500kW光伏发电系统并网逆变器

第 ２７ 卷 第 １２ 期２０１１ 年 １２ 月电网与清洁能源PowerSystemand Clean EnergyVol.27 No.12Dec. 2011文章编号： １６７４－ ３８１４ （ ２０１１ ） １２－ ００９５－ ０７ 中图分类号： ＴＭ ４６４ 文献标志码： A５００ ｋＷ 光伏发电系统并网逆变器才利存 1， 常忠廷 1， 周如 2， 宋新甫 3（ 1.河南许继集团有限公司， 河南 许昌 461000； 2.新疆电力设计院， 新疆 乌鲁木齐 830002;3.新疆电力公司 电力规划研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830011）Research on Grid-Connected Inverter for 500 kW Photovoltaic Power SystemCAI Li-cun 1， CHANG Zhong-ting 1, ZHOU Ru2, SONG Xin-fu 3（ 1. XJ GroupCorporation,Xuchang 461000， Henan Province,China;2.Xinjiang Electric PowerDesignInstitute, Urumqi 830002,XinjiangUygur Autonomous Region, China; 3. PowerPlanning ResearchCenter of Xinjiang Electric Power Company,Urumqi 830011, XinjiangUygur AutonomousRegion, China）ABSTRACT ： The system structure and working principle ofthe grid -connected inverter for 500 kW Photovoltaic PowerSystem (PV) is introduced in this paper. The IGBT paralleltechnology is used to raise the system capacity, and thedesigning method for the parameters in the main circuitparameter is intensively studied. On the basis of it, a prototypeof grid-connected inverter for 500 kW PV is developed and thecorresponding experiment is conducted. The experimentalresults show that the prototype has high operation stabilizationand performance reliability with a wide application prospect.KEY WORDS: PV grid-connected inverter; LCL filter; parallel;resonancefrequency摘要： 介绍了 500 kW 光伏并网逆变器的系统结构和工作原理， 采用了 IGBT功率模块并联技术来提高系统容量， 并对主回路参数的设计方法进行了研究 。 在此基础上研制了一台500 kW光伏并网逆变器的样机， 进行了试验研究， 试验结果证明该样机运行稳定， 性能可靠， 具有较强的实用性 。关键词： 光伏并网逆变器； LCL滤波器； 并联； 谐振频率进入 21世纪以来， 太阳能发电得到了广泛的应用， 光伏并网逆变器作为太阳能发电系统最核心的部分也得到了迅速发展，已经从原来的几千瓦， 几十千瓦， 发展到现在的几百千瓦， 但受到 IGBT 等电力电子器件的制约， 大容量的光伏并网逆变器普遍采用了 IGBT模块并联技术进行扩容 [1-2]。本文首先分析了大容量光伏并网逆变器的结构和主要元件的设计方法， 并在此基础上研制了一台 500 kW 光伏并网逆变器的样机， 并对其进行了测试， 验证了其实用性及可靠性， 试验证明其运行稳定， 性能可靠， 具有较强的商业价值 。1 并网逆变器的系统设计并网逆变器采用了功率模块并联技术， 使用了2个完全相同的功率模块进行并联，有效地抵消了由于功率器件原因对系统容量所产生的制约 。硬件电路采用模块化设计， 主功率模块 、 驱动电路及直流母线支撑电容， 均置于一个功率模块之内， 便于安装和维护 。 主功率模块采用了当前主流的单级式结构，集成了最大功率点跟踪控制性能，提高了逆变器的效率， 减少了成本， 缩小了体积 。 直流侧电路主要包括直流防雷器， 直流 EMI滤波器， 直流接触器， 直流隔离开关， 交流侧主要包括防雷器， EMI滤波器， 交流接触器， 交流隔离开关， LCL滤波器 [3-4]图 1所示为光伏并网逆变器系统结构 。控制电路采用双 DSP+双口 RAM 结构，控制侧DSP主要负责 PI控制器运算 （电压 、 电流双闭环 ）PWM脉宽的计算等；逻辑侧 DSP主要负责启停逻辑 、 功能保护 、 数据通讯等， 具有过 /欠压 、 过 /欠频 、过流 、 过载 、 恢复并网及孤岛等保护功能， 并具有恒电压模式， 恒功率模式， 恒电流模式等多种运行方式 。 控制策略采用电压电流双闭环及 SVPWM调制方式 [5-9] l。 图 2所示为控制电路框图 。图 2 控制电路框图Fig.2 Control circuit diagram清洁能源Clean Energy光伏并网逆变器启动过程如图 3所示，整个过程包含停机 、 待机 、 电网状态监控 、 启动 、 最大功率点跟踪 （ MPPT） 、 故障 、 关机等 7个状态 。 其中对各种故障进行了分级处理， 一 、 二级故障属于可自恢复故障， 三级故障属于不可自恢复故障 。2 主要元器件的参数设计逆变器额定功率为 500 kW，交流输出电压为270 V， 开关频率为 3 kHz， 采用 2个完全相同的功率模块进行并联 。2.1 IGBT 选择交流输出相电流的峰值为I P= 2姨 P3姨 U=1 512 A因此， 流过每个模块的电流峰值为 706 A， 模块两端承受的最大直流电压为 900 V，考虑到最严重的过压和过流等情况，最终选择 FF1400R12IP4型IGBT， 其额定电流为 1 400 A， 额定电压为 1 200 V。2.2 LCL 滤波电路设计相比较传统的 L型滤波器， LCL滤波器具有体积小， 造价低， 对高频谐波抑制效果好等优点， LCL滤波器已经逐渐成为光伏并网逆变器的首要选择 。2.2.1 总电感 LT的选择电感 L T在稳态条件下要满足逆变器输出的有功（ 无功 ） 功率以及电流波形品质指标 。1）满足有功 （无功 ） 功率指标时的电感 LT设计单位功率因数下交流侧的矢量关系如图 4所示 。其中 E觶 为交流电网电动势矢量， V觶 L为交流侧电感电压矢量， V觶 为交流侧相电压矢量， I觶 为交流侧电流矢量 。由图 4可知， |V觶 |2=|E觶 |2+|V觶 L|2 （ 1）当直流侧电压 V dc确定后， 交流侧相电压的峰值|V|≤ MV dc （ 2）M 为 PWM 相电 压的 最大 利用 率， 本文 采 用SVPWM控制， 因此 M= 13姨另 |V觶 L|=ω L| I觶 | （ 3）由式 （ 1） 、（ 2） 、（ 3） 可得 L T≤Udc23 - Em2姨ω I m（ 4）式中， Udc为直流母线电压； Em为电网相电压峰值， Im为电网电流峰值 。2）满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计考虑到电流过零 （ ω t=0） 处一个 PWM开关周期 Ts中的电流跟踪瞬态过程， 得L T≤ 2Vdc3ω Im（ 5）3）抑制谐波电流时的电感设计考虑到电流峰值 （ ω t=π /2） 处一个 PWM开关周期 Ts中的电流跟踪瞬态过程， 得L T≥ （ 2Udc-3 Em） EmTs2UdcΔ Imax（ 6）式中， Δ Imax为最大允许谐波电流脉动量， 一般取 10%～20%之间 ,本文取 20%。由式 （ 4） 、（ 5） 、（ 6） 取交集可得（ 2Udc-3 Em） EmTs2UdcΔ I max ≤ LT≤Udc23 - Em2姨ω Im（ 7）实际滤波器设计中， 为了提高系统电流的快速跟随性， 在满足谐波电流要求的情况下选择的总电清洁能源Clean Energy96感值应尽可能地小 。2.2.2 电感 L 1和 L 2的选取总电感 L T=L2+L1/2 （ 8）式中， L2为网侧电感； L 1为逆变器侧电感 。 由于采用模块并联技术故逆变器侧总电感值为 1/2单个电感值 。 不同的系统电感 L 1和 L 2的关系是不一样不同的系统电感 L 1和 L2的关系是不一样的， 一般令 L 2=kL 1 （ 9）式中， k为一个系数， 取值一般在 0~1之间 。 考虑到滤波器的体积和噪声等因素， 在满足抑制高频谐波性能的前提下， 最终选取 k值为 0.5。2.2.3 滤波电容的选择为了保证并网逆变器的功率因数， 滤波电容的选取一般以滤波电容吸收的无功功率不大于系统有功功率的百分比为设计依据 。可得Cf≤ λ P3E2gω 1（ 10）式中， P为逆变器输出的额定有功功率； Eg为电网相电压有效值； ω 1为电网基波角频率； λ 为滤波电容吸收的无功功率不占大于系统有功功率 P的百分比，本文取 2%。2.2.4 约束条件LCL滤波器对系统的稳定性及系统性能影响较大， LCL滤波器的谐振频率范围一般在 10倍基波频率与 1/2开关频率之间， 否则电网谐波会影响系统的稳定性 。 即10fs＜ fres＜ 0.5fk （ 11）谐振频率 fres= 12π （ L1/2+L 2） /L1L2Cf/2姨 （ 12）2.2.5 直流支撑电容的选择直流电容的主要功能是滤除直流电压纹波， 另一方面要满足直流电压的动态响应要求， 即当逆变器负载突然变化时能将直流电压的波动维持在一定范围之内 。 假定负载在 0~t时间内引起负载功率的最大变化为 Δ Pmax， 可得12 CdcΔ Udc≥t0乙 Δ Pmax（ t） dt （ 13）3 实验结果及分析500 kW 光伏并网逆变器的参数为：额定线电压， 270 V； 额定电流， 1 070 A； 直流母线最大电压，900 V； 开关频率， 3 kHz； 由式 （ 7） 得 152 μ F≤ L T≤963 μ F， 取 LT=180 μ H， 由式 （ 8） 、（ 9） 最终选取的滤波电感值为， L 1=240 μ H， L 2=60 μ H。 由式 （ 10） 可得的滤波电容 Cf≤ 436 μ F， 选取 Cf=420 μ F， 由式 （ 12） 得 LCL的谐振频率 fres=1.228 kHz， 满足式 （ 11） 的约束条件，由式 （ 13） 最终选取的直流母线电容值 Cdc=14.4 mF。为了验证光伏并网逆变器的稳定性及可靠性，对光伏并网逆变器进行了满功率环流试验和各种性能测试 。3.1 满功率环流试验满功率环流试验中， 采用一台大功率可调直流电源来模拟太阳能电池阵列， 一台 500 kW 光伏并网逆变器作为测试装置， 逆变器工作在单位功率因数下， 试验电路如图 5所示 。图 6为满功率运行时的试验波形，其中， CH1为直流母线电压； CH2为逆变器输出电流； CH3为变压器副边电流； CH4为电网电流， 由图 6可以看出， 逆变器直流母线电压为 824 V， 额定输出电流为 1 070 A。满功率实验表明， 并网逆变器设计合理， 工作可靠， 可以在最大功率下长期运行 。第 ２７ 卷 第 １２ 期 电网与清洁能源图 6 环流试验波形图Fig.6 Circulating current test waveform figure图 5 环流试验电路图Fig.5 Circulating current test circuit diagram清洁能源Clean Energy973.2 性能测试3.2.1 效率测试1）效率理论计算值 。 在直流母线电压为 761 V的条件下，用 Infineon 公司提供的 IPOSIM工具计算得出开关频率分别为 3 kHz和 2.2 kHz条件下开关器件的总开关损耗 ,考虑到电抗器 、 风机等的损耗后，计算得出逆变器在各个功率点的效率， 根据计算出的效率绘制出不同开关频率下逆变器的效率曲线，如图 7所示 。2）效率实测值 。 用功率分析仪分别测量逆变器在 3 kHz和 2.2 kHz的输入输出功率，根据计算出的逆变器的效率我们绘制不同开关频率下的效率曲线如图 7所示 。由图 7可知理论计算将开关频率由 3 kHz将为2.2 kHz之后，轻载情况下，效率会有大约 1%的提升， 在重载的情况下， 效率会提升大约 0.5%。 在实际测量当中开关频率由 3 kHz将为 2.2 kHz之后，效率大约提升了 1%。 并网逆变器的最大效率可以达到98%， 实际值与理论计算值基本吻合， 满足设计要求 。3.2.2 THD测试用 FLUKE 435 电能质量分析仪测得 3 kHz 和2.2 kHz开关频率下的 THD， 根据测量的 THD绘制的曲线如图 8所示 。在满功率状态下，逆变器的 THD值均小于 1%，满足设计要求， 并且 2.2 kHz开关频率下的 THD值略小于 3 kHz开关频率下的 THD值 。3.3 温升试验采用光纤测温仪对满功率运行下的逆变器主要元器件温度进行了实时监测， 温度曲线如图 9、 图 10所示 。如图 10可知， 在满功率运行 5 h后各主要元器件温升已经平衡， 均在各元件器件的允许工作温度范图 9 0~1.5 h主要测试点温度曲线Fig.9 Main test point temperature curve between 0and 1.5 hours图 10 5 h各测试点温度曲线Fig.10 Main test point temperature curve in 5 hours才利存， 等： 500 kW光伏发电系统并网逆变器 Vol.27 No.12图 7 不同开关频率下的效率曲线Fig.7 Efficiency curve under differentswitching frequency图 8 逆变器各功率等级下的 THDFig.8 THD under all inverter power levels清洁能源Clean Energy98围之内， 表明逆变器散热设计合理， 满足设计条件 。4 结语实验结果表明， 500 kW光伏并网逆变器设计合理， 运行可靠， 满足各项设计指标要求， 符合设计标准， 具有很高的应用和商业推广价值 。参考文献[1] 明廷臻 ,刘伟 ,程时杰 .一种新型的太阳能发电技术 [J].电网与水力发电进展 ,2008,24(6):1-7.MING Ting-zhen, LIU Wei,CHENG Shi-jie.A New Typeof Solar Energy Power GenerationTechnology[J].Advancesof Power System & Hydroelectric Engineering, 2008,24(6):1-7.[2] 唐亮 .三相并网逆变器 LCL滤波特性分析及控制研究 [D].燕山大学 ,2010:27-28.[3] 张宪平， 李亚西， 潘磊， 等 .三相电压型整流器的 LCL型滤波器分析与设计 [J].电气应用 ,2007,26(5):65-68.ZHANG Xian-ping,LI Ya-xi,PAN Lei, et al.Analysis andDesign of LCL Type Filter for Three PhaseVoltage SourceRectifier[J]. 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