戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，著重分析了并網(wǎng)逆變器的控制策略和孤島檢測控制方法。為了穩(wěn)定直流母線電壓和實現(xiàn)單位因數(shù)并網(wǎng)，采用電壓電流的雙環(huán)控制策略；提出一種改進型主動式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)運用于并網(wǎng)逆變器的孤島檢測控制。Matlab/Simulink仿真表明：該并網(wǎng)逆變器的控制具有低電流諧波畸變率、高功率因數(shù)等特點，完全滿足設(shè)計的需要。

戶用型；并網(wǎng)逆變器；雙閉環(huán)；孤島檢測；改進型AFD

國外的并網(wǎng)逆變器已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，比較典型的有SMA、Sun Power和Siemens等公司的產(chǎn)品；國內(nèi)相關(guān)公司的產(chǎn)品正處于快速發(fā)展的階段。主要突出的問題是并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換效率、電流諧波畸變率以及孤島檢測等[1]。

1 戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1 并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)

戶用型并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)大體分為兩種，其區(qū)別在于是否帶有儲能環(huán)節(jié)[2]。本文研究的是一種不帶儲能環(huán)節(jié)的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器采用電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于直流并聯(lián)有大電容，因此，直流輸入側(cè)的電壓脈動比較小，整個電路呈現(xiàn)低阻抗特性。

1.2 全橋并網(wǎng)逆變器的建模

圖1所示的結(jié)構(gòu)圖也可作為單相電壓型光伏并網(wǎng)逆變器的等效電路。其中，2為輸出濾波電感，為線路等效電阻，為電網(wǎng)電壓。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有：

當(dāng)逆變器的占空比為D，則逆變器的輸出電壓Uac為：

圖1 并網(wǎng)逆變器全橋逆變結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(1)和式(2)，有：

1.3 孤島檢測的原理分析

孤島效應(yīng)是并網(wǎng)逆變器可能會出現(xiàn)的現(xiàn)象，它是指電力系統(tǒng)的一部分(包含負載和正在運行的分布式發(fā)電設(shè)備)脫離了公共電網(wǎng)后單獨對負載供電的狀態(tài)[3]。如圖2所示，光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)到公共電網(wǎng)上對負載供電，如果電網(wǎng)由于故障或檢修等原因[4]停電，但并網(wǎng)逆變電源未能及時檢測出電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而變成獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)以自身的輸出電壓和頻率向負載供電，此時的光伏發(fā)電系統(tǒng)運行于孤島狀態(tài)。

圖2 孤島效應(yīng)示意圖

2 并網(wǎng)逆變器的控制策略分析

2.1 并網(wǎng)逆變器的控制方式

電壓型并網(wǎng)逆變器的控制量有兩個：輸入電壓和輸出電流。輸入電壓即直流母線電壓，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率反映在輸出電流上，不同的功率對應(yīng)不同的輸出電流，因此，本系統(tǒng)必須穩(wěn)定輸入電壓；同時輸出電流也必須達到并網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能進網(wǎng)，所以對于輸出電流的控制也是非常關(guān)鍵的。

基于以上分析，本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制方法，控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

2.2 電流環(huán)設(shè)計

電流內(nèi)環(huán)是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分，對其要求是必須具有很快的響應(yīng)速度，并且能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓信號，因此，電流環(huán)采用典型I型系統(tǒng)設(shè)計[5]。

電流環(huán)采用比列積分調(diào)節(jié)，即：

為了讓PI控制器的零點能抵消電流控制對象傳遞函數(shù)的極點，有：

逆變器可看成一個一階慣性環(huán)節(jié)，即：

因此，電流環(huán)控制下的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫為：

根據(jù)控制理論知識可知，欲使二階系統(tǒng)獲得理想的動態(tài)品質(zhì)，應(yīng)該滿足如下條件：

對比式(9)和式(13)，可得：

解得：

式(16)、式(17)即為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)的計算公式。

2.3 電壓環(huán)設(shè)計

電壓環(huán)的主要作用是穩(wěn)壓，故系統(tǒng)整定時，應(yīng)著重考慮系統(tǒng)的抗擾性能，可按典型II型系統(tǒng)設(shè)計電壓環(huán)[5]。電壓環(huán)的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓環(huán)控制框圖

電壓環(huán)采用比列積分調(diào)節(jié)，即：由式(9)可得電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

由式(22)和式(23)可得：

由此解得：

式(25)和式(26)為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的理論設(shè)計參數(shù)，實際設(shè)計中可根據(jù)系統(tǒng)進行修改。

2.4 孤島檢測算法分析

文獻[7]針對孤島效應(yīng)和檢測盲區(qū)的分析，提出了各種檢測方法。文獻[8]主要利用常規(guī)主動式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)解決孤島效應(yīng)問題，對于不同特性的負載，常規(guī)AFD算法的不足將會體現(xiàn)出來。

公共檢測點PCC處的電流頻率能否在孤島出現(xiàn)后有較大的偏移是決定孤島檢測成功的關(guān)鍵[9]，上周期的電壓頻率()決定了本周期的電流給定頻率(+)，有：

基于以上分析，傳統(tǒng)的AFD檢測都是針對單向的頻率擾動，而對于不同的系統(tǒng)，其負載特性無法預(yù)知，逆變器的電流與電壓的相位角由負載決定，采用常規(guī)AFD產(chǎn)生的相位差等于孤島發(fā)生時負載的相位差時，常規(guī)AFD進入檢測的盲區(qū)，需要一種更加適應(yīng)負載的改進型AFD檢測方法。

如圖5所示，本文的改進型AFD孤島檢測方法是指對并網(wǎng)逆變器輸出的電流頻率施加正反兩個方向的頻率擾動，以消除負載對單一頻率擾動方向的平衡作用。

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗證理論的正確性，通過Matlab軟件下的Simulink仿真環(huán)境搭建了整個并網(wǎng)逆變器的仿真模型。如圖6所示，該系統(tǒng)包括單個組件參數(shù)為表1所示、連接方式為4×4的光伏陣列模塊(PV model)，Boost模塊，帶孤島檢測功能的并網(wǎng)逆變器模塊。

圖5 改進型AFD原理

圖6 光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型

由于本文主要討論并網(wǎng)逆變器的控制，對于最大功率點跟蹤將不再討論，光伏陣列經(jīng)過Boost后的輸出電壓為350～450 V。表1為光伏組件參數(shù)。

表1 光伏組件參數(shù)

3.1 并網(wǎng)仿真分析

仿真參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)狀況下，線路等效電阻 0.01 Ω，電網(wǎng)220 V/50 Hz，仿真時間0.4 s。電流環(huán)PI參數(shù)計算值分別為和電壓環(huán)PI參數(shù)計算值分別為和直流母線電壓和逆變器輸出電流如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 (a)直流母線電壓和(b)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓

電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)是在理論基礎(chǔ)上的理想值，由圖7(a)可以看出，直流母線電壓的調(diào)節(jié)時間比較長，0.3 s左右達到穩(wěn)定。并網(wǎng)電流在初始時刻出現(xiàn)很大的波動，這是由于控制算法有一定的時間滯后，輸出電流在一個電流周期跟上電網(wǎng)電壓，達到同步的目的。這種情況下的電流總諧波畸變率為3.79%，功率因數(shù)也遠遠低于規(guī)定值。

為了改善直流母線電壓的快速性以及并網(wǎng)電流的快速性和穩(wěn)定性，降低雙環(huán)積分系統(tǒng)，改雙環(huán)PI控制參數(shù)為：電流環(huán)=32.2，=50；電壓環(huán)'=24.4，'=20 000。仿真結(jié)果如圖8 (a)和圖8(b)所示。

圖8 (a)直流母線電壓和(b)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓

從圖8(a)可以看出，改變參數(shù)以后，直流母線電壓在0.15 s左右很快達到穩(wěn)定，上下震蕩幅度在10 V以內(nèi)；并網(wǎng)電流也較之穩(wěn)定，不到一個電流周期達到同步?？傠娏髦C波畸變率(THD)降至2.83%，符合國標(biāo)的規(guī)定，功率因數(shù)也都在0.99以上，完全滿足要求。

3.2 孤島檢測仿真分析

由于阻性負載對于常規(guī)AFD算法不存在檢測盲區(qū)，本文直接討論特定的RLC負載對于常規(guī)AFD檢測算法情況。

對于特定的RLC并聯(lián)負載，常規(guī)AFD檢測下的輸出電流頻率如圖9所示。

圖9 常規(guī)AFD下RLC負載輸出電流頻率

系統(tǒng)在0.06 s模擬孤島發(fā)生，由于RLC的特性與常規(guī)AFD施加的擾動方向相互抵消，在規(guī)定時間內(nèi)一直檢測不出孤島。

針對上述的RLC負載采用改進型AFD檢測，其它參數(shù)不變，輸出電流頻率如圖10所示。從圖10可以看出，系統(tǒng)在0.12 s左右迅速檢測出孤島，達到預(yù)期的理想效果。

圖10 改進型AFD下RLC負載輸出電流頻率

4 結(jié)論

本文以戶用型光伏并網(wǎng)逆變器為主要控制對象，從穩(wěn)定直流母線電壓和單位因數(shù)并網(wǎng)為出發(fā)點，采用電壓電流的雙閉環(huán)控制方式，詳細分析了電壓環(huán)和電流環(huán)的PI參數(shù)。通過Simulink仿真環(huán)境構(gòu)建了并網(wǎng)逆變器的仿真模型，完成了一款低諧波、高功率因數(shù)的并網(wǎng)逆變器設(shè)計。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進型的AFD孤島檢測算法用于孤島檢測，仿真結(jié)果表明：改進型的算法對于任意的負載都能在規(guī)定時間(2 s)內(nèi)順利地檢測出來。

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Research and design on household PV grid-connected inverter

Full bridge inverter structure for household grid-connected PV inverter was adopted,and the analysis of grid-connected control strategy and island detects method were mainly mentioned.In order to maintain the DC bus voltage and keep unity power factor running,a double loop control strategy was chosen for the grid inverter.An improved active frequency drifting method was put forward to detect island.Matlab/Simulink's results show that the grid inverter designed in the paper is OK with low THD and high power factor.

household;grid-connected inverter;double-closed loop;islanding detection;improved AFD

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2175-04

2015-03-11

何軍(1987—)，男，江蘇省人，助理工程師，主要研究方向為自動化控制技術(shù)。