单相光伏并网逆变器的综述

安徽工业大学姓 名：高 龙 学 号： 20110270专 业： 电力电子与动力传动专 题： 单相光伏并网逆变器综述指导老师： 陈宗祥单相光伏并网逆变器的综述高 龙（安徽工业大学电气信息学院，安徽，马鞍山， 243002）摘要 ： 本文对国内外单相光伏并网逆变拓扑结构、控制策略、 MPPT 控制等方面发展现状进行了概述，并对单相光伏并网逆变的发展进行了总结和展望。理论和实践都已证明，单相光伏并网逆变器技术具有极大的发展前景，是光能应用方面的关键技术。关键词： 单相光伏并网逆变器，逆变器的拓扑结构，控制策略，最大功率点跟踪中图分类号： TM 文献标识码： A 文章编号：Summary of Single-phase photovoltaic inverter Gao Long (School of Electric and Information, An Hui University of Technology, Ma ’ anshan 243002, An Hui China) Astract: the development of domestic and international single-phase photovoltaic inverter, various inverter topologies, different control strategies for the PV inverter, usual MPPT(Maximum Power Point Tracking)algorithms is summarized in this thesis. Theory and practice have proved that Single-phase photovoltaic inverter technology has great development prospects ,and is the key technologies of solar energy applications. Keyword: Single-phase photovoltaic inverter, inverter topologie, control strategy for the PV inverter, MPPT (Maximum Power Point Tracking)algorithms0. 前言太阳能光伏发电是当今备受瞩目的热点之一 , 光伏产业正以年均 40%增长量的速率发展。 太阳能光伏发电装置主要有光伏电池模块和逆变器构成。 【 1】 逆变器作为光伏阵列和电网接口的主要设备， 它的性能决定着整个光伏发电系统的性能。为了将光伏阵列产生的电能最大限度地馈入电网，并提高其运行的稳定度、可靠性和精确度，对并网逆变器的主电路拓扑选择、滤波器参数设计及其控制策略选取等进行深入研究有重大的现实意义。1．我国光伏并网发电的前景分析及国内外并网逆变器技术的研究现状1.1 我国光伏并网发电的前景分析根据“可再生能源中长期发展规划” , 到 2010年我国太阳能发电设备累计装机容量将达到 500MW,其中300～ 350MW用于解决边远地区无电区的供电。 2020年达到 2000MW,为我国太阳能发电产业的发展提供了巨大的市场机遇。并网型户用太阳能发电设备将是我国太阳能发电产业的一个主要市场。根据 2006年 1月 1日实施的《可再生能源法》 , 并网型户用太阳能发电设备可以合法地与电网相联 , 在白天可以把太阳发电设备发出的多余的电供给电网 , 在晚上可以由电网供电 , 标志着太阳能发电由边远和海岛地区的特殊供电电源向一般电网电源发展 , 由补充能源向替代能源发展。不过 , 目前并网型户用太阳能发电设备的上网电价远远高于电网城乡电价 , 只有通过试验性并网型户用太阳能发电设备 , 解决关键技术问题 , 使发电成本降到接近火力发电成本 ,并网型户用太阳能发电设备才能实现真正意义上大规模推广。 【 2】1.2 并网逆变器技术研究现状近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。 SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业 （德国市场占有率达 50%以上） ， 约占全球市场份额的三分之一，第二位是 Fronius 。全球前七位的生产企业占领了近 70%的市场份额。目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有南京冠亚、合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、 KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。 2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据 70%以上的光伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。 【 3】2．光伏并网逆变器的拓扑结构光伏并网逆变器的具体电路拓扑有很多，一般按其不同的特性可从变压器的有无及类型、功率变换的级数等角度进行分类．2.1 按变压器分类的拓扑结构根据逆变器是否含有变压器及其变压器的类型，可以将光伏并网系统分为无变压器型 (transformerless) 、工频变压器型 (line-frequency transformer ， LFT) 和高频变压器型 (high-frequency transformer ， HFT)。如图 1所示，光伏并网系统中有变压器的拓扑方案主要是三种： (a) 工频变压器型，置于工频电网侧的 LFT可以阻止电流直流分量注入电网； (b) 高频变压器在 Dc-Ac变换器内； (c) 高频变压器在 DC-DC变换器内。UgDCACLFTUgDCACACACHFTDCACACDCHFTACDCUgPV(a)工频变压器型 （ b）高频变压器在 DC-AC内（ c）高平变压器在 DC-DC内图 1 三种含有变压器的光伏并网逆变器的拓扑方案2.2 按功率变换级数分类的拓扑结构按照光伏并网系统中功率变换的级数分类，并网逆变器一般可分为单级式变换 (Single-Stage Inverter)和多级式变换 (Multiple-Stage Inverter) 两种拓扑方案，如图 2所示。图 2(a) 所示为单级式逆变器的结构框图，单级式逆变器只用一级能量变换就可以完成升降压和 Dc— Ac转换的逆变器，它具有电路简单、元器件少、可靠性高和高效低功耗等诸多优点，所以在满足系统性能要求的前提下，单级式拓扑。结构将会是首选 【 4】 ，这种拓扑也是集中式光伏并网系统常采用的典型拓扑。DC/AC变流器输出滤波器 UgDC/ACDC/DC DC/ACAC/ACUg输出滤波器光伏阵列光伏阵列变流器 变流器（ a）单级式（ b ）多级式图 2 按功率变换级数分类的单相光伏并网的逆变器拓扑方案DC-DC-AC、 DC-AC-DC-AC和 DC— AC— AC。 DC-DC-AC为目前较为常用的一种拓扑，其前级为 DC— DC，后级为 DC— AC。前级 DC— DC可用于实现电压升压和直流母线稳压功能；后级 DC— AC用于实现光伏阵列的 MPPT、输出电流正弦化并网、孤岛效应检测和预防等功能。由于这种两级式拓扑简化了每一级的控制方法，使得每一级可以专注于各自控制方法的质量和效率。3．光伏并网逆变器控制策略根据直流侧滤波结构的形式，逆变器可分为电压源和电流源两类。电压源逆变器直流端并联大电容，它既抑制直流电压纹波，减小直流电源内阻，使直流侧近似为恒压源，另方面又为来自交流侧无功电流的流传提供通路；而电流源逆变器在其直流输入侧需串联一个大电感，来抑制直流电流的纹波，使直流侧近似为恒流源， 但是大电感的存在将导致系统的动态响应变差 【 5】【 6 】 。 目前光伏并网逆变器大部分采用电压源逆变器，因此，接下来注重分析研究电压源逆变器的控制策略。3.1 输出控制方式按其控制对象的不同，并网逆变器的输出控制方式有电压控制和电流控制两种，与之对应的逆变器名称分别为电压型逆变器和电流型逆变器 【 6】 。在逆变器与电网进行并联运行时，电网可看作一个容量无穷大的交流电压源。如果并网逆变器采用电压控制方式，则系统就相当于两个电压源并联运行。为了确保系统能够稳定并网运行，就必须利用锁相控制技术，使并网逆变器的输出电压与电网电压同步，并在此基础上通过调整其输出电压的幅值及相位来调节其输出电流的大小，从而实现其输出功率的调节。逆变器输出电压的频率、幅值和相位必须与电网电压的频率、幅值和相位一致，以减小并联环流的产生。而对于采用电流控制方式的并网逆变器，只需要控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，同时设定输出电流的大小，就可以实现的稳定并网运行，其控制方法相对简单，效果也较好，因此得到了广泛应用 【 7 】 。3.2 输出电压控制策略电压源电压控制策略的控制对象虽然是输出电压，但是由于逆变器在并网运行时，其输出电压即为电网电压，所以必须通过调节输出电流以达到其输出功率调节的目标。在这种并网控制策略下，主要是通过模拟或数字采样得到逆变器输出电流的大小， 一般以其有效值或平均值作为反馈量来控制输出电压的大小。如图 3为输出电压控制原理图。 采样并网电流 Ig 作为反馈量， 与设定值比较后作为电压反馈控制的参考基准Uref 。；同时电流 Ig 的过零用于改变 Uref 的相位来调节输出电压的相位，使输出电流 I g与电网电压的相位差为零，即同相，以实现其向电网输出功率大小的调节。+ - 控制器Ig 过零 Uref+ +Uref*UoeSPWM 信号+ - 比较器IrefIgIe相位调整图 3 输出电压控制原理图3.3 输出电流控制策略电压源电流控制采用的是输出电流反馈的电流源工作模式，它直接控制并网逆变器输出电流的幅值和相位。该控制策略主要有电流瞬时值反馈与三角波比较控制、电流瞬时值反馈滞环控制、复合控制、重复控制和无差拍控制等。(1) 电流瞬时值反馈与三角波比较控制该控制策略是将并网逆变器的输出电流反馈量与参考电流比较后，通过控制器调节，再与高频三角波进行比较，从而生成 SPWM信号来控制逆变器的输出电流，其控制原理图如图 4所示。图中控制器多采用比例或比例积分调节，该方法实现简单、可靠，但是存在响应速度慢，输出电流相位漂移的问题 【 9】 。+ - 控制器 比较器IrefIgIe SPWM 信号图 4电流瞬时值反馈与三角波比较控制原理图(2) 电流瞬时值反馈滞环控制电流瞬时值反馈滞环控制的原理如图 5所示，该控制策略是将并网电流与参考电流进行比较，两者的偏差 I e作为滞环比较控制器的输入， 通过滞环比较器产生控制功率器件通、 断的 PWM信号， 实现对并网电流的控制。它具有控制简单，实时控制、电流响应速度快、输出电流电压波形不含有特定次谐波等优点，但是功率管开关频率随负载电流变化而变化，同样逆变器输出电压的谐波频率也随之变化，增加输出滤波器的设计难度 【 10】 。+ -IrefIgIe 滞环比较控制器 PWM 信号图 5 电流瞬时值反馈滞环控制原理图(3) 重复控制逆变器带整流桥等非线性负载时，输出电压波形的畸变具有周期性重复出现的特点，因此可用重复控制方法来改善。 它的基本思想是把作用于系统外部信号的数学模型植入控制器， 以构成高精度的反馈控制，其主要目的是消除整流型负载所引起的输出波形周期性畸变。总的来说，该控制策略可以有效抑制逆变器输出电压波形中的重复性扰动，但对外部突然的干扰，控制效果欠佳 【 11 】 。(4) 无差拍控制（ b）阵列的温度变化，光照强度变化无差拍控制是一种全数字的控制方法。 它利用空间矢量理论， 根据上一周期的逆变器指令信号 ( 输出电压或电流 ) 及实际输出信号值，确定逆变器下一开关周期的工作，对于 PWM逆变器就是确定下一开关周期功率器件的占空比。因此它最大的优点就是响应速度快，可大大提高 PWM逆变器的动态响应。但它要求占空比必须当拍计算当拍输出，否则会影响系统的特性，甚至破坏系统的稳定性。4．光伏并网发电系统 MPPT控制的研究当日照强度和环境温度变化时，光伏阵列输出电压与电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之改变。即使在外部环境稳定的情况下，光伏阵列的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏阵列达到阻抗匹配时，光伏阵列才会输出最大功率，此时光伏阵列工作在最大功率点 (Maximum power Point ， MPP)。为了充分发挥光伏阵列的效能和提高系统的整体效率，需要根据外部环境和负载情况，不断调节光伏阵列的工作点使其处于 MPP附近， 这一过程就是最大功率点跟踪 (MPPT)， 它是光伏并网逆变器的重要特性之一。本章在分析单体光伏电池特性的基础上，简要介绍了光伏阵列的固定电压法 (Constant Voltage Tracking ，简称 CVT)、扰动和观测法 (Perturb — and-observe method ，简称 P&O)、电导增量法(Incrementa1 Conductance hlgorithm ，简称 IncCond) 等 MPPT控制策略。4.1 光伏阵列的输出特性4.1.1 光伏阵列单体光伏电池的输出电压、 电流和功率都很小， 一般来说， 输出电压只有 0.5V 左右， 输出功率只有 1-2w，不能满足作为电源应用的要求。为了提高输出功率，根据实际需要可将许多单体光伏电池通过串联、并联或者串并联混合连接的方式连接起来，并封装成组件。在需要更大功率的场合，则需要将一定数量的光伏组件经过串并联构成阵列，以提供数值更大的电流，电压输出。具体需要多少个组件及如何连接组件与所需电压 ( 电流 ) 及各个组件的参数有关，由系统设计确定。4.1.2 光伏阵列 I-V 特性如图 6所示光伏阵列的 I — V特性曲线。图中 (a) 所示为阵列温度不变，日照强度变化情况下的， I-V 特性曲线，它表明：①光伏阵列的短路电流随日照强度增强而变大，而开路电压变化不大；⑦在虚线 A的左侧，光伏阵列的特性近似为电流源，右侧近似为电压源；③虚线 A对应最大功率点时光伏阵列的工作电流，约为阵列短路电流的 90％。图中 (b) 所示为日照强度不变，阵列温度变化情况下的， I-V 特性曲线，它表明：①光伏阵列的短路电流受电池温度影响不大，随着温度的上升短路电流仅略有增加；②光伏电池的开路电压随着温度的上升而下降，且变化范围较大。图 6光伏阵列的 I-V 特性曲线4.1.3 光伏电池的 P-V特性（ a） 阵列的温度不变， 光照强度变化如图 7所示光伏阵列的 P-V特性曲线。图中 (a) 所示为阵列温度不变，日照强度变化情况下的 P-V特性曲线，它表明：①光伏阵列的最大输出功率随着日照强度增强而变大，且在日照条件不变的情况下具有唯一的 MPP；②在 MPP的左侧，输出功率随光伏阵列的端电压上升呈近似线性上升趋势；在 MPP的右侧，输出功率随着端电压的上升而快速下降，且下降的速度远大于上升速度；③在阵列温度一定的情况下， MPP对应的输出电压 VMPP基本保持不变，大约为开路电压的 78％。图中 (b) 所示为日照强度不变，阵列温度变化情况下的P-V特性曲线，它表明：①光伏阵列输出功率总的变化趋势与不同日照强度情况下的功率变化相似，但在同一日照强度下，其最大输出功率随阵列温度的上升而下降；② MPP对应的工作电压随着温度的上升而下降。图 7 光伏阵列的 P-V特性曲线由此可知，光伏阵列的输出功率与它所受的日照强度、自身温度有着密切的关系。在不同外部环境条件下，光伏阵列的输出功率将会有较大的变化，因此光伏发电系统必须采用相关的电路和控制方法等措施使其输出最大功率。4.2 MPPT的控制策略MPPT的控制策略实时检测光伏阵列的输出功率，利用一定的控制算法预测当前光伏阵列可能的最大输出功率，从而改变当前的负载阻抗来满足最大功率输出的要求。4． 2． 1 MPPT的基本原理在假定阵列的结温不变的情况下，光伏阵列的， I-V 特性曲线如图 8所示。图 8 MPPT工作原理示意图图中曲线 I 、Ⅱ分别对应于不同日照下光伏阵列的， I-v 特性曲线， B、 A分别为其最大输出功率点，负载 1、负载 2为两条负载特性曲线。当光伏阵列工作在 A点时，日照突然加强，光伏阵列的输出特性由曲线Ⅱ上升到曲线 I 。如果此时保持负载 1不变，光伏阵列的工作点将转移到 A’点，这样就偏离了相应日照强度下的 MPP。为了使光伏阵列在特性曲线 I 上仍能输出最大功率，就需要其工作在特性曲线 I 上的 B点，即必须对阵列温度不变、日照强度变化 日照强度不变、阵列温度变化它的外部电路进行控制，使其负载特性变为负载曲线 2，以实现与光伏阵列的功率匹配，从而使其输出最大功率。同理，如果日照强度减弱，使得光伏阵列的输出特性由曲线 I 减到曲线Ⅱ时，则相应的工作点由 B点转到 B’点，应当控制负载从特性曲线 1变为曲线 2，以保证在日照强度减弱的情况下，光伏阵列仍工作在最大功率点 A处 [12][13] 。光伏阵列的短路电流和开路电压易受日照强度和温度的影响，系统的工作点因此而不固定，造成系统效率降低。为了充分利用太阳能，并网发电系统必须实现 MPPT，以便光伏阵列在任何环境下能够获得最大功率输出。 MPPT实质上就是在光强和温度变化的条件下白寻优的过程，常用的控制方法有固定电压法、扰动观测法、增加电导法等方法。4． 2． 2 固定电压法 (CVT) 由上节分析光伏阵列输出 P-V特性所得的结论可知，在阵列温度恒定、日照强度变化时， VMPP为光伏阵列开路电压的 0.78 倍。固定电压法就是利用 VMPP与开路电压存在近似的比例关系，将光伏阵列的输出电压控制在 VMPP处，使光伏阵列始终近似工作在 MPP处。固定电压法虽具有控制简单、易实现和输出电压稳定性好的优点，但其 MPPT精度差，对 MPP变化的适应性差。实际应用时，需要采取一定的补偿措施，如表 1所示。它通常应用于功率较小、日照情况稳定的场合【 14】 。表１ 固定电压法的控制性能改善措施补偿措施 缺点制作电池结温与 VMPP的表格，根据电池温度通过查表选择其相应的 VMPP制表的工作量大，且随着使用的持续，电池特性的变化将造成误差在系统中添设一块特性与光伏阵列相同但功率较小的光伏模块，根据开路电压得 VMPP成本增加， 不同模块之间存在的特性差异会造成误差根据季节、天气变化情况（主要是根据温度）人工给定 VMPP需人工干预4． 2． 3扰动观测法 (P&O) 光伏阵列的 P-V特性可知：在 MPP时， dP/dV=0；在 MPP左侧时， ap ／ dv>0；在 MPP右侧时， dP／ dV－ＩＶ时，光伏阵 列工作在 MPP的左侧；ｄＩ / ｄＶ <－ＩＶ时，光伏阵列工作在ＭＰＰ的右侧。增加电导法就是通过比较光伏阵列输出的增量电导 (dI/dV) 和瞬时电导 (I/V) ，判断其是否工作在 MPP，并对系统进行相应的控制，从而实现对 MPP的跟踪。它是对扰动观测法的改进，基本解决了在 MPP附近的功率震荡问题 [16] 。但是，当光伏阵列的外部环境发生变化时，式 (2) 将不再成立，系统将开始新的 MPPT控制过程。该方法具有控制精确、稳定度高，响应速度比较快，不受功率时间曲线的影响等优点，适用于大气条件变化较快的场合。但是对 Ipv 、 Vpv等参数的采样精度要求较高，计算过程比较复杂，实际应用常受硬件要求限制。4． 2． 5 基于梯度变步长的电导增量法如果令 Step=a ×［ dP/dV］作为 IncCond 法中的步长数据，在光伏阵列的工作电压偏离 MPP较远时，系统跟踪的步长较大； 当工作电压偏离 MPP较近时， 系统跟踪步长较小． 通过设置合适的ａ值， 同时结合 IncCond法跟踪精度高的优点，可以在 MPPT过程中实现变步长跟踪，这就是基于梯度变步长的电导增量法的工作原理。该方法控制效果好，且控制稳定度高；当外部环境参数变化时，系统能够快速追踪其变化，不受功率时间曲线的影响；在系统启动过程中可实现快速跟踪。但在外界环境条件发生改变时，因其控制作用较强，造成光伏阵列的输出功率有所波动，控制算法也较为复杂。５．总结与展望随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，开发利用清洁的可再生能源将越来越受到各国政府的倍加关注。太阳能作为一种清洁、安全、绿色的可再生能源，正逐渐成为具有高度污染性化石能源的主要替代能源之一．近几十年来，太阳能光伏发电技术得到了前所未有的发展，其中光伏并网发电技术已经成为当今利用太阳能源的主要方式之一。逆变器作为光伏并网发电系统和电网接口的主要设备，其控制技术也成为研究的热点。全数字化控制方式是目前设计控制系统的发展趋势，它具有设计简单、控制灵活、可靠性高、抗干扰能力强且便于维修和测试等特点。在光伏并网逆变系统中利用数字化控制的方式，必将对其工作性能带来新的提升和完善。以下方面的工作有待深入研究：1 继续研究并网逆变器的并网电流控制，以寻求更好的控制策略进行改善其并网运行的性能；2 研究并网逆变器的孤岛检测技术，为其运行提供更完善的保护功能；3 深入研究并网逆变器的两种工作模式 ( 独立工作模式到并网工作模式 ) 下的无缝切换技术，以进一步减小切换时产生的冲击电流；4 进一步研究光伏并网发电系统 MPPT的控制方法，以最大限度地提高光伏阵列的利用效率。参考文献[1] 新能源发电中的若干电力电子问题综述[2] 我国太阳能发电的前景分析 . 中国学者论文网[3] 光伏并网逆变器的现状与发展前景 . OFweek太阳能光伏网[4] T． Boutot and L ． Cheng． “ Development of a single — phase inverter or smal1 wind turbines ”Proc ． IEEE Elect ， Comput． Eng． Con． Conf(CCECE’ 98) ， May 24— 28， 1998． Waterloo ， Canada，Page(s) ： 305— 308。[5] 孙虎章，自动控制原理，【 M】．北京：中央广播电视大学出版社， 1994． 10．[6] 林渭勋，现代电力电子电路，【 M】．杭州：浙江大学出版社， 2002． 07．[7] 赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究【博士学位论文】．合肥：合肥工业大学， 2003．[8] 李俊林，熊健，康勇．逆变器数字多环控制技术研究【 J】．电工电能新技术 2004， 23(4) ： 56-59．[9] 杨民生，王耀南，张细政，李建奇 . 电动汽车新型感应充电系统的设计 [J]. 汽车工程，第 31 卷，第 8期， 2009.8[10] 雷元，陈春棍 . 滞环比较 PWM跟踪控制分析【 J】．水电能源科学， 2004(3) ： 83-85 ．[11]2002 National Electrical Code ， National Fire Protection Association ， Inc ．， Quincy ， MA，2002．[12] 杨海柱，金新民．并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究【 J】．电工电能新技术 2006， 25(1) ： 63-67 ．[13] 吴理博，赵争鸣，刘建政．单级式光伏并网逆变系统中的最大功率点跟踪算法稳定性研究【 J】．中国电机工程学报 2006， 26(6) ： 73-77．[14] 张超．光伏并网发电系统 MPPT及孤岛检测新技术的研究【博士学位论文】．杭州：浙江大学， 2006．[15]Femia N ．， Petrone G ．， Spagnuolo G ． et a1 ． OptimiZing sampling rate of P&O MPPT technique【 C】． Power Electronics Specialists Conference ， 2004 ． PESC 04． 2004 IEEE 35th Annual ， 2004：1945— 19493．[16]Hohm D． P．， Ropp M． E． Comparative study of maximum power point tracking algorithms using an experimental ， programmable ， maximum power point tracking test bed【 C】 ． Photovoltalc Specialists Conference ， 2000 ． Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE ， 2000： 1699— 1702．