光伏并网逆变器的设计与控制

２０１１年第２期（总第６５期）　ＥＮＥＲＧＹ　ＡＮＤ　ＥＮＥＲＧＹ　ＣＯＮＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ　钰ｉ夏与　稚　２０１１年２月　墓　纛誊　光伏并网逆变器的设计与控制　潘　龙　（江苏龙腾工程设计有限公司，江苏　宜兴摘指出，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　２１４２０６）　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，　中图分类号：ＴＭ６ｌ５　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５－０８０２一（２０１１）０２－００８３－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＰＶ　Ｇｒｉｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＰＡＮ　Ｌｏｎｆｌ　（Ｌｏｎｇｔｅｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｙｉｘｉｎ　２１４２０６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＶ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｓ　ｂｒｏａｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＰＶ　Ｇｒｉｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＰＶ　ｐｏｗｅｒ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｄｉｆｆｅｒ－　ｅｎｔ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｉｔｓ　ｋｅｙ　ｉｓ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＶ　ｐｏｗｅｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　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　图１光伏发电系统结构简图　成为了近年研究的热点。　图２光伏并网电路原理图　ｌ　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　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　部件，它在系统中承担着两项任务，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，　为逆变器输出电压，　为电网电压，Ｒ　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　・为线路电阻，　为串联电抗器，　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，其　收稿日期：２０１０—１２—２１　作者简介：潘　龙，１９７０年生，男，江苏宜兴人，１９９２年毕业于江　苏工学院（今江苏大学）电气技术专业，董事长、总经理。　８３・　２０ｌ１年第２期　—潘，，１—＿１　龙：光伏并网逆变器的设计与控制　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）。　■ＬＩ　］　图６　焉频环节并网逆变器拓扑结构　图７瞬时值滞环比较示意图　浮电池的工作点称之为最大功率点。为了提高系统的　采用这种方式，线路相对简单，跟踪精度高，响应　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和ＭＰ　两种方式。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ｌ℃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。ＭＰ　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、神经元网络控制法等。　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巾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ｊ　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　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，系统结构见冈８。　网　图８光伏并网逆变器系统　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，额定输人功率２００　Ｗ，输入直流电压５０　Ｖ～８０　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。　（责任编辑：李妍彬）　能源安全体系　能源安全体系是指一个国家或地区为保障能源供　需平衡、协调，规避能源供需风险，所建立起来的与能　源安全相关的法规、体制、储备制度、预警系统和应急　预案等一整套政策措施。　・８５・