第二章单相光伏并网发电系统结构与工作原理

第 2 章 单相光伏并网发电系统结构与工作原理2.1 单相光伏并网发电系统基本原理图 2-1 典型光伏发电系统框图单相光伏并网发电系统由四部分组成， 即太阳能电池方阵、 蓄电池组、 逆变器和控制器，其典型的系统框图如图 2-1 所示。并网光伏发电系统的主要特点是， 与公用电网发生紧密的电联系。 光伏发电系统多余的电力向电网供电， 不足的电力由电网补。 其工作的基本原理是， 太阳能电池方阵受到太阳辐照， 通过太阳能电池的光生伏打效应， 将太阳光能直接转换为直流电能， 太阳能电池方阵的输出端经防反充二极管接至控制器。 控制器的一对输出端接至蓄电池组， 对其进行充、 放电保护控制； 控制器的另一对输出端通过开关接至逆变器， 将直流电逆变为交流电， 可以向交流负载供电， 也可以通过锁相环节向电网输出与电网电压同频、 同相的交流电。 这样就构成了一个完整的发电、输电和供电系统。对于光伏并网系统而言， 将太阳能经光伏电池阵列转化成电能馈送给交流电网， 其间能量的传递与转换可以有很多种方式， 并网逆变器的结构也因而有所不同， 可以是直接从太阳能电池到电网的单级 DC- AC 变换结构， 也可以是 DC- DC和 DC- AC 的两级变换结构。对于小功率光伏并网发电系统，由于光伏电池阵列的输出电压比较低， 因而更多的采用了先通过一级 DC- DC 变换器升压， 然后再通过一级 DC- AC 逆变器的两级变换并网结构。太阳能并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器的输出电流为稳定的高质量的正弦波电流， 同时还要求并网逆变器输出的电流与电网电压同频、 同相， 因此需要采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。2.2 光伏发电系统逆变器的拓扑结构由于太阳能电池， 燃料电池每个单元的输出电压较低， 所以在串联数量很少的情况下， 并网逆变器的输入电压较低， 这样并网逆变器就需要具有直流电压的提升和逆变的功能。 通常并网逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和多级式逆变器。 单级指直流电压的提升和产生正弦波的输出电流或者输出电压在同一级电路中完成。多级即指在前一级或者前几级电路中实现了电压的升降或者隔离，在后级的电路中实现了 DC/AC的变换，常见的是两级逆变器。还有一些逆变器可以认为是两级也可以认为是一些复杂的单级变换器。2.2.1 单级式光伏并网逆变器单级式逆变器结构简单，成本较低，但是单级式非隔离型升压的程度有限，靠电感的储能实现，所以仅适用于较小功率场合，不适合于并网运行。单级式结构的逆变器所有的控制都在逆变环节中实现， 即最大功率点的跟踪控制和逆变并网控制。 单级式结构逆变器所并电网为低电压电网， 可以直接接入电网供电； 如果单级式结构逆变器所并电网为高电压电网， 并且光伏阵列输入电压较低，则逆变器输出需升压变压器后接入电网，该变压器不仅具有升压作用，还具备滤波和隔离作用。单相单级式逆变器的结构如图 1.8 所示。单级式逆变器系统由光伏阵列、 稳压滤波电容、 单相全桥逆变电路、 并网滤波电感和市电电网组成。 单级式逆变器系统只有一个逆变环节， 因此该系统的结构比较简单， 相应的效率比较高， 但是所有的控制算法都在在该环节中实现， 导致整个的控制系统比较复杂。 另外， 由于光伏阵列的输出直接输入逆变器中， 导致光伏阵列的电压输出有两倍工频的纹波电压， 因此需要在光伏阵列的输出侧加入大功率的滤波电容， 来抑制电压纹波， 如果滤波电容的选取较大， 将会降低光伏系统的 MPPT的响应速度。1L4VT4D1R1VT1D3VT3D2VT2D图 2-2 单相单级式隔离型逆变器的拓扑结构图2.2.2 两级式光伏并网逆变器针对以上对单级式光伏并网逆变器缺点，采用了两级式逆变器的拓扑结构。两级式逆变器最大的特点是光伏阵列的 MPPT控制与逆变并网控制分开实现，因此控制的复杂程度相应的降低。 两级式逆变器系统的拓扑结构主要包括光伏阵列、BOOST电路、三相桥式逆变器、滤波器和市电电网构成，如图 1.9 所示。前级的BOOST电路主要实现升压作用和 MPPT控制，升压作用保证后级直流母线达到实现并网的电压的幅值要求， MPPT的控制保证光伏阵列的最大功率的输出；后级三相桥式逆变电路主要实现直流母线的稳压和并网电流的控制， 保证并网电流与市电电网电压的同频同相， 保证功率因数为 1。1L4VT4D1VT1D3VT3D2VT2D图 2-3 单相两级式非隔离型逆变器的拓扑结构图两级式逆变器拓扑结构包含的电路都是比较简单和技术比较成熟的电路， 但是如果工程要求实现电气隔离， 就必须在后级并网输出电压处加变压器， 这样就增加了光伏系统成本，光伏并网逆变器体积和重量也相应的增加。2.3 光伏并网系统总体设计本设计决定采用带变压器的两级结构，前级 DC- DC 变换器和后级 DC- AC逆变器，两部分通过 DC-Link 相连。前级 DC- DC 变换器，考虑到输入电压较低，而输出电压较大，因此这里采用结构简单， 控制方便的 Boost 升压电路。 前级 Boost 高频升压电路负责完成太阳能电池阵列的最大功率跟踪控制 (MPPT)输出并把太阳能电池阵列的输出电压升高至某一数值， 确保直流母线电压的稳定， 从而使得后级逆变部分的输入电压稳定。 后级全桥逆变电路负责将经 Boost 升压后的直流电变为正弦交流电， 输出与电网电压同频同相的交流电流。 由于该电路中没有采用变压器， 从而使得系统的体积和重量大大减轻， 产生噪声小， 成本也低， 但是在某些特殊对电气隔离要求严格的场合不适宜使用。在本系统中， 太阳能电池板输出的额定直流电压通过 DC- DC 变换器将电能转换为 DC-Link 的 400V 直流电。 DC-Link 的作用除了连接 DC- DC 变换器和 DC- AC 逆变器， 还实现了功率的传递。 后级的 DC- AC 逆变器， 采用单相逆变全桥，采用 SPWM 控制， 作用是将 DC-Link 直流电转换成 220V/50Hz 正弦交流电， 实现逆变向电网输送功率。2.4 本章小结本章首先介绍了光伏并网发电系统的基本原理， 接着对光伏并网逆变器的拓扑结构进行了介绍和分类， 在分析对比了隔离型单级拓扑结构、 非隔离型两级拓扑结构的基础上， 确定了本系统设计采用无变压器隔离的两级拓扑结构， 前级是Boost 升压电路，后级是单相全桥逆变电路，两者通过直流母线 DC-Link 相连。