單相光伏并網(wǎng)逆變器研究

陳煒煒，詹躍東

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500）

單相光伏并網(wǎng)逆變器研究

陳煒煒，詹躍東

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500）

以單相并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的理論分析，選擇適合其特點的逆變主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，全面分析全橋逆變電路的工作原理，給出主電路直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計思想和設(shè)計過程，推導(dǎo)并提供了主體電路關(guān)鍵參數(shù)的計算公式，得出相關(guān)結(jié)論。

單相并網(wǎng)系統(tǒng);光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；全橋逆變電路；設(shè)計

0 引言

能源影響著人類的生存和發(fā)展，與人類有著密切的關(guān)系，其中化石能源還是占據(jù)著主導(dǎo)地位。雖然化石燃料有著利用率高的特點，但是也存在著很多不可忽視的問題，比如化石燃料是有限的，并不是可再生的；化石燃料比如石油，天然氣在開采過程中都會造成環(huán)境污染等等。為了解決環(huán)境問題，能源有限性的問題，我們必須探索出一種清潔安全的可再生能源來替代目前的化石能源。目前光伏并網(wǎng)發(fā)電所利用的太陽能便是一種完全符合這些特點的可再生能源，受到了眾多科研人員的青睞。因此，為促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，解決能源危機，開發(fā)利用發(fā)展太陽能勢在必行[1-4]。

現(xiàn)如今，新能源已經(jīng)取代了化石能源成為了能源發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵詞，我國科研人員發(fā)現(xiàn)了大批的清潔能源，如太陽能，風(fēng)能，潮汐能等等，并對這些可再生能源加之開發(fā)利用，以提高能源利用率。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)便是其中一種。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并不是在其中加入成本過高，體積龐大的蓄電池以發(fā)電，而是使用了一張新型設(shè)備——并網(wǎng)逆變器，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，以提高發(fā)電效率。并網(wǎng)逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)著關(guān)鍵的地位，是系統(tǒng)的核心，其運行性能直接影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠和高效率運行。從目前的照明系統(tǒng)及微波站供電系統(tǒng)可以看出，直流系統(tǒng)還是光伏發(fā)電系統(tǒng)的第一選擇，其原理是由太陽能電池發(fā)出電能，蓄電池吸收其電能進(jìn)行充電，并對負(fù)載進(jìn)行供電。直流光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然有著結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點，但是因大多數(shù)民用電力是交流負(fù)載，并不能滿足標(biāo)準(zhǔn)化及兼容化，所以很難被人們所接受。為滿足市場需求，促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展，我們終將采用交流光伏發(fā)電系統(tǒng)以取代現(xiàn)行的直流光伏發(fā)電系統(tǒng)[8]。

1 實驗方案

1.1 研究現(xiàn)狀

為滿足可再生能源回饋電網(wǎng)的要求，現(xiàn)如今，光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)依然是以逆變器為主導(dǎo)，采用正弦波脈寬調(diào)制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)逆變技術(shù)，首先將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的形式，將電能調(diào)節(jié)成直流電壓，然后全橋逆變器將可再生能源回饋給交流電網(wǎng)。光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)其相應(yīng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

依目前能源形勢來看，并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有兩個特點：一是無市電接入時獨立作為電壓源逆變；二是在并網(wǎng)時作為電流源工作。并網(wǎng)逆變器的工作模式比獨立逆變器更為復(fù)雜，其在運行時有電壓控制和電流控制兩種工作模式。在電壓控制模式下的工作原理是電感L和電容C構(gòu)成濾波器，這種LC結(jié)構(gòu)決定輸出的動態(tài)響應(yīng)。而在電流控制模式下的工作原理與之不同，選用L或LCL的結(jié)構(gòu)，結(jié)果電感元件影響到了輸出的動態(tài)響應(yīng)。目前許多科研工作者發(fā)現(xiàn)，逆變器在無市電接入時獨立作為電壓源運行時，濾波器采用的是電感L和電容C結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的LC結(jié)構(gòu)；而逆變器在并網(wǎng)時作為電流源工作時，并未采用LC結(jié)構(gòu)，而是直接通過L、LC或者LCL和電網(wǎng)相聯(lián)。LCL結(jié)構(gòu)因有著更好的衰減性，在市場上還是處于領(lǐng)先地位，其在抑制電流諧波方面要優(yōu)于LC結(jié)構(gòu)，因此在制作研究并網(wǎng)逆變器的時候，研究人員會選擇LCL結(jié)構(gòu)作為濾波器，用以獲得較為純凈的進(jìn)網(wǎng)電流，不過因系統(tǒng)階數(shù)的提高，我們不得不對系統(tǒng)的控制策略提出更高的要求。

1.2 總體方案

并網(wǎng)逆變器主要包含了信號采樣電路、DSP單元、硬件控制電路、逆變器驅(qū)動電路、輔助電源、L濾波電路、隔離變壓器等組成，組成框圖如圖2所示[9]。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition diagram of photovoltaic grid-connected power generation system

圖2 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Grid diagram of grid-connected inverter system

其中硬件控制電路為該系統(tǒng)的重要組成部分，其采用硬件電路產(chǎn)生SPWM波來驅(qū)動IGBT，同時實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。DSP單元用來實現(xiàn)鎖相功能，其對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣輸出與電網(wǎng)電壓同步的正弦波送到硬件控制電路。采樣電路采用電壓電流霍爾傳感器來采集電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流[10]。驅(qū)動電路主要是對硬件控制電路輸出信號加工后實現(xiàn)驅(qū)動IGBT，其中濾波電路采用單電感濾波。為了使逆變器能夠并網(wǎng)運行，我們應(yīng)在電壓源電流控制下，采用控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓的相位和頻率的方法，保持幅值能夠以正弦的形式輸出，以保證較高的并網(wǎng)功率因數(shù)，這種控制相位和頻率的方法不僅較其他方法相對簡單，而且用硬件電路實現(xiàn)控制速度響應(yīng)快，DSP實現(xiàn)功能簡單易于實現(xiàn)。

2 組成原理及參數(shù)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)逆變主體電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

對于逆變電路結(jié)構(gòu)，我們采用的是單相全橋式逆變電路。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖 3所示，圖示 C1為直流側(cè)平波儲能電容，Us為整個逆變器的輸出電壓，L為濾波電感，T2為工頻隔離變壓器，其變比為1∶2，Unet為市電電網(wǎng)電壓。逆變器的輸出電路是由輸出電壓 Us，濾波電感 L和 T2（1∶2）工頻隔離變壓器組成，并與電網(wǎng)相接。選用單相輸出全橋式逆變電路作為逆變器的主體電路，選用Q1、Q2、Q3、Q4四只IGBT管作為功率開關(guān)元件，通過IGBT管的導(dǎo)通和截至狀態(tài)來控制電路輸出調(diào)制信號?，F(xiàn)實驗如下，將電路接上直流電源，然后先將功率開關(guān)元件Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，則可以根據(jù)電路圖可看出，電流的流動方向為電流先從直流電源正極輸出，經(jīng)過IGBT管Q1、濾波電感L、變壓器T2的初級線圈、IGBT管Q4后，回到直流電源負(fù)極。然后，將功率開關(guān)原件 Q1、Q4由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗琎2、Q3由截止變?yōu)閷?dǎo)通，電流從直流電源正極輸出，經(jīng)IGBT管 Q3、濾波電感L、變壓器 T2的初級線圈、IGBT管Q2后，再回到直流電源負(fù)極。兩種情況下，因兩種電流的出現(xiàn)，一個正負(fù)交變的方波在變壓器T2的初級線圈上形成。結(jié)合高頻SPWM控制方式，控制兩對IGBT管Q1和Q4，Q2和Q3交替重復(fù)進(jìn)行導(dǎo)通截止，兩對 IGBT管開關(guān)動作必須相反，此時輸出等效交流電壓，交流電壓在經(jīng)過濾波電感L的作用時，在輸出端形成了正弦波交流信號。我們還可以在逆變橋各臂上并聯(lián)反饋二極管，以用來給交流側(cè)向直流側(cè)反饋無功能量提供通道[11]。逆變器的原理是依靠其特性將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡瑢崿F(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換。逆變器將頻率不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率穩(wěn)定，波形畸變度滿足設(shè)計要求的交流電，達(dá)到了相位頻率緊跟電網(wǎng)，以高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)的目的。

圖3 系統(tǒng)逆變主體電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 System inverter main body circuit topology

在單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究中，我們選用的是雙極性SPWM調(diào)制方式，雙極性SPWM調(diào)制方式屬于正弦波脈寬調(diào)制SPWM，SPWM這種調(diào)制方式與其他調(diào)制方式相比，算法簡單，易于控制輸出，使得系統(tǒng)功能實現(xiàn)。SPWM調(diào)制方式中另一中調(diào)制方式為單極性調(diào)制。單極性調(diào)制開關(guān)損耗低，產(chǎn)生電磁干擾小，但是控制方式復(fù)雜，穩(wěn)定性較差；而雙極型調(diào)制雖然開關(guān)損耗相對較高，但是其控制方式相對簡易，輸出諧波易于控制，穩(wěn)定性較好等。綜合以上單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制的對比來看，雙極性SPWM更適合本單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究，因此采用雙極性SPWM調(diào)制方式，雙極性SPWM波調(diào)制波形如圖4所示。

2.2 主體電路參數(shù)設(shè)計

從系統(tǒng)逆變主體電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，經(jīng)過電路分析簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，得出了對應(yīng)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的工作示意圖，如圖5所示。其中Ud為直流側(cè)輸入電壓，Us為逆變器的輸出經(jīng)變壓器變比升壓后的電壓，L為濾波電感，Unet為市電電網(wǎng)電壓，ic為并網(wǎng)電流。

此時再根據(jù)圖5所示的工作示意圖，得出了并網(wǎng)逆變器的有關(guān)的兩個圖，圖6為交流輸出側(cè)的等效電路圖，圖7為逆變輸出的矢量和相位關(guān)系圖，如圖6和圖7所示?？梢詮倪@兩個圖中看出了各重要物理量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以便于數(shù)學(xué)分析及參數(shù)設(shè)計。

圖4 雙極性SPWM波調(diào)制波形Fig.4 Bipolar SPWM wave modulation waveform

圖5 并網(wǎng)逆變器的工作示意圖Fig.5 Grid diagram of the operation of the inverter

圖6 并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的等效電路圖Fig.6 The equivalent circuit diagram of the AC side of the grid-connected inverter

圖7 并網(wǎng)逆變輸出矢量關(guān)系圖Fig.7 Grid-connected inverter output vector diagram

2.2.1 直流側(cè)輸入電壓的Ud選擇

根據(jù)圖3所示系統(tǒng)逆變主體電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并結(jié)合電路分析可以知道，在并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，該電路運行可以看作為一個能量雙向流動轉(zhuǎn)換，該裝置不僅是一個降壓變換器，也可以看作是一個升壓變換器，取決于電流從直流側(cè)流向交流側(cè)或是從交流側(cè)流向直流側(cè)，如果是前者，則它就成了一個降壓變壓器，相反，它是一個升壓變換器。正是因為這個原因，我們可以論斷，為使系統(tǒng)能夠正常運行且不會發(fā)生故障，必須將交流側(cè)的峰值電壓小于并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)的電壓。綜合以上觀點，并結(jié)合工頻隔離變壓器和開關(guān)管 IGBT的性能，選取直流側(cè)輸入電壓Ud的范圍為200～400 V[12]。

2.2.2 直流側(cè)電容C的選擇

通常我們選擇大容量的電解電容器，使得交流側(cè)電感在開關(guān)過程中的瞬時能量交換和平穩(wěn)直流側(cè)輸入電壓能夠得到緩沖，不會造成電路出現(xiàn)短路或設(shè)備燒壞。根據(jù)并網(wǎng)逆變器工作示意圖結(jié)合數(shù)學(xué)分析，設(shè)直流側(cè)輸入開路電壓為dU ，直流側(cè)濾波電容的耐壓通常應(yīng)留有1.2倍裕量即：

電容值的選擇應(yīng)以直流母線電壓的波動限幅為依據(jù)，考慮極端情況，在功率開關(guān)元件 IGBT導(dǎo)通的時間段內(nèi)并網(wǎng)電流值完全由電容放電提供，且該時刻并網(wǎng)電流的大小為其峰值，電容C上的電壓和電流的關(guān)系滿足：

其中ci為并網(wǎng)電流有效值，tΔ為開關(guān)管導(dǎo)通時間。當(dāng)要求直流輸入電壓脈動的幅值小于3%時，電路中平波的選擇應(yīng)按如下方程：

將式（3）代入式（2），可得：

并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的額定電流為 ic=P/U=1000 VA/110 V≈10 A，直流側(cè)最小輸入工作電壓= 200 V，開關(guān)管IGBT導(dǎo)通頻率為f=12 kHz，綜合各元件參數(shù)考慮，直流側(cè)電容C的理論值應(yīng)大于300 μF，結(jié)合本設(shè)計拓?fù)鋱D，工作原理圖及所要達(dá)到的實驗效果，將直流側(cè)電容C選取400 V、800 μF的電解電容[9]。

3 結(jié)論

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過轉(zhuǎn)換電路，把電能送上電網(wǎng)，實際上它是一個有源逆變系統(tǒng)，但它和普通的逆變器又有很大的區(qū)別。通過對單項光伏并網(wǎng)逆變器的研究，我們得出如下結(jié)論。

（1）闡述了現(xiàn)如今化石燃料趨于耗盡，污染嚴(yán)重，需探索出清潔安全的可再生能源取代化石能源，且對可再生能源需進(jìn)行開發(fā)利用。結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀及創(chuàng)新點，分析了逆變系統(tǒng)的主要工作原理，經(jīng)過數(shù)學(xué)分析和電路分析，得出并網(wǎng)逆變器的工作原理圖及數(shù)學(xué)關(guān)系圖，并與直流側(cè)和交流側(cè)濾波器的設(shè)計依據(jù)相結(jié)合，對系統(tǒng)主體電路的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，得出相關(guān)計算公式，并選取了適合的元件參數(shù)。

（2）根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特性，其輸出的正弦電流信號應(yīng)與電網(wǎng)電壓同頻同相，但在實際的系統(tǒng)運行過程中，光伏電池受到多重因素的影響，輸出的直流電壓穩(wěn)定性，抗干擾性均很差，幅值頻率均易出現(xiàn)波動，經(jīng)DC/AC轉(zhuǎn)化后，轉(zhuǎn)化后的交流電流幅值也并不是絕對的穩(wěn)定，受外界因素影響也會出現(xiàn)上下波動的趨勢，且會出現(xiàn)波形畸變。這就需要根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，外界的干擾因素，并結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)及參數(shù)選取等等，對并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡量減少波形畸變的現(xiàn)象發(fā)生，使得頻率和幅值均趨于穩(wěn)定。

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Research on Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter

CHEN Wei-wei, ZHAN Yue-dong
(Faculty of information engineering and automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The single-phase grid-connected system is used as the research object, and the theoretical analysis of the PV grid-connected system is carried out. The topology of the inverter main circuit is selected, and the working principle of the full-bridge inverter circuit is analyzed comprehensively. Side and AC side of the filter design ideas and design process, derivation and provide the main circuit of the key parameters of the formula, draw the relevant conclusions.

Single-phase grid-connected system; Photovoltaic grid connection system; Full bridge inverter circuit; Design

TM464

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.038

本文著錄格式：陳煒煒，詹躍東. 單相光伏并網(wǎng)逆變器研究[J]. 軟件，2017，38（12）：197-201

陳煒煒(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術(shù)，分布式電源接入技術(shù)研究。

詹躍東(1963-)，男，教授，研究方向：電力電子技術(shù)，分布式電源接入技術(shù)研究。