100kW光伏并网逆变器系统设计_邱雪娜

2 0 1 3 年 1 月第 20卷第 1期控 制 工 程Control Engineering of ChinaJan ． 2 0 1 3Vol ． 20， No． 1文章编号 ： 1671-7848（ 2013） 01-0072-04收稿日期 ： 2011-10-22； 收修定稿日期 ： 2011-11- 20基金项目 ： 国家自然基金 （ 609721163 ）作者简介 ： 邱雪娜 （ 1980- ） ， 女 ， 浙江岱山人 ， 博士 ， 主要研究方向为智能控制 、 微网控制等 ； 张雪君 （ 1958- ） ， 女 ， 浙江宁波人 ， 副教授 ， 主要从事电力电子 、 电气控制等方面教学与科研工作 。100 kW 光伏并网逆变器系统设计邱雪 娜 1 ， 徐 青鹤 2 ， 张 雪君 1（ 1． 宁波工程学院 电信学院 ， 浙江 宁波 315216 ； 2． 浙江埃菲生能源科技有限公司 浙江 温州 315000）摘 要 ： 光 伏 并 网 发 电 系统 具有 造 价 低 、 输 出电 能 稳 定的优 点 ， 是 光 伏 发 电 未 来的 主要 趋势 ， 而 并 网 逆 变 器是 并 网 光 伏 发 电 系统 的 核心 装 置 。 基于 光 伏 并 网 逆 变 器 的基本 原 理 ， 提 出 了100 kW 三 相 光 伏 并 网 逆 变 器系统 设计 方 案 。 详细介绍了 主回 路 关 键 元 器件 的 选 型 与 参 数 设计方 法 并 提 出 了本 系统 的控制策 略 方 案 。 样 机 实验结 果表 明 ， 该 逆 变 器 设计 合 理 、 运 行 可 靠 、 满足各 项设计 指 标 ， 具有 很 高 的应用 和 推 广 价 值 。关 键 词 ： 光 伏 ， 并 网 逆 变 器 ， 系统 设计中图分类号 ： TP 27 文献标识码 ： AA SystemDesign of 100 kW Photovoltaic Grid- connectedInverterQIU Xue-na， XU Qing-he， ZHANG Xue-jun（ 1． College of Electronic and Information Engineering of Ningbo University of Technology， Ningbo 315016， China；2． Zhejiang Eifesun Energy Technology Co， LTD， Wenzhou 315000， China）Abstract ： Grid-connectedPV systemwith the advantagesof low cost， stable output power， is the main trend of the future of photovol-taic power generation， and grid-connectedinverter is the core unit of grid-connectedphotovoltaicpower generationsystem ． Based on theprinciple of the inverter， a 100 kW three-phase photovoltaic grid-connected inverter system design is proposedin this paper ． It intro-duces the system ＇s control strategyprogramsand the parametersdesignmethodand selectionof key componentsof the main circuit in de-tail ．Prototypetest results showthat the inverter is designedreliable and it can meet all designspecifications ．It has high value in appli-cation and promotion ．Key words： photovoltaic； grid-connectedinverter； system design1 引 言近年来 ， 随着人类社会的发展 ， 化石能源的短缺已经引起广泛的关注 ， 寻找新的清洁能源 ， 已成为当今世界发展的必然趋势 。 太阳能以其独特的优势 ， 日益受到人们的重视 。 光伏发电是目前利用太阳能的主要形式之一 ， 光伏并网发电系统由于省掉了体积大 、 价格高 、 不易维护的蓄电池 ， 并且本身具有造价低 、 输出电能稳定的优点 ， 因而将成为光伏发电未来的主要趋势 ［ 1］ 。并网逆变器是并网光伏发电系统的核心装置 ，国内外有大量的研究人员对其进行研究 ， 目前国外的并网逆变器研制技术比较成熟 ， 产品功率等级从几千瓦至几百千瓦已形成系列化 。 而我国对并网逆变器的研究虽已进行多年 ， 也已形成一系列的不同功率等级的产品 ， 但在并网逆变器关键技术及整体性能的稳定性 、 可靠性及安全性方面还有待进一步深入的研究 。本文在分析三相光伏并网逆变器工作原理的基础上 ， 从硬件设计及控制策略角度出发 ， 研制了一台 100 kW 光伏并网逆变器并进行了相关实验 。 实验表明 ， 该逆变器设计合理 、 运行可靠 、 满足各项设计指标 ， 具有很高的应用和推广价值 。2 基本工作原理本系统采用带有工频变压器结构 ， 光伏电池板输出的直流电通过 IGBT 模块转换成交流电 ， 通过变压器升压隔离输送给电网 。 其中 C1 为直流支撑电容 ， 其主要作用为支撑直流电压 ， 保持直流电压的稳定 ， 并滤除直流电压中低次谐波电流 。 L1 为交流滤波电感 ， C2、 C3、 C4 为交流滤波电容 ， 其主要作用为滤波 ， 使输出电流平滑 ， T1 为工频变压器 ， 其主要作用为隔离与升压 。光伏并网逆变器系统基本工作原理 ， 如图 1 所示 。图 1 光伏并网逆变器系统结构图Fig. 1 Structure of photovoltaic grid- connected invertersystem3 硬件系统设计硬件系统设计主要包括关键硬件设备的选取及参数的设计 ， 本节主要介绍主电路中几个关键元器件选取与参数的设计 。1） 直流支撑电容的设计 考虑纹波电压上下波动 20 V， 取直流测电压为 400 V， 那么最大纹波电压为 Umax = 420 V， 最小纹波电压 Umin = 380 V，则 100 kW 直流测最小支撑电容选择依据如式 （ 1） ：Cmin = P（ U2max － U2min ） × f × n （ 1）式中 ， P 为逆变器的额定功率 ， P = 100 kW ； f 为开关频率 ， f = 3 000 Hz； η 为逆变器整机效率 ， 取η = 0. 97。 得到 ： Cmin = 1 074 uF。由纹波电流计算公式 ：I res = P（ Umax + Umin ） × 0. 5（ 2）得 ：I res = 250 A。由最小支撑电容值 、 纹波电流及直流测电压三方面综合考虑 ， 本系统直流支撑电容选择型号为EACO6 个 SHE-1000-350 并联 ， 总容值为 C = 350 ×6 = 2 100 uF， 350 为单个电容的容值 ； 可支撑纹波电流为 Ires1 = 43 × 6 = 258 A， 其中 ， 43 为单个电容可承受的纹波电流值 ； 选用 SHE-1000-350 其直流测电压等级可达到 1 000 V， 满足光伏系统直流测电压等级的设计 。2） DC-AC 模块设计 DC-AC 模块选择 infine-on 公司的 IGBT 模块 ， 型号为 FZ400R12KP4， 此模块可以能承受的额定电压为 1 200 V、 额定电流为400 A。 给定开关频率为 3 000 Hz， 输出电流 152A， 过载电流 167 A， 调制比为 0. 85， 功率因数为0. 99， 母线电压为 400 V， 输出线电压为 380 VAC，最高使用环境温度为 55 ° ， 利用 infineon 公司专业IGBT 仿真软件 IPOSIM7-3 进行仿真 ， 仿真结果表明 ， 在假定选定的散热器 Rch = 0. 051 K /W 的前提下 ， 当输出电流为 167 A 时 ， IGBT 的最大结温为77. 5 ° ， 最小结温为 74. 5 ° ， 温度纹波为 3 ° ， IGBT的壳温为 67. 3 ° ， 散热器的温度为 65 ° 。 最终的损耗为 196. 3 W。 其中 ， IGBT 的通态损耗为 86 W，开关损耗为 55. 8 W， 反并联二极管的通态损耗为16 W， 开关损耗为 30 W， IGBT 内部焊线的损耗为8. 45 W。 因此 ， 三相逆变器总的损耗 P = 6 × 196 =1 176 W。3） LC 参数设计 设计电感 L1［ 2］ ：Δ i imax = vdc8fswL1= 20 % × i rated （ 3）式中 ， i rated为网侧额定电流 ； Δ ii max 为最大脉动电流 ；vdc为直流测电压 ； f sw为开关频率 。考虑直流测最小启动的电压 ， 取 vdc = 330 V，fsw = 3 × 103 Hz， i rated = 152 A。 得 ：L1 = vdc8fsw × 20 % × i rated=3308 × 3 × 103 × 20 % × 152 = 452 μ H （ 4）由参考文献 ［ 3］ 可得设计电容 C 的计算公式 ：C = 15 % × P rated3 × 2π f × V2rated（ 5）式中 ， Prated 为额定功率 ； V2rated 为 三 角 电 容 处 线 电压 。 取 Vrated = 220 V， Prated = 100 kW ， f = 50 Hz。由上述公式得到 ： C =329 uF， 这是星型接法 ，转换成三角形接法得 C = 110 uF。综上考虑并适当的留有余量本系统滤波电感L1 取 460 μ H， 滤波电容 C取 130 uF， 即 C2 = C3 =C4 = 130 uF。4 控制策略设计本系统采用双闭环控制策略 ［ 4， 5］ ， 外环控制直流母线电压 ， 内环 d 轴环通过控制有功电流达到外环控制目的 ； 内环 q 轴环控制并网功率因数 。 并通过 SVPWM［ 6］ 进行调制 ， 其基本框图 ， 如图 2 所示 。图 2 控制策略基本框图Fig. 2 Structure of control strategy图中 ， U*dc为直流母线电压给定值 ， Udc 为直流母线电压采样值 ， I *d 为 d 轴电流给定值 ， I d 为 d轴电流采样值 ， I *q 为 q 轴电流采样值 ， Ud 为 d 轴电压 ， Uq 为 q 轴电压 。5 实验结果1） Simulink 仿真 基于上述设计思路 ， 利用Simulink 仿真软件 ， 对 100 kW 光伏并网逆变器进行仿真 ， 仿真界面 ， 如图 3 所示 。·37·第 1 期 邱雪 娜 等 : 100 kW 光 伏 并 网 逆 变 器系统 设计图 3 光伏并网逆变器 Simulink 仿真图Fig. 3 Simulink Figure of Photovoltaic Grid- connected Inverter得到网侧的电压电流波形 ， 如图 4 和图 5 所示 。图 4 网侧相电压波形Fig. 4 Phase Voltage Wave of Net Side图 5 网侧相电流波形Fig. 5 Phase Current Wave of Net Side由仿真结果可知 ， 电流 L1、 L2 、 L3 三相互差120 ° ， 验证了电流内环控制策略的正确性 。2） 现场环境试验 根据前面所述的设计过程 ，设计了一台 100 kW 光伏并网逆变器样机 ， 设定直流测电压为 400 V， 在逆变器接近满功率输出时 ，利用 YOKOGANA 四通道隔离示波器测量电流电压波形 ， 如图 6 和图 7 所示 。图 6 满载电流波形Fig. 6 Full Load Current Wave图 7 网侧电压波形Fig. 7 Current Wave of Net Side由现场测试结果可知 ， 本系统设计的 100 kW光伏逆变器样机可以达到满功率运行 ， 且电流波形正弦性良好 。为了保证逆变器在运行时不造成电网电压波形过度畸变和注入电网过度的谐波电流 ， 以确保对连接到电网的其他设备不造成不利影响 ， 本系统在设计时就充分考虑这些问题 。利用仪器 FLUCK435 对逆变器满载运行时的谐波及功率因数进行测试 。 其中功率因数在满载情况下为 1， 谐波实验结果 ， 见表 1。表 1 谐波实验结果Table 1 Harmonic Experiment Results谐波 100 %相序 L1 L2 L3总 THD% 2． 1 2． 4 2． 0奇次THD%L1 L2 L3 偶次THD%L1 L2 L33 0． 8 1 0． 4 2 0． 3 0． 1 0． 25 1． 7 1． 9 1． 7 4 0． 1 0． 1 0． 17 1 1 1 6 0． 1 0． 1 0． 19 0． 1 0 0 8 0 0 011 0． 3 0． 2 0． 2 10 0 0 013 0． 2 0． 2 0． 2 12 0 0 0·47· 控 制 工 程 第 20 卷续表15 0． 1 0． 1 0． 1 14 0 0 017 0． 2 0． 2 0． 1 16 0 0 019 0． 1 0． 1 0 18 0 0 021 0． 1 0 0． 1 20 0 0 023 0． 1 0． 1 0． 1 22 0 0 025 0． 1 0． 2 0． 1 24 0 0 027 0 0 0． 1 26 0． 1 0． 1 0． 129 0． 1 0． 1 0． 1 28 0． 2 0． 2 0． 231 0 0 0 30 0 0 033 0 0 0 32 0． 1 0． 1 0． 135 0 0 0 34 0 0 036 0 0 0在满载情况下 ， 功率因数为 1 说明电流与电压无相位差 ， 电流能够完全跟随电压 ， 保证系统的供电质量 。 由表 1 测试结果可知 ， 本系统设计的样机完全符合国家相关条例对谐波的限制要求 ， 为样机走向成熟产品提供了保证 。6 结 语本文在分析三相光伏并网逆变器工作原理的基础上 ， 对主电路中几个关键元器件参数设计进行了重点分析 ， 并介绍了本系统的控制策略 ， 设计了一台 100 kW 带工频变压器的光伏并网逆变器并进行了相关实验 。 实验结果表明 ， 该逆变器设计合理 、运行可靠 、 满足各项设计指标 ， 具有很高的应用和推广价值 。参考文献 （ References） ：［ 1］ 梁雪峰 ， 曾国宏 ， 姜久春 ． 3kW 光伏并网逆变器硬件设计 ［ J］ ．电力电子技术 ， 2008， 42（ 8） ： 28-29． （ Liang Xue- feng， Zeng Guo-hong， Jiang Jiu- chun． Design of Hardware Systemfor 3 kW Single-phase Photovoltaic Grid- connected Inverter［ J］ ． Power Electronics，2008， 42（ 8） ： 28-29． ）［ 2］ Prasad V H． Analysis and comparison of space vector modulationschemes for three-leg and four-leg voltage source inverters［ D］ ．Master dissertation， Virginia Polytechnic Institute and State Univer-sity ， Blacksburg， VA． 1997．［ 3］ Wang， T． C． Y． Zhihong Ye， Gautam Sinha， Xiaoming Yuan． Out-put filter design for a grid-interconnected three-phase inverter［ C］ ．Power Electronics Specialist Conference， 2003： 779-784．［ 4］ 徐德鸿 ． 电力电子系统建模及控制 ［ M］ ． 北京 ： 机械工业出版社 ， 2005 ． （ Xu De-hong ． Modeling and control of power electronicssystem［ M］ ． Beijing ： China Machine Press， 2005．［ 5］ 张崇魏 ， 张兴 ． PWM 整流器及其控制 ［ M］ ． 北京 ： 机械工业出版社 ， 2003 ． （ Zhang Chong-wei， Zhang Xing ． PWM rectifier and itscontrol ．Beijing ： China Machine Press， 2003 ）［ 6］ 曾聪 ， 刘涤尘 ． 空间矢量脉宽调制技术的算法及其仿真研究［ J］ ． 电力科学与工程 ， 2009， 25 （ 8） ： 5-9． （ Zeng Cong， Liu Di-chen． Algorithm and simulation research on space vector pulsewidth modulation ． Electric power science and engineering， 2009，25（ 8） ：檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪5-9．( 上接 第 68 页 )［ 5］ 朱庄生 ， 万德均 ， 王 庆 ． 航位推算累积误差实时修正算法研究 ［ J］ ． 中国惯性技术学报 ． 2003， 11（ 3） ： 7-11． （ ZHU Zhuang-sheng， WAN De-jun， WANG Qing ． Algorithm Study on Real-timeRevising of Dead Reckoning Accumulated Errors［ J］ ． Journal ofChinese Inertial Technology， 2003， 11（ 3） ： 23- 26． ）［ 6］ Dimitrios Koutsonikolas， Saumitra M． Das， Y． Charlie Hu． PathPlanning of Mobile Landmarks for Localization in Wireless SensorNetworks ［ J］ ． Computer Communications， 2007 （ 30 ） ： 2577-2592．［ 7］ 杨宜康 ， 林 勇 ， 黄永宣 ， 等 ． 车辆无陀螺航位推算系统的导航原理及其算法 ［ J］ ． 西安交通大学学报 ． 2001， 35 （ 12 ） ： 1284-1287． （ YANG Yi- kang， LIN Yong， HUANG Yong-xun， et al ．Navigation Principle and Algorithm for Vehicular Dead ReckoningSystemand without Gyroscope［ J］ ． Journal of Xi an Jiaotong Uni-versity， 2001， 35（ 12 ） ： 1284-1287． ）［ 8］ 刘皓挺 ， 杨健群 ， 徐凤刚 ． 基于运动与区域信息的移动机器人目标检测 ［ J］ ． 计算机工程 ， 2007， 33 （ 21） ： 205- 206， 209． （ LIUHao-ting， YANG Jian-qun， XU Feng-gang． Mobile Robot TargetDetection Based on Motion and Region Information［ J］ ． ComputerScience， 2007， 33（ 21） ： 205-206， 209． ）［ 9］ 高 金 源 ， 夏 洁 ， 等 ． 计 算 机 控 制 系 统 — 理 论 、 设 计 与 实 现［ M］ ． 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ． 2001 ． （ GAO Jin-yuan，XIA Jie， et al ． Computer Control System -Theory ， Design and Im-plementation［ M］ ． Beijing ： Beihang University Press， 2001． ）［ 10］ 马保离 ． 基于观测器的轮式移动机器人路径跟踪控制 ［ J］ ． 控制理论与应用 ． 2007， 24 （ 5） ： 756-760． （ MA Bao-li ． Observer-based path following control of wheeled mobile robots［ J］ ． ControlTheory ＆ Applications ， 2007， 24 （ 5） ： 756- 760．檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）( 上接 第 71 页 )参考文献 （ References） ：［ 1］ 孟洁 ， 陈小安 ， 陈锋 ． 高速电主轴的试验模态分析 ［ J］ ． 机械设计 ． 2009（ 6） ； 70-78． （ Meng Jie， Chen Xiao-an， Chen Feng ． Ex-perimental modality analysis of high speed motorized spindle［ J］ ．Journal of Machine Design ．2009（ 6） ： 70-78． ）［ 2］ 吕建法 ， 闫兵 ， 李伯林等 ． TX6916 镗铣床主轴模态分析及其动态性能试验 ［ J］ ． 机械设计 ． 2010（ 5） ； 45-48． （ Lv Jian-fa， YanBing， Li Bo-lin ． Modal analysis and dynamic performance test ofTX6916 boring ＆ milling machine spindle［ J］ ． Journal of MachineDesign ．2010（ 5） ： 45-48． ）［ 3］ 孟凡富 ， 杨涛 ， 刘桂芝等 ． 基于 ANSYS 的 CKH1450 电主轴动态分析 ［ J］ ． 机 电 工 程 ． 2007 （ 3 ） ， 24-27． （ Meng Fan-fu ， YangTao， Liu Gui- zhi， ANSYS-based dynamic analysis of CKH1450motorized pindle［ J］ ． Mechanical ＆E lectrical Engineering Maga-zine ．2007（ 3） 24-27． ）［ 4］ 陈锋 ． 高速电主轴的模态与加载实验研究 ［ D］ ． 重庆 ： 重庆大学 ． 2008 ． （ Chen Feng ． Modal and Loading Experimental Study onHigh Speed Motorized Spindle［ D］ ． Chongqing： Chongqing Uni-versity ．2008． ）［ 5］ 吴玉厚 ， 刘小文 ， 张珂等 ． 170SD130 全陶瓷电主轴的有限元分析及其振动性能测试 ［ J］ ． 沈阳建筑大学学报 ． 2010（ 7） ， 767-770． （ Wu Yu- hou， Liu Xiao- wen， Zhang Ke． The Finite- ElementAnalysis and Vibration Performance Test of the 170SD30 Full Ce-ramic Motorized Spindle［ J］ ． Journal of ShenyangJianzhu Univer-sity ．2010（ 7 ） ， 767-770 ）［ 6］ Jung M K， Hong H Y． Modal Analysis of Rotating Beam StructuresHaving Complex Configurations Employing Multi Reference Frames［ J］ ． Journal of Mechanical Science and Technology， 2006， 20，66-75．［ 7］ 杜奕 ． MSY7115 平面磨床的实验模态分析及动特性修改 ［ D］ ．昆明 ： 昆明理工大学 ． 2002 ． （ Du Yi ． The Experimental Modal A-nalysis Method s Applications in Surface Grinder Type MSY7115and Its Dynamical Modification［ D］ ． Kun Ming ： Kunming Univer-sity of Science and Technology ．2002）·57·第 1 期 邱雪 娜 等 : 100 kW 光 伏 并 网 逆 变 器系统 设计