中文翻译-电网连接的光伏发电系统系统分析与设计

48 附录翻译译文 光伏 并网 发电系统 的 分析与设计 摘要 ： 本文 研究了 高电压增益的电网连接光伏（ 力系统，提出了稳态模型分析和控制策略系统 。 对于一个典型的光伏阵列为实现电网连接的功能输出电压是比较低的，高电压增益是强制性的。 提出的光伏系统 (功率处理的第一阶段 采用了 可以提高光伏阵列的低电压高的直流母线电压。 因此由模拟和实验结果得到并证实了一个准确的稳态模型，作为第二功率处理阶段的全桥逆变器具有双向功率流，这可以稳定直流母线电压和形成输出电流。 为实现低总谐波失真和快速动态响应的输出电流在执行系统控制回路加入两个补偿单位。最后为了验证本文的理论分析建立并测试了一个 2 关键词 ：双向功率流控制，补偿单位，直接电流控制，最大功率点跟踪（ 法，光伏（ 统，稳态模型。 一、 引言 今天随着时间范围内能源需求的增加和对环境污染的担心，光伏（ 源系统正变得越来越流行。在并网光伏发电应用四个不同的系统配置被广泛开发：集中逆 变器系统，串式逆变器系统，多串逆变器系统和模块集成逆变器系统 1-4。 一般除集中式逆变器系统还有有三种类型的逆变器系统可以用作小型分布式发电（ 系统，如住宅功率应用。 光伏小型分布式发电系统最重要的设计约束是获得高的电压增益。 对于一个典型的光伏模块，其开路电压约为 21 V、最大功率点（ 电压大约是 16V。 公用电网电压是 22010 V。 因此，为实现电网连接的功能和取得较低的总谐波失真（ 电压放大是强制性的。 传统的系统需要大量串联的光伏组件，正常的光伏阵列的电压是在 150和 450 统电源超过 500W。该系统是不适用于的模块集成的逆变器，因为典型的集成模块的逆变器系统的额定功率低于 500 W3， 4，额定功率为 100和 2005。 另一种方法是使用一个行频升压变压器，正常的光伏阵列的电压在 30和 1503， 4。 但是，线路频率的变压器具有较大的尺寸和重量的缺点。 在电网连接的光伏 发电系统，为实现电源转换，电网互联和控制优化需要 电力电子逆变器 6， 7。 一般来说，网连接脉宽调制（ 压源逆变器（ 广泛应用于光伏发电系统，因为光伏组件的独特功能其中有至少两个功能 。第一，因为 照度变化和最大功率点跟踪（ 效果，逆变器直流母线电压应该稳定在一个特定的值。其次，应供给的能量从光伏模块到公用电网中反相的直流电流转换为与公用电网同步的正弦波。因此，很显然，基于逆变器的光伏系统，包括低总谐波 失真（ 功率因数高，动态响应快的转换电能质量在很大程度上依赖于通过并网逆变器的控制策略。 49 在本文中，提出电网连接光伏发电系统的高电压增益。稳态模型分析和系统的控制策略也被运用。 电网连接光伏发电系统包括两个电源处理阶段：一个升压型 个全桥逆变器将直流电流反相到与公用电网同步的正弦波形。此外，直流 - 交流逆变器能够具有将直流母线电压的能力稳定为一个特定值的能力。 电网连接光伏发电系统可以提供一个高电压增益，并保证所用的光伏阵列电压低于 50 V，而电力系统接口该公用电网。 一方面，所需串联光伏组件的数量大大降低。仅仅通过改变并联的因此，所提出的系统不仅可以被应用到字符串或者多串逆变器系统，还有可以运用于在低功耗应用的集成模块的逆变器系统中。 另一方面特别是在欧洲，非隔离光伏系统采用中性点钳位（ 拓扑结构，高效可靠的逆变器的概念（ 拓扑结构， 8 - 14，已被广泛使 用。 虽然具有的 不接地 的光伏直流母线的无变压器的系统需要更多的保护，10， 15， 16，它有几个优点，如高效率，重量轻等。虽然无变压器的系统具有一个浮动的、不接地的连接光伏 10， 15， 16，但它有几个如高效率，重量轻等优点。 因此，本文中的非隔离方案采用高升压转换器升压 为即使在高功率的应用中转换器的高电压增益确保光伏阵列电压 50利于人身安全。 图 1显示了提出的电网连接光伏发电系统。 图 1 提出的电网连接光伏发电系统 50 图 2 高升压 等效电路（ a） b）等效电路。 二、 高升压 图 2显示了们的研究团队提出的 电路17。绕组耦合电感器提供了电压增益扩展 18 - 20。 有源箝 位电路实现了主开关和辅助开关的 17。如图 2（ a）中所示， 位开关， 02是输出二极管。 绕组耦合电感耦合的方法由开放的圆和星号标记。被建模为每个耦合电感的磁化电感的组合，一个理想 具有相应的匝数比和泄漏电感器 的变压器与励磁电感器串联。 图 2（ b）体现了等效电路模型， 射的泄漏电感的第二和第三绕组的耦合电感的漏电感器； 括寄生电容的开关； 位电容器； 文献 17中已讨论过的工作原理的分析和高步骤 17中分析过工作原理和高升压 全桥 在光伏系统通常被用作 类似第一阶段。 然而，对于高升压增益的应用中，初级侧的开关大电流波纹增加了导通损耗，次级侧的二极管需要维持高的电压应力 。此外，一个降压型转换器，为获得高升压增益一个大的变压器的匝数比是必要的，这导致一个大的漏感和初级侧开关的的换向向能量大，这导致一个大的漏感和大换向能量的初级侧开关。因此，变压器的设计是困难的，转换器的效率会受到影响。此外，谐振模式转换器如 比 在的更高的效率和更高的功率密度 是有吸引力的。 然而，大多数的谐振变换器中，包括一些固有的问题，如由于变频运行引起的电磁干扰（ 题和由于循环能源发电引起的转换效率降低。 此外，为了使谐振转换器的运用到实际中，需要精确地控制波形和困难的过电流保护，增加了整个系统设计的复杂性 21 - 24。 相应地 51 1） 通过使用适当的匝数比设计大大延长了电压增益 。 由于匝数比的增大，没有极端的占空比的情况下电压增益增加，它可以降低输入和输出电流的波纹。省略 漏感的效果，并加入 第二电压平衡磁化电感，电压增益由下式给出 ： （ 1） 2）当匝数比的增加，主开关的电压应力降低。 因此，低电压和高性能的设备可用于减少开关损耗和传导损耗。 箝 位电压尖峰有效地回收泄漏的能量。 假设箝 位电容足够大，并且在交换机上的电压纹波可 以忽略不计，当他们都关闭时，归主开关电压应力是： （ 2） 3） 开关转换，这意味着 了开关损耗被大大降低。 因为二极管的电流的 不幸的是，绕组耦合电感器的泄漏电感器对电压增益表达式有很大的影响，一个很大的错误在（ 1）为基础上的的稳态模型被发现，特别是当漏感增大到一定程度，这使电路参数的设计困难。 为了得到更精确的转换器的稳态模型，由于漏感强烈地影响电路的操作状态绕组耦合电感的漏感应该被考虑。为了简化计算，合理假设下列条件： 1） 箝 位电容足够大，所以电压波动可以忽略不计，当主开关关闭时将电压 2） 激磁电感远大于漏感，因此 在一个开关周期 中将 磁化电流 3） 主开关和相应的辅助开关的空载时间被忽略。 4） 所提供的两个交织和互相耦合的升压转换器的单元格具有严格的对称性。 在以上假设的 基础上，此转换器中部分密钥在的波形示于图 达到一个稳定的状态。以下式子给出了近似值 ： = I （ 3） 12=K V （ 4） 基尔霍夫电压定律得： 220*+ + V V（ 5） 11V D 52 图 3 部分密钥的转换器的波形 其中2012 A. 第一阶段（主开关 磁化电感与第二电压的平衡的基础上，开关 （ 6） 如图 3中 以发现 如图 2所示，绕组耦合电感器上的电压由一下式子决定： 10 1 = =V m V（ 8） 1002= V（ 9） 1 1 11= = L L ( 7 )(1 ) / L K L K L VV t D f 53 *2 = V V（ ） （ 10） 101A。 因此，式（ 6），（ 9），（ 10）代入（ 5）的输出电压，该方程在步骤 （ 11） B. 开关 2均打开） 同样地，如图 3中波形所示，所示，可以发现 (12) (13) 考虑到在步骤 组耦合电感器的电压的表达式如下： 10 1 1 m V V (14) 1002 V(15) 10 0 *2 2 2()n n n L K V V N V V (16) 因此，式（ 12），（ 15），（ 16）代入（ 5），在阶段 到 : （ 17） 此外，如图 3中 在一个开关周期内，通过这两个输出二极管的总电荷由一下式子决定： （ 18） 同时，在一个开关周期内的电荷通过负载是 (19) 因此，可以发现，电荷守恒方程 (20) +1= + 2 (1 ) / f o u t d + 1 V V V （ ）1 1 122= = L L K L K L VV o u t 1 22 L 2 L K t 1 1 22 ( )D t t N 2 1f12 1() R f 54 因此，解（ 11），（ 17）和（ 20）取得表达式的转换器的稳态模型： （ 21） 如表 两个稳态模型和仿真软件 验证所提出的模型 . 表一 稳态模型验证 222 (1 ) 8 (1 )( 1 )4 N f L R D f L 55 图 4 两阶段并网光伏系统控制块 三、 全桥逆变器双向功率流控制策略 在图 1所示的全桥逆变器 ,作为 换器，在本文中，它实现了双向功率流。 通过使用一个直接的电流控制策略， 准确地跟随与公用电网电压同步的正弦参考。 并实现了高功率因数，低 外，双向功率流有利于补偿直流母线和交流侧电压的变化，这有助于稳定的直流母线电压在启动和多云的情况下，提高整体系统的稳定性。 图 4表示的两个阶段的光伏并网发电系统的控制块。图 5表示全桥逆变器，双向功率流的控制块。 图 5 全桥逆变器，双向功率流控制块 A、 双向功率流控制 56 如该图所示。 5，直流母线电压 时， 这是负的 如果 伏能源发电系统与 如果 时， 公用电网获取能量到直流母线电容中以保持稳定的直流母线电压。 最后在负方向上的电流接近一个比较小的值，这仅用作 前期特征保证直流总线电压是稳定在后端 管 因此在后端在前端之前启动的条件下，它避免了 B、 有补偿单位的直接电流控制 如图 5所示，被检测到的负载电流 过 种直接电流控制的主要优点是在处于稳定状态时低谐波以减少损失，提供高动态性能以快速响应和峰值电流保护拒绝超载 25， 26。 一般情况下，电流控制回路被设计为具有 2于 200保证与由两个 稳定性 。 然而，在单相逆变器的情况下瞬时功率和直流母线电压包括频率为 2的脉动分量。此外，电网电压在实践中并不是一个理想的正弦波波形。 因此，真实的电网条件下使用简单的直接电流控制策略难以以实现低的输出电流 因此两个补偿单元被当做控制单元被添加到控制回路中。 前馈控制对系统的零点和极点配置的影响不大，但实现了准确跟踪正弦参考和约束的负载电流的谐波畸变，特别是在电流峰值 时 。 补偿系数 以抵消主要的直流母线电压纹波的影响，因为 的波动特征，与相比直流母线电压纹波。 （ 4 缺陷的电网电压 输出对逆变器开关产生驱动信号。因此，调制波 补偿电网电压波动，并获得高的正弦电流波形。前馈的效果取决于 此外，计算的参考电流 ）和相位与在真实的时间内由一个锁相回路（ 统公用电网电压 本文中它是通过数字算法的 四、 基于能源平衡的简单的 57 许多 确保充分利用光伏组件 27 - 29. 实现通常涉及传感输出电流和电压的光伏组件 ,幸的是，这样的实现是昂贵的和复杂的 27， 28。 本文鉴于电源平衡提出了一种采用简单的 如果省略了整个系统的损失，光伏阵列的发电电力等于转移到公用电网的输出功率 . 因此当电网电压被钳位到 220或 110伏时负载电流 如前面讨论的，负载电流 此，广大的 不是由电压和电流传感器乘以输入计算功率值，其具有普遍性。 为了验证前面的分析，如表二所示，本文采用值 P O）算法。扰动的扰动光伏阵列的电流和电压，所以扰动光伏阵列功率。然后调整工作点，以最大限度地提高光伏阵列的功率。 表二 采用值 P O）算法 另一个优点是简单的 不是光伏阵列的输出功率。虽然在理论上是等价的，前者是在实践中实际运用 为一些并发症，如整个系统的损失和长期的公用电网电压波动的非线性而被淘汰。 五、 实验结果 A、 系统配置 为了确认上一节中的理论分析，建立一个所提出的电网连接的光伏发电系统 2两个 通过一个 2较低功率直流 - 直流转换器，分别连接到各个光伏阵列，可以扩大中央逆变器电源率，降低了系统的成本。 详细的组件和使用的参数如下 : 38 50 V; 380 V。 50 250 N = 36:18 = 2. 58 S1 2 : o1 F. 2.2 150 H. 4 H. 全桥逆变器： 20 1 s. 绝缘栅双极晶体管（ 470 F 4. f 2 : 1.2 数字控制器： B、 实验结果 以下给出了在 1千瓦发电每个光伏阵列的一个特定的温度下辐照度的条件下的实验结果，其中与电网连接的光伏系统 的总功率可以达到 29 图 6 （ a）主开关 b）主开关 （ c）辅助开关 d）关断二极管 图 6示出当输入电压为 40千瓦的 图 6（ a），当电压增益延长时避免了极端的占空比。与此同时，主开关的电压应力被降低到 170 V，远低于输出电压 380V，低电压和高性能的器件可用于减小导通损耗。 图 6（ b）和（ c）。分别表示 1的波形和 箝 位开关 很显然，主开关和辅助开关的 而降低了开关损耗，提高了效率，增加了功率密度。 图 6（ d）表示的导通截止电流输出二极管 明显，反向恢复电流减小到一个较小的值，显着的泄漏电感的反向恢复的问题减轻。 电磁干扰噪声被显着抑制，并且由反向恢复造成的损失大大降低。 此外，为了验证所提出的稳态模型的 出电压60 的实验结果进行比较，结果见表三。很显然，由精确的数学模型计算出的值和仿真软件实验误差值都在 。错误由模型中的假设所致。 表三 稳态模型的实验验证 图 7示出了双向功率流全桥逆变器的实验结果。输出电流和直流母线电压在整流状态的波形示于图 7（ a）中。 很明显，电流接近零，而且没有一个非常小的纹波的直流母线电压被稳定到 380 V，因为没有消耗除了 输出电流和直流母线电压在反相条件下的 2千瓦的波形示于图 7（ b）中。可以清楚地看出，输出电流是高的正弦与电网电压同步的，这是由于两个补偿单元的频率为 2的直流母线电压的脉动分量几乎不劣化。图 8示出了在 2 过 50次计数测得的 61 图 7 双向功率流的全桥逆变器的实验结果。（ a）输出电流和直流母线电压波形在整流状态。（ b）输出电流和直流母线电压在反相条件下的波形 图 8 在 2 根据不同的步骤源的变化的系统的动态响应实验结果示于图 9中。如该图所示。图 9（ a）中，电源是从 500到 1600W，相反地，电源从 1600变到 500W，如图图 9（