分布式供電網(wǎng)絡(luò)中新型光伏并網(wǎng)逆變器研究

曹筱歐+鄭鳳柱+劉金華+李崢錚

摘 要： 并網(wǎng)逆變器在以光伏發(fā)電為電力來源的分布式供電系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的連接作用，其可將光伏陣列所發(fā)電能逆變?yōu)榕c電力網(wǎng)絡(luò)電壓頻率相同、相位一致的電壓與電流保證光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)正常運行。但傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器存在共模漏電流嚴重，中點電位二次脈動以及轉(zhuǎn)換電壓二次諧波含量較多的問題。為改善并網(wǎng)逆變器的逆變性能，設(shè)計一種新型無隔離變壓器結(jié)構(gòu)的單相逆變器。分析新型并網(wǎng)逆變器直流變換電路模塊和直流交流變換電路模塊的工作機理，并將其與傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器對光伏陣列所產(chǎn)生的電平處理效果進行仿真比較，結(jié)果表明，新型逆變器輸出逆變電壓二次諧波含量較傳統(tǒng)逆變器降低54.87%，具有較好的逆變功能。

關(guān)鍵詞： 分布式供電； 光伏陣列； 并網(wǎng)逆變器； 二次諧波

中圖分類號： TN711?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0180?03

Research on new type photovoltaic grid?connected inverter in distributed

power supply network

CAO Xiaoou1， ZHENG Fengzhu2， LIU Jinhua1， LI Zhengzheng2

（1. Binhai Power Supply Subsidiary Company， State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin 300450， China；

2. Beijing Guodiantong Network Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： The grid?connected inverter plays a key connection role in the distributed power supply system taking the photovoltaic power generation as the electric power source， which can invert the electric power generated by the photovoltaic array into the voltage and current which have the same frequency and same phase with the electric power network voltage， so as to guarantee the normal operation of the photovoltaic power generation system and electric power network. Since the traditional grid?connected inverter has the problems of serious common?mode leakage current， secondary pulsation of the neutral point potential and too much secondary harmonic content of the conversion voltage， a new type single?phase inverter without isolation transformer structure was designed to improve the invertion performance of the grid?connected inverter. The working mechanisms of the DC converting circuit and DC?AC converting circuit modules of the new type grid?connected inverter are analyzed. The voltage processing effect of the new type grid?connected inverter on the photovoltaic array is compared with that of the traditional one by the simulation mode. The result shows that the secondary harmonic content of the output inverting voltage of the new type inverter is decreased by 54.87%. The inverter has good invertion function.

Keywords： distributed power supply； photovoltaic array； grid?connected inverter； second harmonic

0 引 言

并網(wǎng)逆變器在光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其在光伏發(fā)電系統(tǒng)和新能源電力網(wǎng)絡(luò)之間起到關(guān)鍵的連接作用。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生直流電能，無法直接為電力網(wǎng)絡(luò)供電，需要將其逆變?yōu)榕c電力網(wǎng)絡(luò)電壓頻率相同、相位一致的電壓與電流。由此，光伏發(fā)電系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)才能正常運行。傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器存在共模漏電流嚴重，中點電位二次脈動的問題，轉(zhuǎn)換電壓二次諧波含量較多，為改善并網(wǎng)逆變器的性能，本文設(shè)計了一種無隔離變壓器結(jié)構(gòu)的單相逆變器，改善當前并網(wǎng)逆變器的性能。同時，分析新型并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)，并對其與傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器工作效果進行比較分析。

1 分布式供電網(wǎng)絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的提高，傳統(tǒng)集中式供電方式面臨發(fā)電方式結(jié)構(gòu)亟待優(yōu)化、能源利用效率、系統(tǒng)安全性和可靠性有待提高、環(huán)保能力有待提升等問題，而分布式供電系統(tǒng)卻能夠提高能源利用率、提升電力網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性、增強環(huán)保能力[1]。大電網(wǎng)與分布式供電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的供電方式，能大幅提高供電效率，優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，尤其在美加大停電之后，正逐漸成為世界電力行業(yè)發(fā)展的潮流[2]。

1978年，分布式供電網(wǎng)絡(luò)概念最先由美國公共事業(yè)管理政策法提出，之后在美國正式發(fā)展，逐漸被世界各國所接受。分布式供電方式的電能容量遠小于傳統(tǒng)的集中式供電方式，分布式供電方式采取分散化方式布置在電力用戶周圍，與“小機組”供電概念已有不同[3]。如圖1所示，相對于集中式供電網(wǎng)絡(luò)，分布式供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的輸配電損耗極低甚至為零，無需建設(shè)配電站，從而大幅度降低了電網(wǎng)運行的成本以及故障發(fā)生概率，提高了電網(wǎng)運行可靠性，降低污染，增強環(huán)保水平[4]。

當前經(jīng)濟水平與規(guī)模正在處于高速發(fā)展時期，我國電力需求日益增長亟待滿足，資源綜合利用效率也急需增加優(yōu)化。然而國內(nèi)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀仍是大規(guī)模、集中式的電網(wǎng)供電，即“大機組、大電廠、大電網(wǎng)”的電力系統(tǒng)，但為了更加合理地利用資源，分布式發(fā)電系統(tǒng)所占比例也正在逐漸提高，在北京、天津及內(nèi)蒙古、新疆、云南等地區(qū)均已存在較具規(guī)模的分布式供電網(wǎng)絡(luò)[5]。

2 光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)

作為傳統(tǒng)電力發(fā)電和水力發(fā)電的有益補充，新能源發(fā)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中日益占據(jù)重要地位。新能源發(fā)電方式有多種，例如風力發(fā)電、核能發(fā)電以及太陽能發(fā)電等方式，在這幾種發(fā)電方式之中，太陽能發(fā)電具有利于環(huán)保和發(fā)展經(jīng)濟的作用，所以歐美各發(fā)達國家正在致力于推動太陽能發(fā)電工作規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，至今為止中小規(guī)模的太陽能發(fā)電已發(fā)展成為了產(chǎn)業(yè)。太陽能發(fā)電有光伏發(fā)電和熱發(fā)電兩種方式，相對于太陽能熱發(fā)電方式，光伏發(fā)電方式具有維護簡單、功率調(diào)節(jié)方便等突出優(yōu)點，其在中、小型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)之中得到了較為廣泛的應(yīng)用[6]。光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否并網(wǎng)可分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種方式，相比于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)投資效益更高，作為大電網(wǎng)的支撐，光伏發(fā)電以微型供電網(wǎng)絡(luò)的方式連接到大電網(wǎng)上，增加了太陽能使用的靈活性，便于提高光伏發(fā)電規(guī)模。因此，光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)正在成為未來電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的潮流[7]。

如圖2所示，光伏并網(wǎng)分布式供電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏供電網(wǎng)絡(luò)、光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)調(diào)度控制中心等組成部分有機構(gòu)成。光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)指光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電力用戶需求的交流電之后直接接入供電網(wǎng)絡(luò)，同時可根據(jù)需要確定是否使用蓄電池[8]。帶有蓄電池的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性，大型并網(wǎng)光伏電站雖能直接將所發(fā)電能輸送到供電網(wǎng)絡(luò)供用戶使用，但建設(shè)周期長，投資大，而分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，尤其是光伏建筑一體化光伏發(fā)電建設(shè)時間短、經(jīng)濟效益高，因此成為了主要的光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)[9]。

3 光伏并網(wǎng)逆變器

光伏并網(wǎng)逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽逆變電路的可靠性較高，但利用效率降低，較難帶動感性負載[10]。全橋逆變電路具有續(xù)流回路，因此具有較好的感性負載帶動能力。但該電路也存在晶體管不共地、死區(qū)時間和電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征[11]。當前并網(wǎng)逆變器中存在共模漏電流嚴重，中點電位二次脈動的問題，轉(zhuǎn)換電壓二次諧波含量較多，為了改善并網(wǎng)逆變器的性能，設(shè)計一種無隔離變壓器結(jié)構(gòu)的單相逆變器。如圖3所示，為新型光伏并網(wǎng)逆變器的電路原理圖，逆變器電路分為DC/DC變換模塊和DC/AC變換模塊兩部分，前級DC/DC變換模塊能實現(xiàn)對光伏陣列發(fā)電范圍和最大功率點的追蹤以及實現(xiàn)光伏陣列電壓倍增的功能，后級DC/AC變換模塊能實現(xiàn)光伏陣列的并網(wǎng)發(fā)電功能。在這種光伏并網(wǎng)電路中，電感L1和電容C1，C2組合起到直流側(cè)濾波的作用，電感L2和電容C6，C7組合起到交流側(cè)濾波的作用，光伏陣列正極連接逆變器輸入端，負極與逆變器地端連接，可有效消除共模電壓，高頻切換的電容C3能控制輸出的能量大小，從而大幅減小相互串聯(lián)的電容C4和電容C5的容量。

如圖4所示，為光伏并網(wǎng)逆變器DC/DC模塊的原理圖。其中，開關(guān)管Q1和Q2的驅(qū)動脈沖相互補充，電感L1和電容C3相互組合具有升壓斬波的功能，二極管D3和D4能鉗制升壓斬波后的電壓。當Q1導(dǎo)通時，電感電流經(jīng)過D1和Q1進行儲能，直流狀態(tài)的電流開始逐漸增加，但由于D3具有鉗制作用，電容C3和C5的電壓基本保持一致。當Q1關(guān)斷之后，電感電流經(jīng)過D1和D6形成環(huán)路，電容C3開始進行儲能，同時D4起到鉗制的作用，電容C3和C4的電壓基本保持一致。

如圖5所示，為光伏并網(wǎng)逆變器DC/AC模塊的原理圖，當輸出交流電壓在正半周期時，當交流電流的方向不論是流入逆變器或是流出逆變器，T3，T4導(dǎo)通時，逆變器輸出均為正電平。T5，T6導(dǎo)通時，逆變器輸出電壓為零伏，這一變化過程存在對C4的充電和放電。當輸出交流電壓在負半周期時，不論交流電流的方向是流入逆變器還是流出逆變器，輸出的電平狀態(tài)在負電平和0 V之間進行切換，存在對電容C5的充電與放電。

4 并網(wǎng)逆變器工作效果分析

針對設(shè)計的逆變器的參數(shù)，對相同的光伏陣列輸入的直流電壓，利用Matlab仿真軟件，當輸入逆變器的光伏陣列的直流電壓為120 V，輸入功率為6 kW，中間直流電壓為800 V，電壓脈動限制為25 V，開關(guān)頻率為13 000 Hz時，分別應(yīng)用新型光伏并網(wǎng)逆變器和傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器進行對比分析處理，見圖6。分別應(yīng)用傳統(tǒng)逆變器和新型逆變器對光伏陣列輸入電平進行分析，處理之后進行比較，經(jīng)過處理傳統(tǒng)逆變器處理后電壓的二次諧波含量為1.95%，而新型逆變器處理之后電壓的二次諧波含量為0.88%，較傳統(tǒng)逆變器降低了54.87%。由此可知，新型逆變器的處理效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)逆變器。

5 結(jié) 語

為了改善并網(wǎng)逆變器的性能，設(shè)計一種無隔離變壓器結(jié)構(gòu)的單相逆變器。通過分析新型并網(wǎng)逆變器電路特征，對其與傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器工作效果進行仿真比較，得出新型逆變器輸出逆變電壓二次諧波含量較傳統(tǒng)逆變器降低54.87%，取得較好的逆變效果。

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