀察圖1，發(fā)現(xiàn)跨接于u1與u2兩端的負(fù)載直流偏置互為抵除，交流分量正弦波互差180°進(jìn)而相減疊加，可按照下式計(jì)算逆變器的負(fù)載端電壓u0[4]：

綜合如上分析，盡管負(fù)載的任一端均出現(xiàn)單個直流偏置電壓，但兩側(cè)偏置數(shù)值等同，兩端電壓分別是正負(fù)交變的正弦波電壓，計(jì)算差值，其直流電壓是零，交流分量幅值明顯增加，為單側(cè)的二倍。通過分析以上公式，雙Boost DC-AC 變換器的輸出電壓有正負(fù)交變的特點(diǎn)，故而逆變器左右兩部分的電流能實(shí)現(xiàn)雙向流通。

1.3 電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

電感L1、L2：結(jié)合電路工作過程分析，逆變電路內(nèi)電感L1、L2作用不僅是存儲能量，還可作為輸出濾波電感，故而設(shè)計(jì)時應(yīng)著重考慮如上兩個因素。結(jié)合既往研究所得結(jié)論，在Boost 電路內(nèi)，當(dāng)將開關(guān)管占空比d 調(diào)控在0～0.845范圍時，假定L1=L2=L，可結(jié)合以下公式選擇L：，式中，Udc是直流側(cè)電壓，對于光伏陣列假定該值是75V；η 是電流的紋波，取值25%；負(fù)載輸出功率PRL為4kW；開關(guān)管頻率fs 是5kHz；Ts=1/fs，為200μs，代入上式計(jì)算取L=0.18mH。

電容C1、C2：可按照輸出濾波器的原則設(shè)計(jì)。結(jié)合既往研究所得結(jié)論，針對電容和電感所組成的低通濾波器，大于其諧振頻率的高次諧波將會按照40dB/十倍頻進(jìn)行衰減，C1=C2=C，按照如下公式選擇電容[5]：C=1/L(2πfN×15)2，fN為基波頻率、對應(yīng)值是50Hz，最后求出C ≈7.5μF。

2 最大功率跟蹤技術(shù)

2.1 跟蹤原理

分析光伏陣列電流電壓及功率電壓各自的變化規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)I-U、P-U 形成了非線性關(guān)系，伴隨著日照與環(huán)境溫度等客觀因素的改變，最大功率點(diǎn)會出現(xiàn)一定變化。在日照時段中系統(tǒng)始終會存在輸出功率最大點(diǎn)，為獲得最高的功率輸出，一定要確保光伏陣列與負(fù)載之間的高匹配度。追蹤控制最大功率的宗旨[6]：結(jié)合地勢特征、光照強(qiáng)度、氣溫，采用適宜的控制方法，將光伏陣列的效率充分發(fā)揮出來。伴隨日照強(qiáng)度、氣溫的改變光伏陣列會出現(xiàn)一定改變，其輸出功率也動態(tài)改變，故一定要實(shí)時追蹤系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)，有針對性整頓作業(yè)條件，使負(fù)載獲得最大輸出功率。

2.2 常用的跟蹤方法

恒定電壓跟蹤。若太陽能電池板電壓在設(shè)備出廠時的理想范圍運(yùn)作，那么此時電壓值所處功率—電壓特性曲線上的點(diǎn)位一定是最大功率點(diǎn)。采用適當(dāng)?shù)姆椒▽㈦姵仃嚵性谶@個固定電壓值上運(yùn)作，就能初步完成最大功率的追蹤任務(wù)；擾動觀測法。將一個擾動電壓施加給電池陣列輸出端的電壓，進(jìn)而使陣列輸出功率出現(xiàn)增減，根據(jù)輸出功率的改變?nèi)ヅ袛嚯妷簲_動方向是否精準(zhǔn)。

電導(dǎo)增量法。功率-電壓曲線是一個單峰型曲線，如果采用功率對電壓求導(dǎo)數(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)輸出功率最大點(diǎn)便是導(dǎo)數(shù)是零的點(diǎn)，因此可應(yīng)用適宜的方法探尋到導(dǎo)數(shù)是零的點(diǎn)位，這樣便能確定輸出的最大功率點(diǎn)。具體控制方法如下：在導(dǎo)數(shù)為零或接近零的區(qū)域，基本上能保持控制電壓恒定不變。圖3是電導(dǎo)增量法原理圖[7]，和以上兩種控制方法相比優(yōu)點(diǎn)有：物理概念的清晰度較高，當(dāng)光伏陣列系統(tǒng)的光照強(qiáng)度出現(xiàn)改變時，負(fù)載獲得的輸出電壓也能以穩(wěn)定的方式伴隨其發(fā)生改變，電壓波動帶來的影響顯著低于觀察法。但這種策略自身也存在著不足，在跟蹤電壓變化過程中算法的執(zhí)行過程相對較復(fù)雜，模數(shù)轉(zhuǎn)換時會耗用較高的時間成本，對處理器運(yùn)算控制性能要求較高，以上操作難度偏大。

圖3 電導(dǎo)增量法原理圖

3 結(jié)語

本文建議將全新的雙Boost DC-AC 變換器用在光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)領(lǐng)域中，其最大的特點(diǎn)是有效解決了傳統(tǒng)光伏陣列直流輸出電壓的問題，并集成了升壓、逆變兩大功能，重點(diǎn)研究了該電路的構(gòu)成、主要工作過程及參數(shù)設(shè)計(jì)原則，探究適用于調(diào)控該電路運(yùn)行狀態(tài)的策略，即最大功率追蹤技術(shù)，以供同行參考。