光伏并网逆变器的研究

定稿日期 ： 2008-06-10作者简介 ： 魏 伟 （ 1956- ）， 男 ， 湖北武汉人 ， 高 级 工 程 师 ， 研究方向电力电子装置 、 系统及其控制技术 。1 引 言光伏技术适用于不同的场合，而光伏并网发电系统和光伏独立供电系统是其的重要的应用领域 [1]，若将并网发电功能与独立逆变供电功能集于一体，可进一步拓展其应用范围并简化结构 、 减少投资 。 这里在研究并网逆变和独立逆变技术的基础上，根据其结构和控制的特点，成功实现了并网发电与独立供电的系统集成 。2 工作原理所研制的光伏并网发电系统中的逆变器应能在太阳光伏系统能量不足时， 利用电网能源进行弥补；在太阳光伏系统能量过剩时， 把能量反馈到电网 [2]。常用的逆变系统有电压型 、 电流型 、 功率型等 [3]，这里选用电压型逆变器 。 控制系统结构如图 1 所示 。假使 DC/DC 电路单元的输出较高，可将负载接在DC/DC 的输出端 。由图 1 可知， 要使负载稳定运行， 只需保证系统直流部分电压 Ud 保持恒定 。 当太阳能电池输出功率小于负载消耗的功率时， Ud 降低，此时可通过电网电流 i a 来补充； 反之， 当 Ud 升高， 此时可控制 ia 向电网发送能量， 从而达到控制 Ud 的目的 。这里通过小信号分析法得出 Ud 和电网电流 ia的数学模型，设计出使系统稳定的控制方案和选择相应参数的方法， 并给出系统的实验结果 。2.1 数学模型的建立在图 1 所示系统中， 因为开关频率一般较高， 为数千赫兹到数十千赫兹，所以高频开关纹波影响很小， 可忽略 [4]。 基于上述分析， 系统交直流侧瞬时功率平衡关系式为 :eaia+Ri a2+ 12 Ldi a2dt =（ i e- iL- id） ud（ t） （ 1）为避免逆变系统对电网产生谐波干扰和附加的无功损耗， 应使 ia 与 ea 的相位相同（ 发电状态） 或相差 180° （ 补充电能状态） ， 系统的功率因数也应保持为 1。 显然 ia 的有效值 I（ t） 随时间发生改变， 为了便于处理， 取 ie 与 ea 同相位， I（ t） >0 表示发电状态，I（ t） <0 表示补充电能状态 。假设在系统平衡状态下， I（ t） =I， ud（ t） =Ud， iL=IL，ie=I e， 由式（ 1） 可得：EI（ t） +RI 2（ t） + 12 L ddt I2（ t） =Ud ie- i L- C dUddt! “ （ 2）取 I（ t） =I +Δ I （ t） ， ud（ t） =Ud+Δ ud（ t） ， i L=IL+Δ iL， ie=Ie+Δ ie， 代入式（ 2） 得：光伏并网逆变器的研究魏 伟 1， 许胜辉 2（ 1.华中科技大学， 湖北 武汉 430074； 2.武汉职业技术学院， 湖北 武汉 430074）摘要 ： 对光伏并网中的双向逆变器控制系统进行了理论探讨； 利用小信号分析法得出系统电压和电网电流的数学模型， 设计出使光伏并网双向逆变器稳定的控制方案和选择相应参数的方法； 最后， 将研制出的光伏并网双向逆变器与电力系统连网， 通过实验验证了该双向逆变器系统模型的可行性， 对于开发和研究光伏并网逆变器的产品具有实用价值 。关键词 ： 逆变器； 控制 / 光伏并网； 数学模型； 独立供电中图分类号 ： TM464 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-100X （ 2008） 11-0043-02Research of Grid -connected Photovoltaic InverterWEI Wei1， XU Shen-hui 2（ 1.HuazhongUniversity of Science and Technology， Wuhan 430074， China；2.Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074， China）Abstract ： A double direction inverter of grid-connected photovoltaic is discussed in theory.The math model of the systemvoltage and power grid current is established using analytical method of small signal， a control schemeof the system steadyand correspond preferences is designed.Finally， solar grid -connected photovoltaic inverter with power system networkingrun， and the experiment showsthe control systemmodel feasibility and practicability in engineering， it has utility value fordevelopmentand study of grid-connected photovoltaic invert product.Keywords ： inverter； control / grid-connected photovoltaic； math model； independencepower supply图 1 光伏并网逆变器控制系统主回路结构图第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power ElectronicsVol.42， No.11November， 200843第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power ElectronicsVol.42， No.11November， 2008图 2 直流侧控制开环传递函数结构框图2 Lddt （ I +Δ I）2=（ Ud+Δ ud） （ Ie+Δ ie） - （ I L+Δ i L） - C d（ Ud+Δ ud）dt! “ （ 3）将系统在平衡状态下的能量平衡方程 EI+RI2=Ud（ I e- I L） 代入式（ 3） ， 可得 :EΔ I+2RIΔ I+LI dΔ Idt =Ud（ Δ ie- Δ iL） +Δ ud（ I e- I L） -CUddΔ uddt（ 4）对式（ 4） 进行拉普拉斯变换可得 :（ E+2RI+LIs） Δ I（ s） =（ Ie- IL） Δ Ud（ s） - CUdsΔ Ud（ s） +Ud [Δ Ie（ s） - Δ I L（ s） ] （ 5）由以上分析可得光伏并网系统直流侧控制开环传递函数结构框图， 如图 2 所示 。为了较好地控制直流电容两端的电压 ud（ t） ， 对ud（ t） 进行闭环控制 。 调节器采用比例积分环节， 设Kp 和 Ki 分别为比例常数和积分常数， 则 Ge（ s） =Kp+Ki /s。 由系统的特点可知， 当外界因素使 Δ Ud（ s） 增大时， 必须通过增大 Δ I（ s） 来提高电网对能量的吸收能力， 以抑制 Δ Ud（ s） 的增大， 直至回到平衡点 。 系统闭环结构如图 3 所示 。2.2 控制参数的确定由图 3 可求得系统的特征方程为 [5]：（ LIK p+CUd） s2+（ EK p+2RIK p+LIK i- Ie+IL） s+Ki（ E+2RI） =0 （ 6）根据劳斯判据，为使系统稳定， Kp 和 K i 应满足（ LIK p+CUd） ＞ 0， （ EKp+2RIK p+LIK i- Ie+I L） ＞ 0，当系统向电网发电时， 这两个条件总是成立 。 Ki（ E+2RI） ＞ 0， 则有：K i＞ （ I e- IL） - （ EKp+2RIK p）LI （ 7）当系统从电网吸收电能时， 同理可得：K p＜ CUdL I ， Ki ＜ （ I e- I L） - （ EKp+2RIK p）L I ， I＞ - E2R （ 8）在满足系统稳定性的同时，选择合适的 Kp 和Ki ， 可使系统获得良好的瞬态和稳态性能 。 光伏并网双向逆变器控制系统框图如图 4 所示 。3 实验结果根据图 4 设计了一台 3kW 的光伏并网双向逆变器的样机， 并进行了并网实验 。 实验参数： Ｌ ＝ 18.2ｍＨ ，C=1 μ F， R=20.8 Ω ， 电网电压 us=220sin（ ω t+90° ） ， Ud＝400 V； 此时， 逆变器的开关频率 fc＝ 12.5 kHz。 图 5a示出当系统工作在光伏并网模式下时， us 和并网电流 is 的波形；图 5b 示出独立逆变模式下的空载逆变电压 uinv 和电流 i inv 的波形， 该模式下电流幅值为零； 图 5c 示出独立逆变模式下带 3 kW 阻性负载时的电压 uL 的波形 。4 结 论对光伏并网双向逆变器控制系统进行了理论分析，通过小信号分析法得出系统电压和电网电流的数学模型，并设计出使系统稳定的控制方案和选择相应参数的方法，最后设计了一台 3 kW 的光伏并网双向逆变器的样机， 进行了系统并网实验， 达到了向电网输送稳定功率的目的 。 理论分析和实验结果均证实了该控制方法的可行性和实用性 。参考文献[1] 黄 俊， 王兆安 .电力电子变流技术 [M].北京： 机械工业出版社， 1997.[2] 王 飞， 余世杰， 苏建徽， 等 .太阳能光伏并网发电系统的研究 [J].电工技术学报， 2005， 20（ 5） ： 72-74.[3] 魏 伟， 李 军， 魏岚婕 .一种软开关电力操作电源的研究 [J].电力电子技术， 2007， 41（ 11） ： 47－ 49.[4] P K Hinga， T Ohnishi， T Suzuld.A New PWM Inverte forPhotovoltaic Solar Power Generation System[J].Pros.IEEE/IECON， 1994， 241（ 3） ： 366-369.[5] H Iilosda.Battery Charging Characteristics in Small ScaledPhotovotaic System Using Resonant DC/DC Converter withElectric Isolation[A].IECON[C].1990 ： 1118－ 1124.图 3 直流侧电压闭环控制传递结构图图 5 实验结果44