新型太陽能單相光伏逆變器應(yīng)用性能研究

陳卓，李宗原，韓聰

（許昌開普檢測研究院股份有限公司，許昌 461000）

引言

傳統(tǒng)能源隨著使用正在逐漸減少，對可再生能源的開發(fā)利用勢在必行，其中代表性的可再生能源即為太陽能，其作為無污染的綠色潔凈能源，被越來越廣泛的應(yīng)用于可再生能源開發(fā)中[1]。新型太陽能光伏發(fā)電從根本上解決了世界上逐漸減少的能源需求，被眾多學(xué)者研究而逐漸運用[2]。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電是眾多學(xué)者探討的主要方向之一，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件即為并網(wǎng)逆變器，為避免電流諧波向電網(wǎng)內(nèi)流入，需通過濾波器與電網(wǎng)連接，那么提升進入電網(wǎng)的電流質(zhì)量便成為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵問題[3]。

逆變器開關(guān)頻率及其整數(shù)倍的頻率位置為并網(wǎng)電流高次諧波的關(guān)鍵聚集之處[4,5]。LLCL濾波器屬于一種新型的濾波裝置，其之所以較傳統(tǒng)濾波器有更優(yōu)越的濾波效果，原因在于其將一個小電感值的電感串聯(lián)于傳統(tǒng)LCL濾波器的電容支路上，能夠與電容共同形成一個串聯(lián)諧振電路，且于開關(guān)頻率位置設(shè)置串聯(lián)諧振頻率，能夠更大的衰弱開關(guān)頻率位置的電流諧波，提升向電網(wǎng)輸送電流的質(zhì)量[6]。基于此本文針對新型太陽能單相光伏逆變器進行研究與分析，為提高輸送到電網(wǎng)電流的穩(wěn)定與質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 新型太陽能單相光伏逆變器性能分析

1.1 太陽能光伏發(fā)電的構(gòu)成

通過光伏組件半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換太陽光輻射為電能的整個過程即為太陽能光伏發(fā)電[7]。其構(gòu)成為：太陽能光伏電池陣列、蓄電池組、直流/交流逆變器與交直流負載等，優(yōu)點為無噪音、無污染且便于維護等。太陽能光伏發(fā)電構(gòu)成圖如圖1所示。

太陽能光伏發(fā)電的關(guān)鍵是太陽能光伏電池，當下太陽能光伏電池的類型主要有三種，分別為：單晶硅、多晶硅及非晶硅，其中光電轉(zhuǎn)換效率最高且最耐用的即為單晶硅[8-10]，所以在此采用單晶硅太陽能光伏電池設(shè)計本文系統(tǒng)。此電池板的短路電流與開路電壓分別為2.8 A、11 V。

圖1 太陽能光伏發(fā)電構(gòu)成圖

1.2 單相并網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略

1.2.1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由單晶硅太陽能光伏電池、逆變器、Boost DC/DC電路、操控電路共同構(gòu)成單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)[11]。為調(diào)整太陽能光伏電池陣列的輸出電壓，需由前級Boost電路對占空比進行調(diào)整實現(xiàn)，達到追蹤最大功率點電壓的目的；太陽能光伏電池最大功率的并網(wǎng)傳輸通過后級逆變電路完成。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，由太陽能光伏電池陣列PV、LLCL濾波器、DC/AC逆變器、DC/DC變換器與電路對應(yīng)的操控單元共同構(gòu)成主電路。在Boost DC/DC電路內(nèi)采用最高功率點追蹤控制方法對開關(guān)管的占空比進行操控，并對太陽能光伏電池在輸出最高功率時的電池端電壓eh進行追蹤，將作為DC/AC并網(wǎng)逆變操控內(nèi)逆變器操控的瞬間參考電流，且的峰值為太陽能光伏電池最高功率追蹤輸出時的直流電流Lmax，相位與頻率是電網(wǎng)電壓的相位與頻率。因而此控制方法不僅可以令并網(wǎng)逆變器追蹤電網(wǎng)的相位和頻率，而且可及時輸送最高功率到電網(wǎng)，完成最高功率點的追蹤；除此之外，另將電網(wǎng)電壓前饋控制與濾波電容電流內(nèi)環(huán)操控理念加入，提升整體控制系統(tǒng)的穩(wěn)固性[12]。以往的逆變器輸出電流內(nèi)的諧波分量大多采用LCL濾波器進行衰弱，這種濾波器的缺陷是當并網(wǎng)逆變器功率較高時，開關(guān)的頻率較低，使用此濾波器所需電感量較高，電感量值的提高對逆變器的操控不利且會造成成本的增長[13,14]。因此本文選用LLCL型濾波器用于并網(wǎng)逆變器的設(shè)計之中，不僅能夠?qū)⒉⒕W(wǎng)電流內(nèi)的諧波分量降低，且可以減少電感設(shè)計。

1.2.2 控制策略

太陽能光伏電池運行時最高功率的變換電壓以Hqw表示，設(shè)其為逆變器前端DC/DC的輸出電壓，并將逆變器設(shè)為一個Gpwm電壓增益的變換器，基于此可將圖2內(nèi)的并網(wǎng)逆變器和LLCL濾波器模型進行簡化成圖3所示的電路結(jié)構(gòu)圖。

由LLCL濾波器將一個小電感串聯(lián)到以往的LCL濾波器電容支路內(nèi)，與電容共同構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，其串聯(lián)諧振頻率表達式為：

通過圖3能夠?qū)LCL濾波器的等效模型得出，見圖4，并將系統(tǒng)開環(huán)的傳遞函數(shù)得出，其式為：

由于諧振尖峰的缺陷在使用LLCL濾波器的系統(tǒng)內(nèi)依然存在，并且其增益高于0 dB，因此為令系統(tǒng)更加穩(wěn)定，應(yīng)對諧振尖峰給予控制。對LLCL濾波器的控制可采用LCL諧振的有源或者無源阻尼的控制方式。在此選用串聯(lián)諧振電路電流內(nèi)環(huán)與網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)的雙電流閉環(huán)有源阻尼方法，且將電網(wǎng)電壓的前饋控制方式加入，降低并網(wǎng)電流因電網(wǎng)電壓干擾或畸變帶來的擾動[15]。前饋控制原理圖見圖5。

其中，Lref、Lkfjb分別表示給定的參考電流信號與逆變器實際輸出的并網(wǎng)電流，網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)調(diào)節(jié)器、串聯(lián)諧振電路電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)器分別表示為Kx、G，并網(wǎng)逆變器實際輸出電流的傳遞函數(shù)可依據(jù)圖5得出，即為：

式中，并網(wǎng)輸出電流和參考電流存在直接相關(guān)性，通過以上前饋控制可消除電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的干擾。

圖3 LLCL濾波的單相光伏并網(wǎng)逆變器

圖4 LLCL濾波器等效模型

圖5 電網(wǎng)電壓前饋控制原理圖

1.3 網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)PI控制

以電流內(nèi)環(huán)為控制對象的網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制模型見圖6所示。

表達式為：

將外環(huán)控制看作二階系統(tǒng)，那么其式為：

2 仿真實驗結(jié)果分析

通過對應(yīng)用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用效果進行檢驗，可驗證新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中逆變器應(yīng)用性能。實驗采用Matlab/Simulink建立新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表1。

圖6 網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)控制模型

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

2.1 動態(tài)性能

對實驗新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中采用的本文所研究的并網(wǎng)逆變器進行仿真實驗，觀察實驗過程中并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的變化情況，具體變化情況見圖7。

通過圖7可看出，在并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果中，電網(wǎng)電壓在0.15 s時突然出現(xiàn)下降趨勢，并網(wǎng)電流幅值在0.09 s時下降一半，并網(wǎng)電流可及時追蹤參考電流，且抗電網(wǎng)電壓干擾性能較好，說明采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具備較好的動態(tài)性能。

圖7 并網(wǎng)逆變器仿真結(jié)果

2.2 濾波性能對比

在仿真實驗中對電網(wǎng)電壓所存在的諧波次數(shù)進行模擬，分別為2、4、6、8、10次諧波。對新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中所使用的LLCL濾波器與傳統(tǒng)LCL濾波器進行對比，通過對二種濾波器濾波時的并網(wǎng)電流分別進行傅里葉分析，得出對比結(jié)果。見圖8。

通過分析圖8可得出，在電網(wǎng)電壓存在較大的2、4、6、8、10次諧波時，傳統(tǒng)的LCL濾波器濾波時在開關(guān)頻率周圍聚集大量并網(wǎng)電流的高次諧波，且其并網(wǎng)電流的諧波總畸變率（THD）為0.55 %；而采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的LLCL濾波器極大的衰弱了開關(guān)頻率周圍的并網(wǎng)電流諧波，且其THD值為0.38 %，低于LCL濾波器的THD值，由此說明，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的LLCL濾波器性能更優(yōu)越。

圖8 不同濾波情況下并網(wǎng)電流傅里葉分析

2.3 應(yīng)用性能對比

在此設(shè)定四種光照強度，依次為：0～0.1 s時光照強度是900 W/m2、0.1～0.2 s時光照強度是100 W/m2、0.2～0.3 s時光照強度是700 W/m2、0.3～0.4 s時光照強度是200 W/m2，將四種光照強度分別作用到采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)光伏電池與單相光伏離網(wǎng)型系統(tǒng)內(nèi)的光伏電池上，對比兩種系統(tǒng)在不同光照強度下，輸出電流的變化情況，驗證采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用性能，結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸出電流對比

通過分析圖9能夠得出，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電流與入射光強度成正比，既能夠及時追蹤系統(tǒng)內(nèi)光伏電池的最高功率，又能夠令輸出的并網(wǎng)電流更加穩(wěn)定，說明所研究逆變器提高了新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運行質(zhì)量，所研究逆變器的應(yīng)用性能較好。

3 結(jié)論

本文建立新型太陽能單向光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，對其核心位置的并網(wǎng)逆變器進行設(shè)計與分析，將LLCL濾波器用于逆變器中，可將諧波聚集較多的開關(guān)頻率位置的并網(wǎng)電流高次諧波衰弱，提升電流的質(zhì)量，采用電網(wǎng)電壓前饋控制提升系統(tǒng)的抗干擾能性能，結(jié)合網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)PI控制對電流內(nèi)環(huán)進行控制，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過仿真實驗驗證了本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好且輸出電流的質(zhì)量較高，由此說明本文新型太陽能單相光伏逆變器具備優(yōu)越的應(yīng)用性能。