光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計

摘 要：本文根據(jù)光伏電池陣列和逆變電路的特點，研究比較了常見的光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計了一種并網(wǎng)逆變器。選擇由前級DC-DC電路和后級DC-AC電路組成的雙極式系統(tǒng)；比較分析了各種DC-DC電路最終選擇了Boost電路作為升壓電路，后級的DC-AC電路采用了基本全橋逆變器。在設(shè)計光伏并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上，利用Matlab對系統(tǒng)的各個控制環(huán)節(jié)以及主電路進行了仿真，最終驗證了控制的正確定性。

【關(guān)鍵詞】Boost電路 電流跟蹤 逆變器

1 逆變器或電源控制器（PCU）在并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中起著非常重要的作用

PCU的主要作用就是將發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可以入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)交流電，當(dāng)供電部門中止供電的時候，PCU會自動切斷電源。當(dāng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能超過系統(tǒng)負載實際所需的電量時，將多余的電量傳輸給公共電網(wǎng)。在陰雨天或者夜晚，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能小于系統(tǒng)負荷實際所需的電能，可通過公共電網(wǎng)補充系統(tǒng)負載所需要的電能。同時也要保證在公共電網(wǎng)故障或者維修的時候，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將不會把電能虧送到公共電網(wǎng)上，以使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。如圖1所示。

2 Boost電路工作原理

為了滿足并網(wǎng)的要求，升壓電路需要將光伏陣列的輸出電壓上升為比電網(wǎng)峰值更高的直流電壓。圖2為Boost的電路結(jié)構(gòu)。其中US為輸入電壓，VT為開關(guān)管，C為儲能電容，L為升壓電感。VT為快速開關(guān)管，使用PWM控制。

根據(jù)升壓電感電流的連續(xù)與否，Boost有兩種工作方式，連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)。為了保證電能質(zhì)量，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中要求Boost必須工作在連續(xù)狀態(tài)，這樣才能保證輸出電流不為脈沖狀態(tài)。Boost電路有兩個工作過程，儲能和放電。我們選擇Boost變換器為二級非隔離型逆變器的DC-DC環(huán)節(jié)變換器。選擇全橋逆變器為DC-AC電路。其主電路結(jié)構(gòu)如下：

采用的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路如圖3所示，并網(wǎng)逆變器選用兩級式非隔離型。本系統(tǒng)中的前級DC/DC 升壓電路選擇Boost電路，后級為全橋逆變電路。

我們選擇開關(guān)頻率為fs=12.8kHz，所以逆變器輸出電壓的實際載頻率為2fs=25.6kHz。我們采用DSP作為實現(xiàn)控制的硬件結(jié)構(gòu)，使用TMS320LF2407DSP芯片作為本文控制系統(tǒng)核心。

3 基于DSP的并網(wǎng)控制系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

逆變器數(shù)字并網(wǎng)控制系統(tǒng)以TMS320LF2407芯片為控制核心，充分利用了DSP的硬件資源，如全比較單元PWM1/2，PWM3/4，捕獲口CAP2，A/D采樣，以及外部中斷XINT1等。LF2407芯片采集外部電壓、電流信號并進行A/D轉(zhuǎn)換，通過DSP內(nèi)部的控制算法計算PWM脈寬，控制逆變器橋臂開關(guān)開通或關(guān)斷，鎖定電網(wǎng)電壓的頻率和相位，控制輸出電流單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

4 全橋逆變器控制方式和PI整定

我們采用三角波比較的方式對逆變器進行控制，并利用PI整定作為放大器。PI的參數(shù)決定了三角波控制方式的跟蹤特性，三角波載波的頻率越高，輸出波形諧波更易濾除。加入PI整定環(huán)節(jié)后的三角波控制方式如圖5。

本文將光伏系統(tǒng)設(shè)置為二階系統(tǒng)，其目的是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高響應(yīng)速度。并利用最佳的二階系統(tǒng)工程方式對PI參數(shù)進行整定

PI 參數(shù)整定后光伏發(fā)電系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

加入PI 調(diào)節(jié)能大幅度提升動態(tài)性性能，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。其中Tpwm=78us

我們選擇了單極性調(diào)制作為逆變器的調(diào)制方式，那么必須獲得逆變器的輸出參考電流才能對系統(tǒng)進行調(diào)制，逆變器的參考電流由電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)的輸出功率等條件獲得。

參考電流的獲取過程原理如圖6。

Upv光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost輸出直流電壓，Ipv光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost輸出直流電流，Ugird是電網(wǎng)電壓的有效值，Ppv是光伏器件的輸出功率。其中Ppv=Upv×Ipv，在不考慮電路損耗的情況下IERF=Ppv/Ugird。光伏電池的最大功率輸出保持在3200W 左右，與電網(wǎng)電壓平均幅值220v 相除，得到逆變器輸出電流的幅值，幅值乘以正弦，即得到給定電流。

5 仿真結(jié)果

我們利用Matlab對控制方式和電路進行了仿真。

電流采樣仿真如圖7所示。

電流采樣的結(jié)果如圖8。其中上幅為采樣電流；下幅為d-q轉(zhuǎn)換后的dv和電壓波形對比。

逆變器仿真

逆變器的仿真結(jié)構(gòu)如圖9。逆變器仿真結(jié)果如10所示。

圖10中第一層示出采樣電流波形，第二層示出逆變器的電流，第三幅為電網(wǎng)電壓波形。由圖可以看出，逆變轉(zhuǎn)變后的電流波形與電網(wǎng)電壓同相。

6 結(jié)論

本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了一種并網(wǎng)逆變器，重點選擇和研究了主電路和控制方法，選擇了主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了前級的Boost和后級的全橋逆變電路，分析了主電路各個部分的工作原理，并對主電路各個器件參數(shù)進行了計算。

參考文獻

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作者簡介

趙若靜（1985-），女，山西省臨汾市人?，F(xiàn)為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院教師。研究方向為信號處理。

作者單位

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省太谷縣市 030800