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1、光伏并网逆变器的设计与控制摘 要：光伏并网发电具有广泛的应用前景，叙述了并网逆变器在光伏并网发电 中所起的作用以及不同逆变器的特点，指出，光伏并网逆变器的技术关键在于 对电流和功率的控制。关键词：光伏发电；逆变器；拓扑结构；控制策略0引言随着经济社会的不断高速发展，人类对能源的需求在不断增长。由于不可再生 资源的日益紧张及人们对环境保护的重视，开发利用新能源越来越受到人们的 重视。电力系统正面临着巨大的变革，其中，光伏发电以其环保、可持续等独 特的优点，被公认为最具技术含量和发展前景的技术之一。逆变技术是光伏发 电并网的关键技术，并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置，在新能源 的开发和利用
2、中有着至关重要的作用，直接影响着光伏并网发电系统的经济 性、可靠性。因此，提高逆变器的性能、开关频率及功率密度便成为了近年研 究的热点。1光伏发电对逆变器的技术要求光伏并网发电系统通常由光伏阵列、逆变器及控制器组成，其中，逆变器是连 接光伏阵列与电网的关键部件，它在系统中承担着2项任务，a）控制光伏阵 列最大功率点运行；b）将太阳能电池产生的直流电转换成交流电并输入公共电 网，其典型结构见图1，电路原理见图2。图2中，Up为逆变器输出电压，Uu为电网电压，R为线路电阻，L为串联电 抗器，Iz为回馈电网电流，其中，电网回馈电流的相位要与电网电压相位一 致。在这个系统中，逆变器因为与电网相连，因此
3、，其必须满足电网电能质 量、防止孤岛效应和安全隔离接地等要求。首先，就满足电网电能质量来说， 逆变器输出的正弦波失真度要小，因此，要控制逆变器的开关频率。在数控逆 变器中，采用DSP新型处理器可明显提高其频率性能，有效提高光伏发电系统 的效率。同时，所有并网逆变器都必须具有防止孤岛效应的功能，必须能够及 时检测电网断电并切离电网。为了保证电网和逆变器的安全可靠，必须使逆变 器与电网能够有效隔离，通常采用变压器实现它们之间的隔离。光伏阵列的输出电压由于受日照强度和环境温度的影响，有较大范围的波动。 因此，必须使逆变器能在较宽的直流输入电压范围内正常工作，且调节光伏阵 列输出电压趋近于最大功率点的
4、输出电压。从用户的角度来说，成本低、效率 高、可靠性高，使用寿命长是对逆变器的要求。因此，逆变器不仅必须具有合 理的电路和结构，而且还应具有输入交流输出短路、直流极性反接、过热过载 等各种保护功能。要尽量减少中间环节的使用，以节约成本，提高效率。2逆变器结构 为了能设计出符合上述要求的并网逆变器，多数人都集中于研究逆变器的拓扑 结构及控制方法。逆变器的拓扑结构有很多种，常用的是全桥结构。根据采用 隔离变压器的类型，并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆 变。2. 1低频环节并网逆变器低频环节并网逆变器是早期光伏发电系统采用的逆变器。它由工频或高频逆变 器、工频变压器以及输入、输出滤
5、波器构成，其电路结构见图3。由这个结构不难看出，它是1个单级逆变系统，即把太阳能电池的直流电逆变 成工频低压交流电，再通过工频变压器升压成220 V，50 Hz的交流电并入电 网或供负载使用。其拓扑结构包括推挽式、推挽正激式半桥式、全桥式、多重 叠加式等电路，以全桥式为例，其拓扑结构见图4。这种逆变器的优点在于，电路结构简洁，所用元器件少，损耗小，转换效率 高，容易控制。但是，系统成本高，且变压器体积和重量大，噪声也比较大， 因此，其注定要被高频逆变器所取代。2. 2高频环节并网逆变技术高频环节并网逆变器由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以 及输入、输出滤波器组成，其电路结构见图
6、5。从这个结构不难看出，直流电经过高频逆变后经过高频变压器变成高频交流 电，经高频整流滤波电路得到高压直流电，再由工频电路实现逆变。它主要包 括两部分：a）前级为1个直流变换电路，其功能在于将光伏阵列输出的直流 电压变为较高的直流电压，并跟踪光伏电池输出最大功率点；b）后级是工频逆 变环节，它将直流电变换为交流电并输入电网。其拓扑结构包括单管并联交错单管正激式、正激式、推挽式、双管正激式、推 挽正激式、并联交错双管正激式、半桥式、全桥式等，我们以全桥式为例（见 图6）。这种电路由于采用了高频变压器的隔离方式，因此，具有体积小、重 量轻的优点，且它利用变比调节电压增益的方式，能够满足最大功率的跟
7、踪和 直流电压输入范围的要求。由于存在高频逆变和工频逆变两个逆变，因此，整 个系统电路相对复杂。3控制策略如前所述，为了实现控制光伏阵列最大功率点运行及将太阳能电池产生的直流 电转换成交流电并输入公共电网，就需要对电流及功率进行控制，电流的控制 通常采用各种优化的PWM控制策略，而功率的控制则主要通过最大功率点跟踪 来实现。3. 1最大功率控制方法 光伏阵列由于受环境温度、光照强度等多方面因素的影响，其输出的电流电压 具有非线性特征。只有在某一电压值下，其输出功率才达到最大值。此时，光 浮电池的工作点称之为最大功率点。为了提高系统的整体效率，必须对此最大 功率点进行跟踪，常用的跟踪方法有CVT
8、和MPPT 2种方式。CVT是通过将光 伏阵列端电压稳定于某个值而确定最大功率点的，采用这种方式，控制简单， 且系统比较稳定。但是，这种方式忽视了温度对阵列开路电压的影响，以常规 单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1 C时，其开路电压下降率约为0. 35%0. 45%,这样其最大功率点自然偏离。MPPT则没有这种缺陷，它采用一 定的控制算法来实时检测光伏阵列的输出功率，跟踪光伏阵列最大功率工作 点，这是1种自主寻优的方式。因此，动态性较好，且比较准确。尽管目前应 用的比较广泛，但是其稳定性却不如CVT。因此，可以在外环增加1个稳压控 制环节，提高系统的稳定性。根据算法的不同，实现方式有很多
9、种，如，导纳 增量法、扰动观测法、模糊逻辑控制方法、最优梯度法、神经元网络控制法3. 2并网控制逆变器的交流输出的控制方法分电压控制和电流控制两种方法。电压控制方式 在速度和稳定性上有欠缺，所以，常采用电流控制方式。电流控制方式又分为 间接电流控制和直接电流控制2种方式。其中，间接电流控制又称幅相控制， 它是根据稳态电流向量的给定对PWM电压基波向量的幅值和相位，分别进行闭 环控制，间接实现对并网电流的控制。由于这种方法建立在稳态电量关系的基 础上，其前提条件是电网电压不发生畸变，但实际上，电网由于受多方面因素 的影响，畸变的发生往往不可避免，因此，采用这种方法得到的动态性能往往 存在着比较大
10、的偏差，从而影响系统的控制效果。因此，在实际中，响应速度 快、稳定性以及调节性能优良的直接电流控制采用得更加广泛，它采用的是电 压外环、电流内环的双环控制模式，它通过检测并比较电流内环的反馈信号与 电压外环的输出信号来控制功率开关的占空比，这样，功率开关的峰值电流就 直接与电压反馈回路中误差放大器输出信号相一致。从方法上来说，目前采用 的都是PWM非线性控制方法，包括瞬时值滞环比较方式、定时比较方式和三角 波比较方式。以瞬时值滞环比较方式为例，它是通过把电流参考值与实际输出 电流相比较，他们之间的偏差经过滞环比较后产生PWM信号，以此触发或关断 主电路功率开关器件，从而控制电流的变化（见图7）
11、。采用这种方式，线路相对简单，跟踪精度高，响应速度也快。由于电力半导体 开关频率是变化的，所以滤波器设计相对复杂，通常使用滞环宽度跟踪电流增 量的变化实现自动调节。这样又会使得电路结构变得非常复杂。4实验研究 根据前面所述，我们设计了 1套额定功率200 W的光伏并网逆变器，系统结 构见图8。在这个系统中，光伏阵列用4块50 W的多晶硅太阳能电池组成，额定输入功 率200 W,输入直流电压50V80 V,输出交流电压220 V,频率50 Hz, 太阳能电池的输入电压和电流用安培表和伏特表测量，并网逆变器输出交流电 压和电流用FLUKE 43 B电能质量分析仪检测。通过测试计算表明，太阳能电 池的输出电压在62 V左右，输出电流为3 A,输出功率为186 W,逆变器的 输出电压为230.9 V,输出电流为0.623 A,输出功率为145 W,逆变器的效率为0.78,逆变器输出功率因数为0.97，与电网的电压、频率以及相位基本一致。因此，这个系统输出的电能质量基本令人满意。
