光伏并网逆变器的设计与控制

2011 年第 2 期 （ 总第 65 期 ） 2011 年 2 月收稿日期 2010-12-21作者简介 潘 龙 ， 1970 年生 ， 男 ， 江苏宜兴人 ， 1992 年毕业于江苏工学院 （ 今江苏大学 ） 电气技术专业 ， 董事长 、 总经理 。技术研究光伏并网逆变器的设计与控制潘 龙（ 江苏龙腾工程设计有限公司 ， 江苏 宜兴 214206）摘 要 光伏并网发电具有广泛的应用前景 ， 叙述了并网逆变器在光伏并网发电中所起的作用以及不同逆变器的特点 ，指出 ， 光伏并网逆变器的技术关键在于对电流和功率的控制 。关键词 光伏发电 ； 逆变器 ； 拓扑结构 ； 控制策略中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 2095-0802-（ 2011） 02-0083-03Design and Control of PV Grid inverterPAN Long（ Longteng Engineering Design Co． Ltd， Yixin 214206 ， Jiangsu ， China ）Abstract PV power has broad applications， PV Grid inverter has an important part in the PV power． Different inverter has differ-ent features， its key is to control current and power．Key words PV power； inverter； topological structure； control strategy0 引言随着经济社会的不断高速发展 ， 人类对能源的需求在不断增长 。 由于不可再生资源的日益紧张及人们对环境保护的重视 ， 开发利用新能源越来越受到人们的重视 。 电力系统正面临着巨大的变革 ， 其中 ， 光伏发电以其环保 、 可持续等独特的优点 ， 被公认为最具技术含量和发展前景的技术之一 。 逆变技术是光伏发电并网的关键技术 ， 并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置 ， 在新能源的开发和利用中有着至关重要的作用 ， 直接影响着光伏并网发电系统的经济性 、 可靠性 。 因此 ， 提高逆变器的性能 、 开关频率及功率密度便成为了近年研究的热点 。1 光伏发电对逆变器的技术要求光伏并网发电系统通常由光伏阵列 、 逆变器及控制器组成 ， 其中 ， 逆变器是连接光伏阵列与电网的关键部件 ， 它在系统中承担着 2 项任务 ， a） 控制光伏阵列最大功率点运行 ； b） 将太阳能电池产生的直流电转换成交流电并输入公共电网 ， 其典型结构见图 1， 电路原理见图 2。图 2 中 ， Up 为逆变器输出电压 ， Uu 为电网电压 ， R为线路电阻 ， L 为串联电抗器 ， Iz 为回馈电网电流 ， 其中 ， 电网回馈电流的相位要与电网电压相位一致 。在这个系统中 ， 逆变器因为与电网相连 ， 因此 ， 其图 1 光伏发电系统结构简图图 2 光伏并网电路原理图必须满足电网电能质量 、 防止孤岛效应和安全隔离接地等要求 。 首先 ， 就满足电网电能质量来说 ， 逆变器输出的正弦波失真度要小 ， 因此 ， 要控制逆变器的开关频率 。 在数控逆变器中 ， 采用 DSP新型处理器可明显提高其频率性能 ， 有效提高光伏发电系统的效率 。 同时 ，所有并网逆变器都必须具有防止孤岛效应的功能 ， 必须能够及时检测电网断电并切离电网 。 为了保证电网和逆变器的安全可靠 ， 必须使逆变器与电网能够有效隔离 ， 通常采用变压器实现它们之间的隔离 。光伏阵列的输出电压由于受日照强度和环境温度的影响 ， 有较大范围的波动 。 因此 ， 必须使逆变器能在较宽的直流输入电压范围内正常工作 ， 且调节光伏阵列输出电压趋近于最大功率点的输出电压 。 从用户的角度来说 ， 成本低 、 效率高 、 可靠性高 ， 使用寿命长是对逆变器的要求 。 因此 ， 逆变器不仅必须具有合理的电路和结构 ， 而且还应具有输入交流输出短路 、 直流极性382011 年第 2 期 2011 年 2 月反接 、 过热过载等各种保护功能 。 要尽量减少中间环节的使用 ， 以节约成本 ， 提高效率 。2 逆变器结构为了能设计出符合上述要求的并网逆变器 ， 多数人都集中于研究逆变器的拓扑结构及控制方法 。 逆变器的拓扑结构有很多种 ， 常用的是全桥结构 。 根据采用隔离变压器的类型 ， 并网逆变可分为低频环节 、 高频环节以及非隔离型并网逆变 。2. 1 低频环节并网逆变器低频环节并网逆变器是早期光伏发电系统采用的逆变器 。 它由工频或高频逆变器 、 工频变压器以及输入 、 输出滤波器构成 ， 其电路结构见图 3。图 3 低频环节并网逆变器电路结构由这个结构不难看出 ， 它是 1 个单级逆变系统 ， 即把太阳能电池的直流电逆变成工频低压交流电 ， 再通过工频变压器升压成 220 V， 50 Hz 的交流电并入电网或供负载使用 。 其拓扑结构包括推挽式 、 推挽正激式 、半桥式 、 全桥式 、 多重叠加式等电路 ， 以全桥式为例 ， 其拓扑结构见图 4。图 4 低频环节并网逆变器拓扑结构这种逆变器的优点在于 ， 电路结构简洁 ， 所用元器件少 ， 损耗小 ， 转换效率高 ， 容易控制 。 但是 ， 系统成本高 ， 且变压器体积和重量大 ， 噪声也比较大 ， 因此 ， 其注定要被高频逆变器所取代 。2. 2 高频环节并网逆变技术高频环节并网逆变器由高频逆变器 、 高频变压器 、整流器 、 极性反转逆变桥以及输入 、 输出滤波器组成 ，其电路结构见图 5。从这个结构不难看出 ， 直流电经过高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电 ， 经高频整流滤波电路得到高压直流电 ， 再由工频电路实现逆变 。 它主要包括两部分 a） 前级为 1 个直流变换电路 ， 其功能在于将光伏阵列输出的直流电压变为较高的直流电压 ， 并跟踪光伏电池输出最大功率点 ； b） 后级是工频逆变环节 ， 它将直流电变换为交流电并输入电网 。其拓扑结构包括单管并联交错单管正激式 、 正激式 、 推挽式 、 双管正激式 、 推挽正激式 、 并联交错双管正激式 、 半桥式 、 全桥式等 ， 我们以全桥式为例 （ 见图 6） 。这种电路由于采用了高频变压器的隔离方式 ， 因此 ， 具有体积小 、 重量轻的优点 ， 且它利用变比调节电压增益的方式 ， 能够满足最大功率的跟踪和直流电压输入范围的要求 。 由于存在高频逆变和工频逆变两个逆变 ， 因此 ， 整个系统电路相对复杂 。图 5 高频环节并网逆变器结构图3 控制策略如前所述 ， 为了实现控制光伏阵列最大功率点运行及将太阳能电池产生的直流电转换成交流电并输入公共电网 ， 就需要对电流及功率进行控制 ， 电流的控制通常采用各种优化的 PWM 控制策略 ， 而功率的控制则主要通过最大功率点跟踪来实现 。3. 1 最大功率控制方法光伏阵列由于受环境温度 、 光照强度等多方面因素的影响 ， 其输出的电流电压具有非线性特征 。 只有在某一电压值下 ， 其输出功率才达到最大值 。 此时 ， 光482011 年第 2 期 潘 龙 光伏并网逆变器的设计与控制 2011 年 2 月图 6 高频环节并网逆变器拓扑结构浮电池的工作点称之为最大功率点 。 为了提高系统的整体效率 ， 必须对此最大功率点进行跟踪 ， 常用的跟踪方法有 CVT 和 MPPT 2 种方式 。 CVT 是通过将光伏阵列端电压稳定于某个值而确定最大功率点的 ， 采用这种方式 ， 控制简单 ， 且系统比较稳定 。 但是 ， 这种方式忽视了温度对阵列开路电压的影响 ， 以常规单晶硅太阳能电池为例 ， 当环境温度每升高 1 ℃ 时 ， 其开路电压下降率约为 0. 35～ 0. 45 ， 这样其最大功率点自然偏离 。 MPPT则没有这种缺陷 ， 它采用一定的控制算法来实时检测光伏阵列的输出功率 ， 跟踪光伏阵列最大功率工作点 ， 这是 1 种自主寻优的方式 。 因此 ， 动态性较好 ， 且比较准确 。 尽管目前应用的比较广泛 ， 但是其稳定性却不如 CVT。 因此 ， 可以在外环增加 1 个稳压控制环节 ， 提高系统的稳定性 。 根据算法的不同 ， 实现方式有很多种 ， 如 ， 导纳增量法 、 扰动观测法 、 模糊逻辑控制方法 、 最优梯度法 、 神经元网络控制法等 。3. 2 并网控制逆变器的交流输出的控制方法分电压控制和电流控制两种方法 。 电压控制方式在速度和稳定性上有欠缺 ， 所以 ， 常采用电流控制方式 。 电流控制方式又分为间接电流控制和直接电流控制 2 种方式 。 其中 ， 间接电流控制又称幅相控制 ， 它是根据稳态电流向量的给定对 PWM 电压基波向量的幅值和相位 ， 分别进行闭环控制 ， 间接实现对并网电流的控制 。 由于这种方法建立在稳态电量关系的基础上 ， 其前提条件是电网电压不发生畸变 ， 但实际上 ， 电网由于受多方面因素的影响 ， 畸变的发生往往不可避免 ， 因此 ， 采用这种方法得到的动态性能往往存在着比较大的偏差 ， 从而影响系统的控制效果 。 因此 ， 在实际中 ， 响应速度快 、 稳定性以及调节性能优良的直接电流控制采用得更加广泛 ，它采用的是电压外环 、 电流内环的双环控制模式 ， 它通过检测并比较电流内环的反馈信号与电压外环的输出信号来控制功率开关的占空比 ， 这样 ， 功率开关的峰值电流就直接与电压反馈回路中误差放大器输出信号相一致 。 从方法上来说 ， 目前采用的都是 PWM 非线性控制方法 ， 包括瞬时值滞环比较方式 、 定时比较方式和三角波比较方式 。 以瞬时值滞环比较方式为例 ， 它是通过把电流参考值与实际输出电流相比较 ， 他们之间的偏差经过滞环比较后产生 PWM 信号 ， 以此触发或关断主电路功率开关器件 ， 从而控制电流的变化 （ 见图 7） 。图 7 瞬时值滞环比较示意图采用这种方式 ， 线路相对简单 ， 跟踪精度高 ， 响应速度也快 。 由于电力半导体开关频率是变化的 ， 所以滤波器设计相对复杂 ， 通常使用滞环宽度跟踪电流增量的变化实现自动调节 。 这样又会使得电路结构变得非常复杂 。4 实验研究根据前面所述 ， 我们设计了 1 套额定功率 200 W的光伏并网逆变器 ， 系统结构见图 8。图 8 光伏并网逆变器系统在这个系统中 ， 光伏阵列用 4 块 50 W 的多晶硅太阳能电池组成 ， 额定输入功率 200 W， 输入直流电压 50V ～ 80 V， 输出交流电压 220 V， 频率 50 Hz， 太阳能电池的输入电压和电流用安培表和伏特表测量 ， 并网逆变器输出交流电压和电流用 FLUKE 43 B 电能质量分析仪检测 。 通过测试计算表明 ， 太阳能电池的输出电压在 62 V 左右 ， 输出电流为 3 A， 输出功率为 186 W， 逆变器的输出电压为 230． 9 V， 输出电流为 0． 623 A， 输出功率为 145 W， 逆变器的效率为 0． 78， 逆变器输出功率因数为 0． 97， 与电网的电压 、 频率以及相位基本一致 。因此 ， 这个系统输出的电能质量基本令人满意 。（ 责任编辑 李妍彬 ）檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱殗殗殗殗能源知识能源安全体系能源安全体系是指 1 个国家或地区为保障能源供需平衡 、 协调 ， 规避能源供需风险 ， 所建立起来的与能源安全相关的法规 、 体制 、 储备制度 、 预警系统和应急预案等一整套政策措施 。58