一种宽范围输入的光伏并网逆变器

文章编号 :1008 - 1402( 2009) 06- 0853 - 04一种宽范围输入的光伏并网逆变器 ①杨伟昕 , 肖 岚( 南京航空航天大学 , 江苏 南京 210016)摘 要 : 根据光伏阵列的特点 ,介绍了一种适用于宽范围输入电压的光伏并网逆变器 .详细的介绍了该逆变器的结构及控制方法 ,分析了其在单级 两级光伏并网逆变器两种工作模式下切换的原理 .搭建了实验样机 ,实验结果验证了方案的可行性 .关键词 : 宽范围输入 ;光伏并网 ;逆变器中图分类号 : TM464 文献标识码 : A0 引 言随着全球工业化及经济社会的发展 ,全球对能源的需求急剧膨胀 ,而可供利用的不可再生能源的储量逐渐减少 ,人类将不得不面临无能源可用的能源短缺危机 ,因此 , 清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注 .光伏并网发电以其独特的优势得到了快速发展 .对于 SPWM 逆变器而言 , 无论是单级光伏并网逆变器还是两级光伏并网逆变器 ,都对光伏阵列的输出电压有较高的要求 :对于单级 光伏并网逆变器 ,光伏阵列输出电压要至少高于入网侧电压的峰值 ,否则逆变器将无法正常工作 ,文献 [ 1 ,2] 提出了在同一周期分时复用升压和降压变换器 ,使逆变器输出较高电压的正弦波 ,但控制过程较为复杂 ;对于两级光伏并网逆变器 , 则要求光伏阵列的最大功率点电压不能高于直流母线电压 ,否则将无法完成最大功率点跟踪 .为此 ,本文研究了一种可以在较宽电压范围内实现最大功率点跟踪的光伏并网逆变器 ,提出了使系统在单级与两级模式下切换工作的控制方法 ,从而使光伏阵列的配置更加灵活 ,提高了光伏逆变器的通用性 .1 光伏逆变器的组成及控制结构通常的光伏并网逆变器分单级光伏并网逆变器和多级光伏并网逆变器 ( 大多为两级光伏并网逆变器 ) .单级光伏并网逆变器一般由光伏阵列 、 防反冲二极管 、 直流母线电容 、 逆变桥和滤波电感组成 .两级光伏并网逆变器一般由光伏阵列 、 DC DC 环节( 大多为 Boost电路 ) 、 直流母线电容 、 逆变桥和滤波电感组成 .本文介绍的宽范围输入光伏并网逆变器由常用的两级光伏并网逆变器及一个与 DC DC 环节并联的旁路二极管 D 构成 ( 如图 1 所示 ) , 其工作原理是 :图 1 宽输入光伏并网逆变器电路示意图( 1) 当光伏阵列的输出电压较低无法满足全桥逆变器的输入要求时 ,此时系统选择两级光伏并网逆变器工作模式 ,控制结构如图 2 所示 : 作为 DCDC 环节的 Boost电路的开关管 Q 开始工作 ,旁路二极管 D 反向截止 .此时对 Boost 电路和逆变桥环节分别进行控制 :1) DC DC环节采样光伏阵列电压电流 ,以此作为依据进行最大功率点跟踪 ,使光伏阵列能以最大功率输出 ; 2) 逆变 桥环节采用双 环控制 .直流母线电压外环提供进网电流基准 ,通过调整进网功率大小确保直流母线电压恒定 , 内环为进网电流采样 、 电网电压同步和 SPWM 驱动 ,控制逆变过程 ,保证进网电流的正弦度及与电网电压同相 .( 2) 当光伏阵列输出电压基准高于直流母线电压时 ,Boost的输出电压低于输入电压 ,开关管 Q 保持关断 ,Boost的旁路二极管 D 导通 , 如图 3 所示 .① 收稿日期 : 2009 - 10- 09基金项目 : 航空科技支撑基金 ( 05C52006) .作者简介 : 杨伟昕 ( 1985 -) ,男 , 山东青岛人 , 南京航空航天大学硕士研究生 , 研究方向为电力电子技术与电力传动 .第 27卷 第 6 期 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Vol .27 No .62009 年 11 月 Journal of JiamusiUniversity (Natural ScienceEdition) Nov . 2009此时 ,由于最大功率点跟踪功能是由 Boost电路完成的 ,而 Boost电路被二极管 D 旁路 ,不再工作 ,因此 ,光伏阵列的输出电压将被稳定在直流母线电压基准值处 , 系统将 无法继续最大功 率点的跟踪过程 ,MPPT 功能失效 .( 3) 为了使系统在这种情形下能够继续进行最大功率点跟踪 ,系统切换至单级光伏并网逆变器模式工作 , 控制结构如图 4 所示 , 此时光伏阵列输出电压与直流母线电压相等 ( 忽略旁路 二极管 D 的压降 ) ,直流母线电压基准由最大功率点跟踪计算得到的电压提供 ,Boost电路不再工作 ,系统仅有一个 双环控 制 :1) 进 网电 流采 样 、 电网 电压 同步和SPWM 驱动作为内环控制 , 控制逆变过程 , 保证进网电流的正弦度及与电网电压同相 ;2) 光伏阵列电压电流采样和最大功率点控制作为外环控制 ,提供进网电流基准 ,通过调整进网功率大小调整光伏阵列的工作点 ,保证光伏阵列以最大功率输出 .图 4 光伏并网逆变器单级控制结构图通过以上分析 ,可以看出 ,该宽范围输入光伏逆变器通过采用在单级与两级光伏并网逆变器两种工作模式下自动切换的控制方法可以适应不同大小范围的光伏阵列输出电压 ,实现了在较宽电压范围内实现最大功率点跟踪的功能 .2 光伏逆变器的控制原理图 1 所示的光伏并网逆变器是具有电流控制特性的电压源型逆变器 , 一般采用双环控制 : 电流内环和电压外环 [ 3 - 5] .2 .1 电流内环针对图 1 所示电路 , 对于逆变器输出端 , 取电网电流为状态变量 ,则有 :i g( s)= 1sL( uAB ( s) - ug ( s) ) ( 1)uAB( s)= SUDC ( 2)式 (2) 中 S 为开关函数 ,当 Q1 , Q4 导通时 ,S = 1 ;当 Q2 , Q3 导通时 ,S = - 1 ;其他时刻 S = 0 .对式 ( 2) 求开关周期平均 ,得 :u AB = SUDC ( 3)其中 uAB 代表 uAB 的开关周期平均值 ,S 代表 S 的开关周期平均值 ,即占空比 D ( t) ,由规则采样法可知 :D ( t)= u sinU tri ( 4)其中 u sin 为正弦波调制信号 , U tri 为三角载波信号的峰值大小 .通过式 ( 2) ( 3)( 4) 可以 推导出从 调制器输 入至逆变器输出的传递函数为 :GPWM = uAB ( s)usin( s)= UDCUtri( 5)由式 ( 1) 可以看出 ,电网电压 ug 可视为扰动信号 ,会影响系统的动态跟踪性能 . 为了减小电网电压对并网电流的影响 ,减轻反馈控制的负担 , 可以加入电网电压前馈控制 ,使ugGfGPWM - ug = 0 ( 6)其中 ,Gf 为电网电压前馈传递函数 .综合式 ( 1) ( 5) ( 6) 可以得出单极性 SPWM控制下的加入电网电压前馈后的电流环控制框图如图5 所示 .2 .2 电压外环在光伏并网系统中 ,对直流母线电压的稳定控制是系统稳定的前提 .因此 ,要使系统稳定工作 , 必854 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2009 年须对系统进行电压外环控制 .在单位功率因数条件下 ,根据 并网逆变器的交 、 直流侧功率平衡原则 ,忽略损耗 ,有 :Ug I g = UDC I DC ( 7)其中 Ug ,I g 为电网电压和进网电流的有效值 ,U DC ,IDC 为直流母线电容电压和逆变桥输入电流的平均值 .可以得到 I g 与 I DC 的关系 :IDC = UgUDC Ig = KvI g ( 8)在直流母线电容端有 :i D - iDC = C duDCdt ( 9)UDC = I csC = I D - IDCsC ( 10)其中 ,U DC 为直流母线电容电压 , I D , IDC 分别是二极管电流 ( 单级工作模式时为旁路二极管电流 , 两级工作模式时为 Boost电路的防反冲二极管电流 )和逆变桥的输入电流 ,C 为直流母线电容容值 .结合式 ( 1) ( 5) ( 6) ( 8) ( 10) 可以得出 系统完整双环控制框图 ,如图 6 所示 ,电流内环保证了进网电流的质量 ,电压外环使直流母线电容电压稳定 ,从而实现了整个系统的稳定 .图 7 光伏阵列输出电压与 Boot驱动波形3 实验结果根据以上分析 ,设计了一台实验样机 .其中功率管开关频率为 40kHz ,滤波电感为 1 .2mH , 实验时输出增加变比为 1 :4 的变压器 ,直流母线电压为100V,功率 250W,使用规则采样法生成 SPWM 信号的单极性控制 .由图 7( a) 可以看出 ,当光伏阵列输出 电压 80V 时 ,低于 直流母 线电压 , Boost电路 工作 ,此时系 统工作在两级光伏 并网逆变器工 作模式 ,Boost电路完成最大功率点跟踪和升压功能 ; 由图 7( b) 可以看 出 , 当光 伏阵列 输出 电压 为 110V时 ,高于直流母线电压 ,Boost 电路停止工作 , 开关管无驱动信号 ,此时系统工作在单级光伏并网逆变器工作模式 , 最大功率点跟踪及逆变功能由逆变桥完成 .进网电流与电网电压波形如图 8 所示 . 可以看出 ,进网电流 与电网电压同 相 ,PF 值 较高 ,THD较小 ,波形质量较好 .855第 6 期 杨伟昕 ,等 :一种宽范围输入的光伏并网逆变器4 结 论图 8 进网电流与电网电压本文介绍了一种适用于宽范围输入电压的光伏并网逆变器 ,分析了该光伏并网逆变器的组成 、控制结构及控制原理 ,并研制了一台实验样机 ,进行了单级 两级光 伏并网逆变器两 种控制模式实验 .实验结果表明 , 该光伏并网逆变器可以根据光伏阵列的输出电压大小 , 选择在单级 两级光伏并网逆变器中的一种模式下工作 ,在较宽范围内实现最大功率点跟踪及并网功能 .参考文献 :[ 1] 吴卫民 , 耿攀 , 王晓丽 ,汤天浩 .新型级联式分时复 合高频 DC-AC 逆变器 [ J] .电工技术学报 , 2009,24( 6) : 157- 160.[ 2] Ogura K , Nishida T , Hiraki , E . Hiraki and M . Nakaoka. Time-sharing Boost Chopper CascadedDual Mode Single - phaseSinewaveInverter for Solar Photovoltaic Power Generation System[ C] . IEEEConferenceof PESC, 2004, AachenGermany: 4763- 4767 .[ 3] Kjaer , S. B . ; Pedersen, J. K . ; Blaabjerg, F . . A Review of Single- phaseGrid - connectedInverters forPhotovoltaicModules[ C] . In-dustry Applications , IEEE Transactions 2005, 41( 5) : 1292 - 1306.[ 4] 吴理博 . 光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现 [ D] .北京 :清华大学 , 2006.[ 5] 张超 . 光 伏并 网发 电系 统 MPPT 及孤 岛 检测 新 技术 的研 究[ D] . 杭州 : 浙江大学 ,2007 .A Photovoltaic Gird - connected Inverter with Wide Input Voltage RangeYANG Wei - xin , XIAO Lan( Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , Nanjing 210016, China)Abstract : Basedon the photovoltaicarraycharacteristic, a photovoltaicgird - connectedinverterwhich is suit-able for wide input voltagerangeis introduced. The structureand the principle of the operationmode switch betweensingle- stageandtwo- stagephotovoltaicgird - connectedinvertersare discussedin detail . The experimentprovesthemethoddescribedin this paper.Key words : wide input voltage; photovoltaicgird - connected; inverter856 佳 木 斯 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2009 年