基于導抗變換器的光伏并網(wǎng)逆變器設計

盧春華，范秋鳳（安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000）

基于導抗變換器的光伏并網(wǎng)逆變器設計

盧春華，范秋鳳
（安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000）

在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當中，于光伏并網(wǎng)逆變器是其中最關鍵的組成部分，一般情況下，其又包括了電流型與電壓型兩種。本文就針對于電壓型光伏并網(wǎng)逆變技術當中所U存在的問題，來進行了相關的設計研究，并設計出一種三相電流型光伏并網(wǎng)逆變器。從本質(zhì)上來說，本裝置能夠通過運用導抗變換器，來完成光伏系統(tǒng)電流型并網(wǎng)。這樣一來，不僅能夠有效的促進光伏發(fā)電效率的提升，同時，由于其裝置體積相對來說更小，所以具有抗干擾能力強等優(yōu)點。

逆變器；并網(wǎng)；導抗變換器；電流型

0　引言

在長期的社會發(fā)展過程中，全球都面臨著越來越重的環(huán)境與能源危機。在這樣的社會背景下，可持續(xù)發(fā)展道路已經(jīng)逐漸發(fā)展成為各個國家的共識，因此，我們必須要全面促進可再生能源的發(fā)展與進步。作為新能源發(fā)電的一種主要形式，分布式發(fā)電系統(tǒng)包括了風力發(fā)電、光伏發(fā)電以及風光互補發(fā)電等各種。而作為一種重要的清潔型能源，太陽能自身具有明顯的儲量大、無污染特點，并因此而受到了人們的廣泛關注，使得太陽能并網(wǎng)發(fā)電技術也引起了越來越多的關注。作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)當中的核心組成部分，太陽能并網(wǎng)逆變器最主要的作用，就是對太陽能進行有效的轉(zhuǎn)換，并以此來將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，獨立的為局域網(wǎng)供電或者與交流電網(wǎng)連接，實現(xiàn)并網(wǎng)。本文主要研究光伏并網(wǎng)，也就是光伏逆變器的輸出交流電能送到電網(wǎng)上去。為了獲得良好的并網(wǎng)性能和較高的功率因數(shù)，光伏逆變器的研究重點就在兩方面：1.DC-AC變流；2.并網(wǎng)電能同步鎖相。本文就這兩方面內(nèi)容做詳細研究設計。

1　逆變器的結構分析

一般情況下，并網(wǎng)逆變器主要包括了電流型與電壓型這兩種類型。其中，就針對于傳統(tǒng)的電壓型逆變器來說，無論是其儲能元件的儲能效率，還是價格與體積等，都比電流型的逆變器存在優(yōu)勢，與此同時，其自身還有著更加顯著的雙向并網(wǎng)逆變功能。但是其為了能夠有效的減少饋入電流所產(chǎn)生的電力諧波，就需要進一步實現(xiàn)對并網(wǎng)電流的反饋控制，這樣一來，將會導致并網(wǎng)電流受到嚴重的電網(wǎng)影響作用，并且其控制算法也相對來說比較復雜。但是，就針對于傳統(tǒng)的電流型逆變器來說，其所運用的，主要是一個大的直流電抗器，并以此來實現(xiàn)電流型并網(wǎng)，從本質(zhì)上來講，其雖然不需要進行反饋控制，但是將會使得系統(tǒng)的體積增大，這樣一來，就難以實現(xiàn)裝置的小型化與成本的降低。此外，為了能夠更好的抑制諧波，其將會進一步加大電路的復雜性和系統(tǒng)成本，且抑制效果并不理想。有鑒于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器的結構缺點，本文就提出了一種電流型并網(wǎng)逆變器，該逆變器主要是運用導抗變換器來實現(xiàn)的，能夠更加辯解的實現(xiàn)電壓源與電流源之間的轉(zhuǎn)換。

1.1導抗變換器結構原理

從本質(zhì)上來說，導抗變換器其實指的就是導納—阻抗變換器的一個簡稱，其不僅可以進行導納—阻抗的變換，同時，也能實現(xiàn)電壓源和電流源的合理變換。通常情況下，導抗變換器在弱電領域當中的運用，主要是使用霍爾元件、運算放大器等。常見的導抗變換器主要包括下面四種結構，如圖1所示。

圖1　四種導抗變換器的結構組成圖

在上圖中，LCLC型結構可以被當做是LCL型的改型，同時，CLCL型也可以被當做是CLC型的改型。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)LCL型與CLC型在輸出電流特性、效率特性均基本相似。一般LCL型的運用范圍相對來說更加廣泛。由于在CLC型結構當中，其只運用了一個電感，所以，該電感內(nèi)阻對于電路計算所產(chǎn)生的影響也就相對來說比較小。而CLCL型與LCLC型自身的結構相對來說更加復雜，導致其自身的哥哥元件本身對于輸入輸出的特性的敏感度更高，但是其效率特性反而沒有改進，因此不建議使用。本文采用LCL型導抗變換器，如圖1（a）所示。其中，，其四端子表達式如下：

從式（3）中我們可以看出，就針對于導抗變換器的輸出電流i2與輸入電壓u1而言，兩者之間所存在的是正比例關系，也就是說，電流i2并不會受到負載的影響作用，其只和電壓u1之間存在關系。

1.2并網(wǎng)逆變器拓撲結構設計

圖2　三相電流型逆變器主電路拓撲結構圖

從圖2中我們可以看出，并網(wǎng)逆變器的主電路前端是由VT1～VT2所組成的高頻逆變橋，該逆變橋的主要作用，就是對光伏電池所輸出的直流電壓進行適當?shù)恼{(diào)制，并使之形成高頻脈寬電壓之后，再將其輸入到導抗變換器當中，以此來完成電壓源到電流源之間的合理轉(zhuǎn)換。然后再在此基礎上，來通過運用高頻變壓器TR，進行其和電流等級之間的合理變換，完成這些之后，再經(jīng)過周波變換器來完成裂相調(diào)制，過濾掉高次諧波，完成并網(wǎng)工作。

下面，我們將對該電路的實際工作原理進行分析：

（1）若光伏電池的輸出電壓是Ed，那么可以得出：UA=Ed。

（2）在經(jīng)過高頻逆變橋PWM脈寬來對Ed電壓進行調(diào)制之后，選擇PWM脈寬電壓波形來對其進行同步調(diào)制，因此左右應當對稱，脈沖寬度為Dπ（D為占空比），如圖3所示。

圖3　高頻逆變橋PWM脈寬調(diào)制波形

圖中高頻逆變器的輸出電壓為

ωs——逆變器開關調(diào)制頻率，即導抗變換器諧振頻率。將圖3所示波形展開成傅里葉級數(shù)，有

（3）從本質(zhì)上來講，導抗變換器其實就是一種比較特殊的帶通濾波器，其在實際的運行過程中，通常只能夠允許諧振頻率附近的信號通過。通過式（3）的計算我們可以得出，導抗變換器能夠?qū)⑤斎氲碾妷涸催M行有效的變換，并最終使之轉(zhuǎn)變成電流源輸出，與此同時，該電流通常為電壓的倍，因此，我們可以得C點電流為

（4）假設變壓器變比為1︰n，經(jīng)變壓器升壓之后，D點電流下降1/n，即：

在經(jīng)過周波變換器的裂相調(diào)制之后，我們能夠得出三相的輸出電流，即：

從式（8）當中我們可以得出，在完成了上面的各項控制之后，最終輸出的可以是任意頻率的三相正弦電流，這也就從根本上完成了電壓源到電流源之間的有效變換。

2　控制方法分析

2.1同步鎖相策略

從本質(zhì)上來說，如果我們想要實現(xiàn)太陽能光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)，就必須要保證逆變器的輸出電流和電網(wǎng)電壓之間做到同頻同相。在這樣的情況下，在并網(wǎng)逆變器當中，實際的輸出電流Iout其實就是其最主要的目標控制量。圖4為等效電路和電壓電流矢量圖，其中，Uout所代表的是并網(wǎng)逆變器的輸出電壓，Unet所代表的為電網(wǎng)電壓，而Iout則代表了并網(wǎng)逆變器的輸出電流。

圖4　等效電路和電壓電流矢量圖

從圖4中我們可以看出，我們要想實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的輸出，就必須要經(jīng)過低通濾波器濾波，因此，在實際的設計過程中，為了能夠確保輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻同相，就必須要讓電網(wǎng)電壓比輸出電壓滯后。

2.2雙環(huán)控制策略

文本所運用的主要是直接電流雙環(huán)控制的方法，來完成上述目標。其拓撲結構如圖5所示。通過對比分析我們可以看出，該方法與其他直接電流控制大致相同。為了能夠更好的控制直流電壓的穩(wěn)定性，其外環(huán)的控制變量主要運用直流母線電壓UC2。通過運用增量式PID，來對其進行相應的計算，并得出實際所存在的偏差之后，再運用PI調(diào)節(jié)器來對其加以處理，以此來形成一個正弦脈寬調(diào)制信號，最終實現(xiàn)并網(wǎng)。通過電流環(huán)控制并網(wǎng)變流器自流側和電網(wǎng)之間所存在的電能變換，這樣一來，變流器系統(tǒng)的抗干擾能力和動態(tài)響應，主要就是取決于電流內(nèi)環(huán)的性能。

圖5　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖

3　結論

綜上所述，本文主要是把光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)和導抗變換器有效的結合起來，并通過運用導抗變換器，來完成三相電流型光伏并網(wǎng)。相比于電壓型并網(wǎng)，具有體積小，抗干擾能力強，系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特征；若與傳統(tǒng)的電流型逆變器相比而言，通過合理的運用導抗變換器，來將光伏電池的電壓流加以轉(zhuǎn)換使之變成電流源，不僅能夠省去直流電抗器，還可以降低電抗器的體積，這樣一來，就可以在成本的降低的同時，來完成并網(wǎng)需要。

［1］李鵬飛.電力電子技術與應用.北京：清華大學出版社.2012.01

［2］陳春根，黃躍杰等.四種導抗變換器的特性比較.電氣傳動自動化，2004.26（6）

［3］秦碩等.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設計.太原科技大學學報，2015年2月

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.250