基于不平衡功率單元并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器研究

潘逸菎，竇偉

(北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100083)

基于不平衡功率單元并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器研究

潘逸菎，竇偉

(北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100083)

提出一種基于不平衡功率單元直接并聯(lián)技術(shù)的1MW并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效解決大功率逆變器在低功率條件下的效率和電能質(zhì)量問題。詳細(xì)論述了基于不平衡功率單元并聯(lián)的1MW并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)及工作原理，并針對不平衡功率單元并聯(lián)產(chǎn)生的環(huán)流問題，提出了控制策略的解決方案。基于MATLAB軟件對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明逆變器能夠有效提高低功率條件下的效率及電能質(zhì)量，并抑制不平衡功率單元間的環(huán)流。

光伏并網(wǎng)逆變器;不平衡功率單元并聯(lián);效率;環(huán)流;SVPWM

定稿日期:2014－01－08

0 引言

為提高光伏并網(wǎng)逆變器的功率，在大功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，常用兩臺額定功率500 kW的逆變器通過雙分裂變壓器并網(wǎng)，形成兆瓦級光伏逆變單元。這種大功率逆變單元在低功率運(yùn)行時(shí)，不僅效率低，且輸出電流總諧波畸變率高，對電網(wǎng)造成一定的負(fù)面影響。

本文提出一種基于不平衡功率單元并聯(lián)的大功率光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，該逆變器采用兩個(gè)容量不對稱的功率單元直接并聯(lián)，即兩功率單元具有共同的直流母線和交流母線。在工程應(yīng)用上，該逆變器不但可采用一臺常規(guī)雙繞組變壓器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，與雙分裂變壓器相比體積減小，成本降低，并減少了現(xiàn)場工作量;而且從性能角度考慮，逆變器能夠在低功率運(yùn)行狀態(tài)下，有效地提高運(yùn)行效率，并顯著降低并網(wǎng)電流諧波畸變率。

本文詳細(xì)論述了基于不平衡功率單元并聯(lián)的逆變器的工作原理和協(xié)同控制機(jī)制，并推導(dǎo)分析了不平衡功率單元間的環(huán)流數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而提出了一種改進(jìn)的矢量控制策略。仿真結(jié)果證明了改進(jìn)的矢量控制策略對環(huán)流的抑制效果，且該并網(wǎng)逆變器相對傳統(tǒng)大功率逆變單元，可有效提高低功率時(shí)的效率和電能質(zhì)量。

1 基于不平衡功率單元并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)1MW光伏并網(wǎng)逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該單元由兩臺500 kW并網(wǎng)逆變器組成，每臺逆變器直流側(cè)各連接一組PV陣列，交流側(cè)分別連接雙分裂變壓器的一組二次側(cè)繞組。傳統(tǒng)兆瓦級逆變單元中兩臺逆變器交、直流母線相互獨(dú)立，逆變器之間不存在耦合，可分別獨(dú)立控制，設(shè)計(jì)難度低，控制系統(tǒng)簡單，但存在以下缺點(diǎn):

(1)分裂變壓器相對雙繞組變壓器成本較高，體積較大;

(2)每臺逆變器的開關(guān)頻率及死區(qū)等參數(shù)均按大功率并網(wǎng)設(shè)計(jì)，在光伏陣列輸出功率較低時(shí)，系統(tǒng)效率降低，諧波含量升高，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量;

(3)分裂繞組間負(fù)載或電壓不平衡時(shí)，變壓器損耗加大，系統(tǒng)效率降低。

針對傳統(tǒng)大功率并網(wǎng)逆變單元存在的問題，所提出基于不平衡功率單元直接并聯(lián)的大功率光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)容量不同的功率單元采用共直流母線和交流母線的形式構(gòu)成，通過常規(guī)雙繞組變壓器并入電網(wǎng)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢在于:

(1)與雙分裂式變壓器相比，采用常規(guī)雙繞組變壓器，可降低系統(tǒng)成本;

(2)在低功率下時(shí)，可獨(dú)立運(yùn)行小功率單元，提高系統(tǒng)效率并降低并網(wǎng)電流總諧波畸變率。

2 基于不平衡功率單元并聯(lián)的大功率光伏并網(wǎng)逆變器工作原理

圖1 傳統(tǒng)1MW并網(wǎng)逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于不平衡功率單元并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用大功率逆變單元與小功率逆變單元并聯(lián)組成1 MW大功率光伏并網(wǎng)逆變器。兩并聯(lián)單元之間的啟停邏輯控制、功率協(xié)調(diào)調(diào)度與控制環(huán)路結(jié)構(gòu)切換通過并聯(lián)協(xié)同控制器進(jìn)行，如圖3所示。并聯(lián)協(xié)同控制器根據(jù)光伏陣列所輸出能量控制并聯(lián)逆變單元工作狀態(tài)，并且實(shí)現(xiàn)逆變單元之間工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)無擾切換:當(dāng)逆變器輸出功率小于50 kW時(shí)，僅運(yùn)行小功率單元;當(dāng)輸出功率在50 kW至950 kW之間時(shí)，僅運(yùn)行大功率單元;當(dāng)輸出功率大于950 kW時(shí)，兩功率單元同時(shí)運(yùn)行。在電網(wǎng)條件惡劣的條件下，小功率單元可實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償與有源濾波功能。

圖3 協(xié)同控制器控制圖

為使功率單元切換過程平滑無擾，協(xié) 同控制器還需在切換過程中實(shí)時(shí)調(diào)度控制，具 體控制邏輯關(guān)系如圖4所示?；诓黄胶夤β蕟卧⒙?lián)的并網(wǎng)逆變器首先啟動(dòng)小功率單元運(yùn)行，通過功率比較模塊分別選擇小功率逆變單元、大功率逆變單元和兩逆變單元同時(shí)運(yùn)行，然后通過功率切換模塊實(shí)現(xiàn)兩功率單元無擾切換。該工作方式能夠明顯提高光伏逆變器低功率運(yùn)行下的效率，有效降低并網(wǎng)電流諧波含量。

圖4 啟停邏輯控制圖

3 環(huán)流抑制控制策略

由于基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器直流側(cè)和交流側(cè)直接連接，在工作過程中，如圖2所示功率單元1的電流可能在功率單元2的部分通路上流過，功率單元2的電流同時(shí)可能在功率單元1的通路上流過。這部分不經(jīng)負(fù)載而在兩個(gè)功率單元間流通的電流，即為環(huán)流［1］。功率單元之間的開關(guān)狀態(tài)不一致、功率單元的電路參數(shù)不平衡或者負(fù)載不平衡，都會(huì)引起環(huán)流。從而導(dǎo)致輸出電流畸變和不平衡，使光伏逆變器的性能降低［2－3］。

三相光伏并網(wǎng)逆變器的傳統(tǒng)建模方法是將三相變量由三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。但獨(dú)立光伏逆變器模型中并沒有涉及環(huán)流，因此引入由占空比描述的平均模型建立環(huán)流的數(shù)學(xué)模型。

功率單元的單個(gè)橋臂結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，該橋臂由兩個(gè)開關(guān)管組成。由于橋臂上下兩管導(dǎo)通狀態(tài)互補(bǔ)(忽略死區(qū)時(shí)間)，則有:

式中dxp，dxn表示 x相(x為 a，b，c)橋臂上下開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，圖5(b)所示為單個(gè)橋臂的平均模型。

圖5 逆變器單橋臂模型圖

圖6 兩功率單元abc坐標(biāo)系下并聯(lián)模型圖

當(dāng)兩個(gè)功率單元并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為零序環(huán)流提供通路，當(dāng)兩功率單元參數(shù)不一致時(shí)必然產(chǎn)生環(huán)流。兩功率單元并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的等效模型如圖6所示。根據(jù)并網(wǎng)逆變器的電壓平衡方程，由圖6可得到功率單元并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)方程，將abc坐標(biāo)系下的逆變器模型轉(zhuǎn)化到dq0坐標(biāo)系下可得狀態(tài)方程為

圖7 并聯(lián)功率單元間零序環(huán)流的回路圖

并聯(lián)功率單元間零序環(huán)流的回路如圖7所示。由于該回路中只有功率單元濾波電感和極小的寄生電阻，因此很小的零序電壓差就會(huì)產(chǎn)

圖8 第1扇區(qū)中SVPWM波形圖

生較大的零序環(huán)流。

由以上分析可得:

由式(5)和式(6)可知，并聯(lián)功率單元間零矢量的差異是導(dǎo)致零序環(huán)流的原因。

以第1扇區(qū)中SVPWM脈沖序列進(jìn)行分析［4－5］，圖8所示為指令矢量在第1區(qū)間矢量分布。設(shè)k=dppp/d0，dppp為零矢量ppp的占空比，d0是零矢量ppp和nnn的總占空比，則:

由于兩臺功率單元并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，相同的零序環(huán)流同時(shí)流經(jīng)兩臺功率單元，因此只需要在其中一臺功率單元的控制器中加入零序環(huán)流控制器。并聯(lián)功率單元零序電流控制框圖如圖9所示。

在圖9中，功率單元控制策略采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，將采集變量變換至dq坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)電流解耦控制。將檢測的iz通過PI調(diào)節(jié)輸出變量k，從而改變SVPWM調(diào)制策略中的零矢量的分布，達(dá)到抑制環(huán)流的目的。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證該改進(jìn)方案的效果，用MATLAB/simulink軟件對基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器在效率、諧波及其環(huán)流抑制方面的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖10所示為傳統(tǒng)分裂式并網(wǎng)逆變單元在不同輸出功率下的并網(wǎng)電流波形仿真。

圖9 環(huán)流抑制控制策略模型圖

圖10 傳統(tǒng)大功率光伏并網(wǎng)逆變單元仿真波形

在圖10所示仿真中，傳統(tǒng)大功率光伏并網(wǎng)逆變單元輸出功率由1MW下降致50 kW時(shí)，輸出電流總諧波畸變率(THD)由0.81%升高至5.06%，效率也由96.8%降低至88.0%。因此，隨著光伏并網(wǎng)逆變單元的輸出功率降低，并網(wǎng)逆變器輸出電流諧波含量越來越高、并網(wǎng)效率越來越低，并網(wǎng)電流波形出現(xiàn)明顯畸變。

基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器在相同條件下的仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 基于不平衡功率單元并聯(lián)的大功率光伏并網(wǎng)逆變器仿真波形

在圖11所示仿真中，基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器輸出功率由1 MW下降致50 kW時(shí)，輸出電流總諧波畸變率(THD)由 0.78% 變?yōu)?0.60%，效率也由 96.8% 變?yōu)?97.0%，基本無變化。顯然，基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器無論在高功率運(yùn)行時(shí)還是在低功率運(yùn)行時(shí)，相對傳統(tǒng)大功率并網(wǎng)單元，在效率和諧波方面均有改善。特別是在低功率下運(yùn)行時(shí)，效率明顯提高，諧波含量明顯下降，充分說明了基于不平衡功率單元并聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器方案的正確性。

圖12所示為基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器與傳統(tǒng)大功率并網(wǎng)逆變單元的效率對比曲線。

圖12 不同功率下效率曲線的對比圖

圖13 環(huán)流抑制對比電流波形圖

由圖12(a)中可見，基于不平衡功率單元并聯(lián)的逆變器在低功率運(yùn)行時(shí)，有明顯的效率提升，由圖12(b)中可見，在全天相同光照條件下，特別是在低功率運(yùn)行下，基于不平衡功率單元并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器在光伏電站應(yīng)用中能夠輸出更多電量。

由圖13可見，未加環(huán)流抑制時(shí)，兩功率單元間存在明顯的環(huán)流，并網(wǎng)電流存在低頻振蕩;采用環(huán)流抑制控制后，環(huán)流得到有效控制。

5 結(jié)束語

本文分析了不平衡功率單元直接并聯(lián)1 MW并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對該并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行了分析，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有效解決大功率逆變器在低功率條件下的效率低和諧波含量高的問題，并且通過仿真進(jìn)行對比驗(yàn)證了有效性及可行性。同時(shí)，對并聯(lián)不平衡功率單元間的環(huán)流問題進(jìn)行了分析研究，建立環(huán)流狀態(tài)平均模型，并提出基于空間矢量脈寬調(diào)制的變零矢量控制，通過改變零矢量的分布，有效抑制并聯(lián)逆變單元之間環(huán)流。因此，不平衡功率單元直接并聯(lián)1MW并網(wǎng)逆變器，不僅體積減小，成本降低。同時(shí)，由于各逆變模塊采用不平衡功率結(jié)構(gòu)，有效提高在不同功率條件下的效率，此外，由于各功率單元相對獨(dú)立，使得擴(kuò)大系統(tǒng)容量具有極大的靈活度。

［1］ CHEN Yang，SMEDLEY K M.One-Cycle-Controlled Three-Phase Grid-Connected Inverters and Their Parallel Operation［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(2):663 －671.

［2］姚為正，鄧祥純，易映萍，等.單級式單相太陽能光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電氣自動(dòng)化，2010，32(02):46 －48.

［3］熊健，張凱，康勇，等.空間矢量脈寬調(diào)制的調(diào)制波分析［J］.電氣自動(dòng)化，2010，38(3):7 －11.

［4］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:76－84.

［5］李晶，徐洪華，趙海翔，等.并網(wǎng)光伏電站動(dòng)態(tài)建模及仿真分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(24):83－87.

A Study on the Photovoltaic Grid－connected Inverter Based on Parallel Unbalanced Power Units

PAN Yi-kun，DOUWei

(Beijing Kenuo Albert Polytron Technologies Inc.Beijing 100083，China，China)

This paper proposes a 1MW grid-connected inverter＇s topological structure based on direct parallel technology of unbalanced power units to improve the efficiency and power quality of the high-power inverter under low power conditions.The characteristics and working principle of the improved 1MW grid-connected inverter based on unbalanced power units are described in detail，and a control strategy solution is presented for the circulating currentgenerated through parallel connection between unbalanced power units.A MATLAB-based simulation experiment on the inverter is conducted，and the result shows this converter can greatly improve the efficiency and power quality under low power conditions，and suppress the circulating current between unbalanced power units.

photovoltaic grid-connected inverter;parallel unbalanced power units;efficiency;circulating current，SVPWM

10.3969/j·issn.1000 －3886.2014.02.018

TM615

A

1000－3886(2014)02－0054－04

潘逸菎(1987－)，男，北京人，碩士，研究方向?yàn)榇蠊β首兞骷夹g(shù)。