（电力电子与电力传动专业论文）太阳能光伏发电双模式逆变器控制策略研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ew o r l de n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，i ti sb e c o m i n g t h ep r i m a r yt a s kf o rh u m a n b e i n gt oe x p l o i tt h er e n e w a b l ea n dg r e e ne n e r g ys o u r c e sf o r t h es a k eo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w i t ht h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s so fs o l a rc e l la n d p o w e re l e c t r o n i c s ，t h ep h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya n di n d u s t r yi sn o to n l ya ni m p o r t a n t s u p p l e m e n to fc u r r e n te n e r g yc o n s u m p t i o n ，b u ta l s ot h ep o t e n t i a lm a i ne n e r g ys o u r c ei n t h ef u t u r e r e c e n t l y , t h ep h o t o v o l t a i cs y s t e mc o n s t a n t l yd e v e l o p sw i t ht h et e n d e n c yo f l o w e rc o s t ，h i g h e re f f i c i e n c ya n dh i g h e rp o w e rd e n s i t y t h em a i na p p l i c a t i o nf o r mo f s o l a re n e r g yw i l lb et h eg d d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st oc o n d u c tar e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa d o u b l e m o d ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e r , i e ，i n v e r t e rw i t hg r i d - c o n n e c t e da n ds t a n d a l o n e m o d e s 。t h i sk i n do fi n v e r t e ri sc h a r a c t e r i z e db yf i n er e l i a b i l i t ya n dh i g h e ru t i l i z a t i o n r a t i oo fr e n e w a b l ee n e r g y t h ea p p l i c a t i o nf o r mo fp h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o na n dt h e c l a s s i f i c a t i o no ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r sa r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t a k i n g r e l i a b i l i t y , e f f i c i e n c ya n dc o s ti n t oc o n s i d e r a t i o n ，a i li n v e r t e rw i t ht w o s t a g ef u l l - b r i d g e s t r u c t u r ew a sc h o s e nt ob es t u d i e d t h et o p o l o g yo ft h i ss t r u c t u r ei su s u a l l yu s e di ns m a l l s c a l eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r t h es i n g l ep o l a r i t ys p w mc o n t r o lm e t h o dw a ss e l e c t e dt og e n e r a t ec o n t r o ls i g n a l s o fi n v e r t e ri nt h i sp a p e rw i t ht h ea n a l y s i so fv a r i o u sk i n d so fc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s a c c o r d i n gt op a r t i c u l a rc a s e so fp h o t o v o l t a i cs y s t e m ，d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r e a p p l i e du n d e rd i f f e r e n tm o d e s u n d e rt h e 面d c o n n e c t e dm o d e ，t h el o a dv o l t a g ei s d e t e r m i n e db yt h eg d d t h ei n v e r t e rw o r k sa sac u r r e n ts o u r c e ，a n dt h eo u t p u tc u r r e n ti s d i r e c t l yc o n t r o l l e db yd o u b l ec u r r e n tc l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g y u n d e rt h es t a n d - - a l o n e m o d e ，t h ei n , ； e r t e rw o r k sa sav o l t a g es o u r c e ，a n di t sv o l t a g ei sc o n t r o l l e db y c u r r e n t v o l t a g ec l o s e d l o o p c o n t r o l s t r a t e g y s i m u l a t i o n sf o rs i n g l e p h a s ea n d t h r e e p h a s ei n v e r t e r sw o r k i n gu n d e rt h et w om o d e sr e s p e c t i v e l yw e r ec o n d u c t e dw i t h m a t l a bs i m u l i n k o nt h eb a s i so fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , as o f t w a r e i i i 山东大学硕士学位论文 p h a s e - l o c k e dl o o pa p p l i e do nt h r e e p h a s ec i r c u i tw a sp r o p o s e d ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f i e di t sv a l i d i t y w h e nt h ed o u b l e - m o d ei n v e r t e rs w i t c h e sb e t w e e nt h et w om o d e s ，i ti se a s yt oc a u s e s u r g ea n di n t e r f e r e n c et ol o a d s ，e l e c t r i c a ln e t w o r ka n dp o w e rs o u r c e s s oi ti sn e c e s s a r y t or e d u c et h i si n f l u e n c eb ya d o p t i n gs o m ee f f e c t i v ec o n t r o ls c h e m eo fm o d e s w i t c h i n g t h es w i t c h i n gp r o c e s s e sb e t w e e nm o d e so fs t a n d - a l o n ea n dg r i d c o n n e c t e dw i t hd i f f e r e n t s w i t c h i n gs e q u e n c ew e r es t u d i e di nd e t a i li n t h i sp a p e r as e a m l e s ss w i t c h i n gs c h e m e b e t w e e nt h et w om o d e sw a sp r e s e n t e d s i m u l a t i o n sf o rs w i t c h i n gp r o c e s so fs i n g l e - p h a s e a n dt h r e e p h a s ei n v e r t e r sb e t w e e nt h et w om o d e su s i n gt h i ss c h e m ew e r ec o n d u c t e d ，a n d t h er e s u l t sp r o v e di t sf e a s i b i l i t y c o n t r o lc i r c u i tb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) w a si n t r o d u c e d s e v e r a lp a r t so ft h e h a r d w a r ed e s i g n sa r ea n a l y z e da n ds o m eo ft h es o f t w a r ef l o wc h a r t sa r eg i v e n k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cs y s t e m ；i n v e r t e r ；s t a n d a l o n em o d e ；卵d c o n n e c t i o nm o d e ； s e a m l e s ss w i t c h i n g i v 山东大学硕十学位论文 符号说明 逆变器输出电流 逆变器输出电流基准 电流偏差 电网电压 电网线路阻抗 电网电流 输出直流电压 直流电压反馈信号 直流电压基准 电感电流基准 电感电流反馈信号 开关周期 开关频率 延时时间 p w m 调制器放大倍数 三角波峰值 8 a 电流反馈系数 电压反馈系数 等效负载电阻 滤波电感 滤波电容 滤波器转折频率 纹波电流 占空比 电网电压幅值 电网角频率 电网相位角 逆变器相位角 电感电流 电容电流 并网电流采样信号 并网电流基准信号 v 足 三 c 磊她 坳 y 口 屯 站 留w 如钿出 喙磊名 附 啪抽“瓦疋乃墨 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王趁h期：迦z ! ! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：玉鑫导师签名： 山东人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 太阳能光伏发电的背景和优势 能源是人类社会存在与发展的重要物质基础和动力源泉。目前的世界能源结构 以煤炭、石油、天然气等化石燃料为主体，而化石能源是不可再生的能源，大量耗 用终将枯竭。人类燃烧化石燃料来满足自身的能源需求，同时也带来了大量的二氧 化碳排放。仅凭植物的光合作用无法全部吸收大气中多余的二氧化碳，特别是乱砍 滥伐导致植物大量减少后，大气中二氧化碳积累更加明型。 大气中主要成分( 氮气和氧气) 对于太阳光辐射到地球和地表热辐射至外太空， 具有相同的传播能力，但是与温室效应相关的气体( 如二氧化碳、臭氧等) 阻碍了 红外频谱区的光从地球至外太空的热辐射，导致地表温度升高，这就是温室效应【2 】。 相关资料显示，温室效应将使南、北两极的冰盖融化，导致海平面上升，四分 之一的人类生活空间将由此受到极大威胁【3 】。当前人类文明的高度发展与地球生存 环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。用可再生能源和新能源全面取代化 石能源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的需要，而且是世界经济可持续 发展的必然要求。 可再生能源主要有如下几种【4 j ：风能、水能、太阳能、地热能、生物能、氢能 和潮汐能等。其中，太阳能是新能源和可再生能源的重要组成部分，得到了科学界 和工业界的普遍重视。本文将以太阳能发电作为研究背景，分析太阳能发电的相关 控制措施。 利用太阳能光伏发电具有以下特点1 5 j ： 1 无污染：太阳能发电不产生任何废弃物，对环境无不良影响； 2 可再生：太阳能取之不尽，用之不竭； 3 资源的普遍性：基本不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别； 4 机动灵活：太阳能发电系统采用模块化安装设计，建设周期短，可以根据 负荷的增减，任意添加或减少太阳能电池容量，既方便灵活，又避免了浪费； 5 运行成本小：太阳能不用燃料，运行成本很小，而且没有运动部件，不易 山东大学硕十学位论文 损坏，维护简单； 6 光伏建筑集成一体：节省发电基地使用的土地面积和费用。 太阳能发电也具有一些不足之处是： 1 照射的能量分布密度小； 2 获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； 3 太阳能光伏发电系统造价比较高。 以上特点决定了光伏发电系统在应用中更有着其独有的优势和相关制约。太阳 能光伏发电的开发利用有着巨大的市场前景，不仅带来很好的社会效益、环境效益， 而且还会有明显的经济价值。 1 2 太阳能光伏发电系统构成 太阳能光伏发电系统如图1 1 所示。 父溺l ，。_ - l _ _ _ 。- _ _ _ _ - 。- + ，。o o o 。1 l 熊能装置i! 一叫逆变擀 一 i _ j t - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 图1 1 太阳能发电系统示意图 f i g 1 - 1s o l a rg e n e r a t o rs y s t e m 太阳能光伏发电系统中四个主要组成部分【6 j 是： 1 太阳能电池组件和方阵：单个太阳能电池输出电压太低，晶体硅太阳能电 池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件，因而在实际使用中需要把多个单体 太阳能电池互联封装后组成太阳能电池组件，多个太阳能电池组件互联拼装后成为 太阳能电池方阵。太阳能电池组件和方阵可以独立作为光伏电源使用。 2 储能装置：太阳能光伏发电系统中普遍应用的贮能装置是蓄电池，可以把 太阳光充足时发出的多余电力储存起来供阴天或夜间使用。 3 直流交流逆变器：逆变器把太阳能电池组件输出的直流电转换成交流电， 供用电器使用或输入电网，逆变器是整个太阳能光伏发电系统的重要器件。 4 控制器：是光伏发电系统的核心部件之一，控制器担负着平衡管理系统能 量、保护蓄电池及整个光伏系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 光伏发电的应用形式 光伏发电技术首先应用在太空，1 9 5 8 年装备于美国的先锋l 号人造地球卫星， 随后便很快开始在陆地上应用，被推广到军事、民用、工业等各个领域。迄今为止， 光伏发电的利用方式多种多样【7 】，如图1 2 所示。 图1 2 光伏发电主要应用形式 f i g 1 2m a i na p p l i c a t i o nf o m so fp v p s 1 3 1 独立光伏发电系统 独立运行工作方式是指整个光伏发电系统与电网不相连，作为一种移动式电源， 如图1 3 所示。通常这种发电系统必须配有储能装置，在一定的地理供电范围内， 对用户供电实现完全封闭式的自给自足f 引。独立运行光伏发电系统主要有独立光伏 电站和可移动独立光伏发电系统两种。 图1 3 独立运行光伏发电系统 f i g 1 - 3s t a n d a l o n ep v p s 独立光伏发电站是把太阳能电池阵列固定在地面上的独立光伏发电系统，主要 应用于远离常规电网的无电地区和一些特殊场所。应用于村落的独立光伏电站，除 了有各种光伏发电设备以外，还需配备输出电网，该系统为偏远的农村、牧区等的 山东人学硕十学位论文 人们提供照明等基本的生活用电。应用于公共设备的独立光伏电站与前者相比不需 要输出电网，而是直接供电给用电负载，通常为通讯中继站、边防哨所等提供电源。 可移动独立光伏发电系统是指那些不与常规电网连接而且自身可以随时移动的 光伏发电系统。功率较大的有光伏汽车、光伏航标灯等。 1 3 2 并网光伏发电系统 图l 一4 并网运行光伏发电系统 f i g 1 - 4g r i d c o n n e c t e dp v p s 近年来，光伏产业及市场发生了极大的变化，开始由边远地区独立发电逐渐向 城市并网发电、大型光伏电站的方向快速迈进，太阳能己经全球性地由“补充能源 的角色被认可为下一代“替代能源” 9 1 。 并网光伏发电系统是指光伏发电系统与常规电网相连接，这种发电系统所发出 的电能除供当地负载外，剩余电力输可以送到当地电力网络，如图1 4 所示。 并网光伏系统可分为住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏电站两类【l 训。前者 是在城镇的建筑屋顶建设和低压配电网相连的光伏发电系统，其发出的电力直接被 用户消耗，多余部分输送到电网。太阳能发电并网系统不需要配备蓄电池，这样可 以节省投资。而且在夏季用电高峰时，正好太阳辐射量最大，太阳能发电系统发电 量最多，对电网还可以起到调峰作用。建筑物上有大量空置的屋顶及外墙空间，可 以安装光伏组件，这样就不需要占用土地资源。户用并网屋顶太阳能发电系统的推 广，是太阳能发电由偏远无电地区进入城镇的转折点，预示着一种新的分散供电方 式正在形成，其广阔的应用前景受到了各国的重视【l 。 集中式并网光伏电站是在荒漠建设和高压输电网相连的太阳能光伏发电站，发 出的电能通过输电网输送，降压后再供给用电负载，这是世界各国未来太阳能发电 的重要发展方向。建设规模可以达到m w 甚至g w 级别的大型和超大型并网光伏 电站系统发出的电能直接并入高压输电网络，未来还可参与电力输送和调配。 并网型系统还可以分为有倒流系统和无倒流系统两种【l2 1 。因为太阳能光伏发电 4 山东大学硕十学位论文 系统由天气决定其输出功率，为了使住宅等使用稳定的电能，有必要和电力公司的 电力系统并网运行。在有倒流系统中，当太阳能电池的输出功率不能满足某一区域 需求的情况下，不足部分由电力公司的电网补充；相反，太阳能电池输出电力有剩 余时送入电网。 应用无倒流系统的区域内电力需求通常比太阳能光伏发电系统输出电力小，不 可能产生逆潮流电力的情况，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。在此系统中， 即使光伏系统因某种原因产生剩余电力，也只能降低或者停止系统输出。因为区域 内电力需求量是变化的，有可能超出太阳能光伏发电系统的功率，无倒流系统应用 不广泛。 光伏并网系统从功z 月匕l - 上可分为可储能式系统和不可储能式系统，二者之间显著 的差别在于是否带有直流储能环节，如图1 5 和图1 - 6 所示。 j i 逆变 州 上 j t 环i ? 电 网 图1 5 可储能式并网系统 f i g 1 5e n e r g ya c c u m u l a t i o nt y p e 鲥d c o n n e c t e ds y s t e m 电 网 图1 6 不司。储能式并网系统 f i g 1 - 6e n e r g yn o n a c c u m u l a t i o nt y p e 鲥d - c o n n e c t e ds y s t e m 可储能式光伏并网系统的功能比不可储能式系统强大，对于电网的调峰有一定 意义，但是因存在直流储能部分这个薄弱环节，从而限制了它的使用。它的弊端主 要体现在，系统比较复杂，可靠性和效率降低，常用的蓄电池储能有寿命短、占用 空间大以及会造成环境污染等缺点。不可储能式并网系统因为具有结构简单、可靠 性高、效率高以及易于安装调试等优点，得到了更为广泛的应用【1 3 1 。 山东大学硕士学位论文 1 3 3 混合供电系统 混合供电系统中除了使用太阳能电池组件阵列外，还增加备用发电机组，当光 伏阵列发电不足或蓄电池容量不足时启用备用发电机组。使用混合供电系统是为了 综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。常用的备用发电机是柴油发电机 和风力发电机，组成风光互补电站或者风光柴互补电站。 1 4 光伏发电产业的国内外现状及其发展 当煤炭、石油、天然气等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际 社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。美国能源部推出了“国家光伏计划9 9 i p 其中“太阳能路灯 计划”就是让美国相当一部分城市的路灯都改成为太阳能供电，根据计划每盏路灯 每年可节电8 0 0 k w h 。日本实施优惠政策，鼓励国民普及太阳能住宅发电系统，2 0 0 0 年日本光电产量和应用量均超过美、欧而居世界第一。欧洲则将研究开发太阳能电 池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出“1 0 万套工程计划”。这些发达国家普 及应用光电池的“太阳能工程计划是目前推动太阳能光电池产业及光伏发电系统 发展的重要动力之一，使得全球太阳能光伏发电系统市场呈现出今天欣欣向荣的景 象【14 1 。 与国际上蓬勃发展的利用太阳能光伏发电相比，中国明显比较落后。太阳能光 伏发电系统在我国发展初期是为解决我国边远地区人民生活用电和生产用电而建 立的独立系统。我国目前尚有约2 0 0 万农村人员还没有用上电，光伏市场潜力巨大。 在今后的十几年中，光伏市场走向将发生很大的改变，到2 0 1 0 年以前中国光伏市 场多数是独立光伏发电系统，并网光伏发电系统的研究还处在研究示范阶段。从 2 0 1 0 年到2 0 2 0 年，中国光伏发电市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统， 包括高压沙漠电站和低压城市屋顶发电系统。太阳能发电的这种迅猛发展是必然 的，只有进入电力系统的规模应用，才能真正对缓解能源紧张和抑制环境污染起到 积极的作用【1 5 1 。 近年来，光伏发电产业发展迅速，使用范围已遍及民用、住宅等多领域。太阳 能发电系统中太阳能电池的研究与制造是至关重要的一个环节。提高太阳能电池的 6 山东大学硕士学位论文 效率，大幅度降低其成本，是当前国际上研究开发的主要方向。除了光伏电池以外， 当前国际上最新的研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件 和光伏建筑集成应用系统等方面。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光 伏屋顶计划的激励下，成功地推出了多种不同的高性能逆变器。 对于光伏并网发电系统的重要器件并网逆变器，国内己有几个专业研究机构得 到国家或地方科技基金对该项目研究的资助，进入研发攻关阶段，出现了一些可喜 的进步和成果。从上述可以看出，目前的逆变器基本上是单一用途的，或作并网运 行或作独立工作运行。仅作并网运行的逆变器能够充分利用设备，一般以最大的功 率将电能注入电网，但电网发生故障关闭后很难实现对本地重要负载不间断供电。 独立工作的逆变器则是无法高效地利用设备，当负载较小的时候不能将多余的电能 供给其他远程负载使用。 变换器的高效率、高功率密度、高可靠性和低成本仍然是现代电源变换器的要 求与目标，同时，还要求提高可再生能源利用率【l6 1 。高可靠性与提高可再生能源利 用率可以通过独立工作并网双模式运行来实现，当电网正常时逆变器并网运行，逆 变器可以将多余的电能送入电网从而实现较高的电能与设备利用率。而在电网不正 常时可以自行从电网断开，逆变器以独立模式工作为负载提供可靠的电能，该功能 类似子u p s 的功能，能够保障本地负载的可靠运行。另外，安全性也必须满足，一 般要求逆变器隔离输出。 1 5 本文所做的主要工作 基于以上分析，本文的主要工作是研究一种并网独立双模式逆变器的控制策 略。为了实现减少在并网与脱网过程中双模式切换过程可能带来的负载电压畸变， 给出一种无缝并网脱网逻辑，从而保证切换过程中负载电压无畸变，实现了系统的 高可靠性。 本文共分5 章，各章主要内容如下： 第一章论述了发展可再生能源的重大意义，介绍了光伏发电的各种应用形式和 光伏发电产业的国内外研究现状和发展趋势，提出了本文主要研究的内容。 第二章介绍太阳能光伏并网逆变器的分类，介绍了各种逆变器输出电流控制方 式的工作原理和特点，采用m a t l a bs i m u l i n k 对各种控制方式进行仿真比较。 7 山东人学硕士学位论文 第三章分析了逆变器并网运行电路原理，并分d c d c 和d c a c 两部分研究双 模式并网逆变器控制策略。同时对单相软件锁相环进行了分析仿真，并利用瞬时无 功理论，提出一种应用在三相电路的软件锁相环。分析并网逆变器两种模式间切换 时模式开关和并网开关的切换顺序及减少并网冲击的措施，并针对三相电路切换时 负载电压突变较大的问题，给出一种新的模式切换的方法。 第四章介绍了逆变器控制系统的硬件和软件实现。 第五章对本文的主要研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 8 山东人学硕+ 学位论文 第2 章双模式逆变器结构和控制方式选择 光伏发电系统最主要的缺点是初期投资大，因此一方面要求探索高性能、低造 价的新型光电转换材料与器件，另一方面需减少光伏发电系统自身损耗、提高运行 效率。光伏并网逆变器效率的高低不仅影响自身损耗，而且还影响到光电转换器件 以及系统其它设备的容量选择与合理配置。因此，逆变器己成为影响光伏并网发电 系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率、降 低成本具有极其重要的意义。 2 1 并网逆变器的分类 并网逆变器是光伏并网发电系统的重要器件，它从主电路结构来看可分为单级 变换系统和两级变换系统【l7 1 ，如图2 1 和图2 2 所示。采用结构简单的单级变换系 统，逆变器转换效率高。但需要较高的直流输入，结构不够灵活，不能满足光伏阵 列模块直流输出变化的要求。考虑系统的成本及效率，光伏模块一般采用两级转换 结构，其中直流直流( d c d c ) 环节可以采用多种形式的隔离拓扑结构，通过调节 d c d c 变换器的占空比完成光伏阵列模块最大功率点跟踪，直流交流( d c a c ) 逆变器实现向电网输入正弦电流的两级光伏逆变器结构。 i i 川 l d ( 、a c l t 电 网 图2 - 1 单级变换并网逆变器结构图 f i g 2 - lc o n f i g u r a t i o no fs i n g l e - s t a g eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e r j l d c d cd c ? a c 川| t f 乜 网 图2 2 两级变换并网逆变器结构图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no f t w o s t a g eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r 9 山东犬学硕士学位论文 根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型，隔离型的逆 变器又可以分为高频隔离型和工频隔离型。 虽然无隔离变压器的并网逆变器小而轻、成本低，但是从安全的角度考虑，如 果没有隔离变压器，有可能对人构成伤害。工频隔离型是最常用的结构，它具有良 好的抗雷击和消除尖波的性能，也是目前市场上使用最多的逆变器类型，但工频变 压器存在体积大、笨重、有噪音等缺点。隔离型的光伏并网逆变器也可以采用高频 隔离。由于采用高频变压器，变压器的体积小，重量轻，这种系统的效率较前一种 有所提高，大约提高1 2 左右。 2 2 滤波器选择 常用滤波器有l 、l c 与l c l 三种，如图2 - 3 所示。三种滤波器各有优缺点， 二立 二三工 波器，电容能够在空载时提供一定的无功电流，对电压电流双闭环控制在空载时的 稳定工作有利，在并网运行时也可使用。本文即选用l c 滤波器作为双模式逆变器 l c l 滤波器是三阶滤波器，是三者中滤波效果最好的，在并网逆变器中常用。 但逆变器在独o r _ 运行模式时，不宜使用此种滤波器。若负载接在电感l 2 的左侧，即 负载接在电容两侧，那么并网时负载电压与电网电压有相位差，逆变器会给电网引 入谐波。若负载接在电感l 2 的右侧，在独立运行时要求较高直流母线电压，使整体 l o 山东大学硕+ 学位论文 上- ， 、2_ 蕊蒋 l2 图2 _ 4 单相全桥舣模式逆变器结构图 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o no fs i n g l e p h a s ef u l l b r i d g ed o u b l e - m o d ei n v e r t e r 本文采用两级全桥并网独立双模式运行的光伏并网逆变器作为研究对象。全桥 逆变输入消除了半桥逆变所需的分压电容【l 引，中间级采用全桥整流结构，能够充分 利用高频变压器，可减小高频变压器的容量。因为高频变压器的变比可以较大，这 样直流侧的输入电压可以比较小，这种拓扑结构在小型并网逆变器中应用较多。 2 3 逆变器的控制方式 逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电 压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一 个大电感提供较稳定的直流输入，但由于大电感会导致系统动态响应差，因此当前 世界范围内大部分的并网逆变器采用电压源输入。 独立运行时逆变器要输出一定的电压给当地负载，起电压支撑作用，需要控制 输出电压。逆变器与电网并网运行时输出控制可分为电压控制和电流控制，电网可 视为容量无穷大的定值交流电压源。如果光伏并网逆变器输出采用电压控制，则相 当于一个电压源与另一个电压源并联运行的系统。这种情况下要保证系统的稳定运 行，就必须采用锁相控制技术以实现与电网同步，但由于锁相回路响应较慢，逆变 器输出电压值不易精确控制，可能出现环流等问题。如果逆变器输出采用电流控制， 则只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行目的，由于这种 控制方法相对简单，因此使用比较广泛。本文所设计的双模式逆变器采用独立运行 时用电压源输入、电压源输出的控制方式，并网时用电压源输入、电流源输出的控 制方式。 2 3 1 逆变器输出电流的控制方式 采用电流型并网系统时，输出电流的控制方式可分为以下几种类型。 山东大学硕士学位论文 1 电流滞环比较方式 二全7 一 i 0 滞所：比较器 f - - 了号 图2 - 5 滞环比较的电流控制图 f i g 2 5d i a g r a mo fh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l 电流滞环比较方式原理如图2 5 所示，指令电流芘佗f 和实际输出电流屯进行 比较，两者的偏差f 经过滞环比较器产生脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， p w m ) 信号来驱动电路控制功率器件的通断，从而控制输出电流i o 变化【1 9 】。 l 图2 - 6 两态滞环控制原理图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w o s t a g eh y s t e r e s i sc o n t r o l i 0 u d c o 图2 7 三态滞环控制原理图( 拓 0 ) f i g 2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e e 。s t a g eh y s t e r e s i sc o n t r o l ( i r e f 0 ) 滞环比较方式又分两态调制和三态调制两种，常用的两态调制有输入能量和回 馈能量两个状态如图2 - 6 所示，其输出电压在+ 砜。和魄之间变化。而三态调制 除了输入能量和回馈能量两个状态外，另有u 。为0 的续流状态如图2 7 所示。三态 调制输出电压频率是开关频率的两倍，如图2 - 8 的三态开关序列所示，在一个功率 1 2 越 o k o t l - 山东大学硕士学位论文 管开关周期内逆变器的输出电压经历了两个工作周期，u o 频率加倍。两态调制时逆 变器桥臂中点电压是双极性变化，输出电流波动较大；三态调制时是单极性变化， 输出电流波动较小，但是输出过零点误差较大1 2 0 】。 s l 8 2 仁il 口il 口ie 。 i ： ： ： ： 8 3 卜口毒。口毒。口 一。 8 4 目苣匀巴匀臣h l ： ： 。 图2 - 8 三态滞环控制产生的开关序列及( i r 。f 0 ) f i g 2 - 8s w i t c hs e q u e n c e sa n du op r o d u c e db yt h r e e - s t a g eh y s t e r e s i sc o n t r o l ( i r e f 0 ) 这种控制方案具有的特点是，控制方法简单，响应迅速，硬件实现简单，具有 内在电流保护功能，但是开关频率变化增加了滤波器设计的难度。 2 定时控制的瞬时值比较方式 该控制方式原理如图2 - 9 所示，它是用时钟定时控制的比较器代替滞环比较 器。每个时钟周期对f 判断一次，使p w m 信号变化一次。该方式可以避免器件 开关频率过高，不足之处是补偿电流的跟随误差是不固定的。 时钟信号； 信号 ” 比较器 图2 - 9 定时控制的电流瞬时比较控制图 f i g 2 - 9d i a g r a mo ft i m e rc o n t r o l l e dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l 3 正弦波脉宽调制技术 正弦波脉宽调制技术( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s p w m ) 分单极性和 双极性两种，它使每一个输出矩形脉冲的面积与对应的正弦波电压面积成正比，获 得等幅不等宽的正负脉冲序列，这样逆变器输出电压波形与正弦基波电压接近【2 l 】。 一 9 0 山东大学硕七学位论文 该控制方法原理如图2 1 0 所示，将指令电流f 0 佗f 与输出电流f 。的实际值进行 比较，两者的偏差经比别积分( p r o p o r t i o ni n t e g r a l ，p i ) 调节后与三角波比较来输出 p w m 信号。 如茁画旷要竺旨号 一 i。； “三角波六氏比较器 图2 1 0 三角波比较的电流控制框图 f i g 2 - 10d i a g r a mo ft r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i s o nc u r r e n tc o n t r o l 双极性s p w m 控制波形如图2 1 1 所示，由对称于横坐标的三角波与正弦波进 行比较，得到开关元件的控制信号。在双极性控制方式中，在同一桥臂上控制两个 开关元件的信号在相位上总是互补的。由于输出电压在其半个周期内极性在两个极 性间变化，所以称为双极性控制。 1 4 八，a a aa 八八八八八八八a ， 弋 ，1 7r f vvvv弋y - 一 l 鋈 f f l ) 鋈鋈鋈慝鋈霞 迨 l ； 鋈 、 匿 石 窿鋈窿箧蓬鋈 ：万 r w t 、 险 、 、 、 、 、 、 、 b 图2 1 l 双极性s p w m 控制方式波形 f i g 2 - 11w a v e f o r mo fb i p o l a r i t ys p w m c o n t r o l 山东大学硕士学位论文 o 图2 1 2 单极性s p w m 控制波形 f i g 2 - 12w a v e f o r mo fs i n g l e p o l a r i t ys p w mc o n t r o l 单极性s p w m 控制是用一条正弦波与两条幅值与频率相同，但相位相反的等 腰三角波进行比较，分别得到功率管的通断时刻。如图2 1 2 所示，当正弦基波电 压的瞬时绝对值大于三角波电压值时，逆变器开关元件导通，反之开关元件截止。 由于在输出电压的一个半周内，电压极性只有一个极性，故称为单极性控制。与双 极性控制方式相比，单极性控制从输出电压波形上看，其通断频率等效地增加了一 倍，而电压跳动量减小了一倍。该电压波形用傅立叶级数展开时不包含偶次谐波， 在输出电压的频率谱上，最低次谐波以两倍于开关频率( 即三角波频率) 的频率出现， 使得谐波含量比起双极性来要小。因单极性控制优点突出，所以运用范围广泛。 正弦波脉宽调制控制方法的特点是，开关元件的开关频率等于三角载波的频 率；输出波形中含有谐波频率固定，滤波器设计简单；软件实现相对复杂，电流响 应相对于瞬时值比较方式较慢。 2 3 2 控制方式的仿真与结果 本文应用m a t l a bs i m u l i n k 仿真软件分别对以上控制方式的单相逆变器并网 系统进行了仿真2 2 1 ，系统仿真电路如图2 1 3 所示，图中子系统为控制电路。 仿真参数如下g 直流电源电压4 0 0 v ，电网电压峰值3 1 l v 、频率5 0 h z ，滤波电 感5 m h ，滤波电容9 4 心，额定输出电流峰值为1 0 a 。各种控制方式的具体控制电 路如图2 1 4 、图2 1 5 、图2 1 6 、图2 1 7 、图2 1 8 所示。 山东大学硕士学位论文 1 6 图2 1 3 逆变器单相并网运行系统仿真电路 o j i n 2 f i g 2 - 13s i m u l a t i o nc i r c u i to fs i n g l e p h a s eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e m 0 u 1 2 图2 1 4 两态滞环控制方式的控制电路 f i g 2 - 1 4c o n t r o lc i r c u i to f t w o s t a g eh y s t e r e s i sc o n t r o l 图2 1 5 三态滞环控制方式的控制电路 f i g 2 - 15c o n t r o lc i r c u i to ft h r e e s t a g eh y s t e r e s i sc o n t r o l 山东大学硕士学位论文 图2 1 6 定时控制的电流瞬时比较控制电路 f i g 2 16c o n t r o lc i r c u i to ft i m e rc o n t r o l l e dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l 图2 1 7 双极性s p w m 控制方式的控制电路 f i g 2 - 1 7c o n t r o lc i r c u i to fb i p o l a r i t ys p w m c o n t r o l 图2 一1 8 单极性s p w m 控制方式的控制部分电路图 f i g 2 - 18c o n t r o lc i r c u i to fs i n g l ep o l a r i t ys p w mc o n t r o l 各种控制方式下仿真电路输出电流波形如图2 1 9 所示。从图中可以看出，三 态滞环控制方式下的输出电流波形最差。这是因为三态滞环控制方式采用l c 滤波 器时电路中存在电容滤波电流，而电容电压不可突变，当输出电流在正半周和负半 周之间转换时就出现了明显的振荡。定时控制电流瞬时比较方式下补偿电流的跟随 误差不固定，其输出