屋頂光伏系統(tǒng)中逆變器的分析及設(shè)計(jì)

李國(guó)湘，盧洪堃

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司熱電部 天津300271；2. 天津理工大學(xué) 天津300384)

屋頂光伏系統(tǒng)中逆變器的分析及設(shè)計(jì)

李國(guó)湘1，盧洪堃2

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司熱電部 天津300271；2. 天津理工大學(xué) 天津300384)

以天津市“電氣工程”重點(diǎn)學(xué)科下的智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，介紹了整個(gè)光伏系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的光伏并網(wǎng)逆變器的工作過(guò)程及原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。此外，對(duì)逆變器追蹤市電的原理，即鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過(guò)不同時(shí)刻、不同狀態(tài)下的各相電壓和電流的波形圖可以得出，逆變器對(duì)于整個(gè)光伏系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換和控制的作用，它的特性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要意義。

屋頂光伏系統(tǒng) 逆變器 鎖相環(huán)

0 引 言

太陽(yáng)光伏發(fā)電具有廣闊的發(fā)展前景，是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉窗l(fā)電技術(shù)之一。屋頂光伏發(fā)電是太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用的一種具體體現(xiàn)。其中，光伏逆變器是屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。本文將以天津市“電氣工程”重點(diǎn)學(xué)科下的智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)光伏逆變器進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 光伏逆變器

屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)是太陽(yáng)能應(yīng)用的一種重要表現(xiàn)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有重要的意義。天津市“電氣工程”重點(diǎn)學(xué)科下的智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括：屋頂太陽(yáng)能光伏板陣列、直流匯流箱、逆變器柜、動(dòng)力配電箱、本地單相負(fù)載和本地電網(wǎng)等(見(jiàn)圖1)。

圖1 屋頂光伏系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the rooftop PV system

其中，逆變器是屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用為能量轉(zhuǎn)換和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。所以，逆變器的性能直接決定了整個(gè)屋頂光伏系統(tǒng)的安全性和可靠性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

1.1 光伏逆變器工作原理

逆變器的工作原理如圖2所示。

圖2 逆變器原理圖Fig.2 Princip le diagram of the inverter

由圖 2可知，光伏矩陣接收太陽(yáng)光，根據(jù)“光生伏打”效應(yīng)產(chǎn)生直流電能，經(jīng)輸入電容 C1后接入逆變器的輸入端，然后通過(guò)控制4個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)與關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，最后輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流正弦波，在經(jīng)過(guò) LC 濾波后并入電網(wǎng)。大容量 C1的作用是穩(wěn)定逆變器的輸入電壓，使其不發(fā)生突變。其中，T1～T4是逆變橋上的 4 個(gè)三極管，每個(gè)三極管兩端都并有一個(gè)反向二極管，逆變橋輸出端并聯(lián) LC濾波電路，它們的功能主要是濾除逆變過(guò)程產(chǎn)生的變流紋波，以降低并網(wǎng)電流諧波，提高屋頂光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電能質(zhì)量。

根據(jù)主電路功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)順序，可以工作于 4種不同的模式下，圖3(a)～(d)給出了這4種開(kāi)關(guān)模式下逆變器的工作狀態(tài)。 ①如圖3(a)所示，當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)，直流側(cè)電壓正向加載到并網(wǎng)逆變器兩端，電感電流增大，能量不斷被儲(chǔ)存，且隨著占空比的增加，輸出電流不斷增加，逆變器輸出正半周上升部分的電流。 ②如圖 3(b)所示，T1、T4關(guān)斷，但 T2、T3還沒(méi)有導(dǎo)通，此時(shí)由于流經(jīng)電感的電流不能突變，所以其路徑發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)二極管續(xù)流，給輸入端電容充電，電感電流隨著放電緩慢下降。 ③如圖3(c)所示，當(dāng)T2、T3導(dǎo)通后，交流側(cè)相當(dāng)于接收到了直流側(cè)的反向電壓，即將反向電壓加到光伏并網(wǎng)逆變器兩端，此時(shí)輸出電感電流換向，大小不斷增加，逆變器輸出負(fù)半軸下降部分電流。 ④如圖 3(d)所示，當(dāng) T2、T3關(guān)斷，但 T1、T4未導(dǎo)通時(shí)，同樣由于輸出電感電流不能突變，所以電流仍然會(huì)經(jīng)過(guò)續(xù)留二極管續(xù)留，給輸入電容充電，電感電流隨著放電，其絕對(duì)值逐漸減小。

圖3 逆變器各工作狀態(tài)圖Fig.3 State diagram s of the inverter

目前，開(kāi)關(guān)管多用 IGBT等非線性電力電子器件，所以逆變器多為雙向型逆變器。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏矩陣與逆變器之間加 DC-DC變換器，使直流側(cè)的電壓高于交流側(cè)的峰值電壓，以保證逆變器正常工作。另外，在匯流箱中，應(yīng)加入防反二極管，防止相與相之間的電流倒流。

1.2 追蹤市電工作原理

逆變器在光伏系統(tǒng)中，其主要任務(wù)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)要求逆變器輸出的交流電必須與市電同頻同相。否則，光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能對(duì)于電網(wǎng)將是一種干擾。特別是像智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)這種單相追蹤的逆變器，更應(yīng)保證追蹤市電的準(zhǔn)確性。

目前，追蹤市電應(yīng)用比較成熟的技術(shù)為鎖相環(huán)控制。鎖相環(huán)是一種反饋控制電路，它接受外部信號(hào)，然后將其與自身的系統(tǒng)信號(hào)比較，再通過(guò)其內(nèi)部的相關(guān)環(huán)節(jié)控制內(nèi)部環(huán)路信號(hào)的相位和頻率，并發(fā)出此信號(hào)。其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the PLL

檢測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差是鑒相器的主要任務(wù)，其將該差以電壓信號(hào)的形式轉(zhuǎn)換出來(lái)。在系統(tǒng)剛開(kāi)始工作或輸入信號(hào)出現(xiàn)些波動(dòng)時(shí)，鑒相器的輸出電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生紋波。使用環(huán)路濾波器將這些電壓信號(hào)平均化，除去紋波，得到較穩(wěn)定的電壓信號(hào)。壓控振蕩器接受穩(wěn)定的電壓信號(hào)后會(huì)產(chǎn)生一定頻率的輸出信號(hào)，將該信號(hào)傳給開(kāi)關(guān)管的控制電路以控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)，使逆變器的輸出電能與市電同頻同相。

1.3 鎖相環(huán)的工作原理

鑒相器的工作原理是將給定信號(hào)(即輸入信號(hào))和輸出信號(hào)作為輸入，通過(guò)將兩者相乘得到相位差。

假設(shè)輸入信號(hào)(市電)的電壓為：

其中，wi和iθ是市電的頻率與初相角；壓控振蕩器的輸出信號(hào)為：

其中，wo是壓控振蕩器在輸入為零或?yàn)橹绷麟妷簳r(shí)的輸出信號(hào)的角速度，oθ是相應(yīng)條件下的初相角。

當(dāng)鑒相器輸入上述信號(hào)時(shí)，其輸出為：

上式通過(guò)正弦的積化和差可得：

環(huán)路濾波器將鑒相器的輸出信號(hào)作為其輸入信號(hào)。環(huán)路濾波器是一種低通濾波器，所以，公式(4)所得的信號(hào)中，高頻部分將會(huì)被濾除，其信號(hào)將變?yōu)椋?/p>

如果公式(5)中的 u為恒定值，則 ??wit + θi(t) ?? ? [w0t + θo( t )?? = 0恒成立。即輸入信號(hào)與輸出信號(hào)同頻同相位，并且此時(shí)鎖相環(huán)進(jìn)入相位鎖定狀態(tài)。如果公式(5)中的 u不是恒定值，則鎖相環(huán)還未進(jìn)入到相位鎖定狀態(tài)，且主要是輸入與輸出的頻率不相符。壓控振蕩器的振蕩頻率wu將以wo為中心，隨輸入信號(hào)的變化而變化，其變化特性為：

其中，Ko為電壓系數(shù)，與鎖相環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。由此可以說(shuō)明，當(dāng) u不穩(wěn)定時(shí)，壓控振蕩器的振蕩頻率也將隨之變化。鎖相環(huán)開(kāi)始進(jìn)入追蹤狀態(tài)，直至u為一個(gè)恒定值。

2 光伏逆變器的應(yīng)用

天津市“電氣工程”重點(diǎn)學(xué)科下的智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)自完工以來(lái)，一直穩(wěn)定運(yùn)行，其逆變器起到了至關(guān)重要的作用。

圖 5為逆變器在并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)階段，通過(guò)電能質(zhì)量檢測(cè)儀測(cè)得的網(wǎng)側(cè)電壓有效值的波形圖。由上至下分別是A、B、C三相以及中線的網(wǎng)側(cè)電壓有效值。由圖 5可以看出，逆變器對(duì)于市電有很好的追蹤性，略有一些波動(dòng)。

圖5 光伏系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓有效值波形圖Fig.5 Waveform graphs of the voltage RMS under steady state of the PV system

圖 6為屋頂光伏系統(tǒng)并網(wǎng)瞬間電流與電壓的有效值的變化。由上至下分別是 A、B、C三相以及中線的電壓波形和 A、B、C三相的電流值的波形。從圖6可以看出，并網(wǎng)逆變器對(duì)市電有很好的跟蹤能力，波動(dòng)很小。由于功率增加而電壓要保持不變，所以電流值會(huì)逐漸增加，待到功率穩(wěn)定，電流也會(huì)保持在一定值。

由此分析得出，通過(guò)并網(wǎng)逆變器得到的電能，基本滿足電網(wǎng)對(duì)電流和電壓的要求，而一個(gè)光伏系統(tǒng)能否良好并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵在于其并網(wǎng)逆變器的性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以天津市“電氣工程”重點(diǎn)學(xué)科下的智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)逆變器工作原理及當(dāng)前應(yīng)用較成熟的鎖相環(huán)原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。文章中給出了并網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)的電壓電流的變化情況，說(shuō)明了并網(wǎng)逆變器的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的重要作用。由于逆變器主要由非線性元件組成，在工作過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成一定的污染。因此在其工作過(guò)程中，應(yīng)并聯(lián)濾波裝置對(duì)其電能質(zhì)量進(jìn)行一定的改善?！?/p>

圖6 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)瞬間電壓電流有效值波形圖Fig.6 Waveform graphs of the instantaneous voltage and current RMS upon grid connection

［1］ Yang B，Li W，Zhao Y，et al. Design and analysis of agrid-connected photovoltaic power system[J]. Power Electronics，IEEE Transactions，2010，25(4)：992-1000.

［2］ Eltaw il M A，Zhao Z. Grid-connected photovoltaic power systems：technical and potential problems—a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14(1)：112-129.

［3］ 車(chē)孝軒. 太陽(yáng)能系統(tǒng)概論[M]. 湖北：武漢大學(xué)出版社，2005.

［4］ 趙杰. 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2012.

［5］ 梁芳. 基于自抗擾控制技術(shù)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2012.

［6］ 遠(yuǎn)坂俊昭. 鎖相環(huán)(PLL)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.

［7］ 段善旭，熊鍵，康勇. 一種 UPS 的數(shù)字化鎖相及旁路檢測(cè)和切換控制技術(shù)[J]. 電工電能新技術(shù)，2004，23(1)：7-10.

［8］ 湯濟(jì)澤. 單相 5,kW 光伏并網(wǎng)逆變器的研制[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2011.

Inverter in a Rooftop Photovoltaic System：Design and Analysis

LI Guoxiang1，LU Hongkun2
(1. SINOPEC Tianjin Branch，Tianjin 300271，China；2. Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

This paper takes a rooftop photovoltaic system in micro intelligent network laboratory supported by Tianjin“Electrical Engineering” key discipline project as an example to introduce an overall structure of the entire photovoltaic system and discuss the working process and principle of a photovoltaic grid inverter. In addition，it analyzes in details the principle of tracking grid，namely，a phase-locked loop technology. Based on waveform graphs of voltage and current at each phase under different time and status，it was concluded that the inverter plays the roles of energy conversion and control in the entire system and as it directly affects system operation，it is of great significance to the whole system.

rooftop PV system；inverter；phase-locked loop(PLL)

TM 615

：A

：1006-8945(2015)03-0033-03

2015-02-11