（电力电子与电力传动专业论文）单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究.pdf

a b s t r a c t _ - - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ h 一 s i n g l e - s t a g ei n v e r t e ru s e di ng r i d - c o n n e c t e dp vs t a t i o n a b s t r a c t j i a oz a i q i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e s ) d i r e c t e db y ：x uh o n g h u a t h ei n v e r t e ri st h el a s to rt h eo n l yo n ep o w e rc o n v e m e rs t a g eo f g r i d c o n n e c t e d p vs t a t i o n w h o s ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yw i l li n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h e w h o l es y s t e m s oa l le f f i c i e n ti n v e r t e rs u i t e dt ot h eg r i d c o n n e c t e dp vs t a t i o nw a s p r e s e n t e di nt h et h e s i s b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fg r i d - c o n n e c t e dp v s t a t i o na n dl e a r n i n ga b o u tt h e d e v e l o p m e n to fg r i d - c o n n e c t e di n v e r t e nt h et h e s i sr e a l i z e dt h eg r i d - c o n n e c t e di n v e r t a n dm a x i m u mp e a kp o w e rt r a c k i n gi no n ep o w e rs t a g e a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f a n a l y s i s ，t h ep a r a m e t e r so fc o m p o n e n t si nt h et o p o l o g yw e r ed e c i d e d a n dt h e n ，a s i m u l m i o nw a sm a d e b y p s i ma n ds a b e r t h e t o p o l o g yo fp o w e r i sn o n i n s u l a t i o nf u l l b r i d g e ，t h ec o n t r o lm e t h o di sc u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l ，a n da l g o r i t h mo fm a x i m u m p e a kp o w e rt r a c k i n gi sr e a l i z e db y8 0 c 19 6 t h r o u g ht e s t i n gt h i se q u i p m e m i tc o u l d b ep r o v e dt h a tt h i st o p o l o g yh a sr e a l l ys m i s f i e dw i t ht h er e q u e s to f e f f i c i e n c ya n d r e l i a b i l i t yf o rg r i d c o n n e c t e dp v s t a t i o n k e y w o r d s ：g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m ；i n v e r t e r ；h y s t e r e s i sc u r r e n t c o n t r o l ；m a x i m u mp e a k p o w e r t r a c k i n g 引言 1 1 课题的背景 第一章引言 随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、 石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机，同时，大量 使用化石能源对生态环境造成严重的破坏。能源、环境与发展己成为当今世界亟 待解决的问题。因此全球都在积极开发利用可再生能源。在今后的2 0 3 0 年里， 全球的能源结构将发生根本性的变化。专家预测，在下5 0 年里，可再生能源在 整个能源构成中会占到5 0 。 自2 0 世纪5 0 年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世 界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏 丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发 电被认为将是2 1 世纪最重要、最具活力的新能源。在世界各国尤其是美、日、 德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和 推动下，光伏工业近几年保持着年均3 0 以上的高速增长。其中，以光伏集成 建筑为核心的光伏并网发电市场已经超过离网应用，近几年的增长速度都在4 0 以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。并网光伏发电已经成为光伏发电领 域研究和发展的最新亮点。 我国太阳能资源丰富，全年日照时数大于2 0 0 0 h ，太阳能总辐射量高于 5 0 1 6 ( r t l ：口) 的地区约占全国总面积的三分之二以上t 1 4 1 0 但相对于蓬勃发展 的世界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段。光伏组件产量和安装容量仅为 世界l 左右，配套设备的产业化进程也严重滞后于其他国家。国际上方兴未艾 的光伏并网集成建筑在国内还几乎是空白。因此，对并网型光伏系统的研究必将 成为光伏发电技术研究的重中之重。 光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类：一种为系统中含有蓄电池组 的可调度式光伏并网发电系统；另一种为系统中不设置蓄电池组的不可调度式光 伏并网发电系统1 3 1 _ 7 - - - 者相应的系统如图1 一l 所示。 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 重弓蟹藏ll 兰辈型il 不重器变辘 棱心变换嚣h 一主配电开关 矗嚣羹in 忑孟订厂丽南 ( a ) 可调度式光伏并网发电系统( b ) 不可调度式光伏并网发电系统 图l 一1 光伏并网系统按功能分类 并网型光伏发电系统的核心为并网型逆变器。并网型逆变器是影响和决定整 个系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响 整个系统使用寿命的主要因素。 并网型逆变器按控制方式可分为以下四种：电压源电压控制、电压源电流控 制、电流源电压控制、电流源电流控制。以电流源为输入的逆变器，直流侧串联 电感对输入进行滤波，得到稳定的直流输入。但是由于电感的存在使系统的动态 性能变差，因此目前大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。 1 2 国内外研究现状 并网逆变器与市电并联运行时，其输出控制对象可为输出电压或者电流。市 电系统可视为容量无穷大的交流电压源，若并网逆变器输出采用电压控制，则就 相当于两个电压源并联运行，这样就有输出电压不易精确控制、可能出现环流等 不足。若采用电流控制，则只需要控制并网逆变器的输出电流以跟踪市电电压， 即可达到并联运行的目的。由于控制方法相对简单，因此使用比较广泛。 综上所述，并网逆变器一般都采用电压源输出、输出电流控制的方式。_ 、 目前，并网型光伏发电系统用逆变器大体具有善下五个方面的特点： u 1 、并网型逆变器的输出为正弦波。一般情况下为了得到正弦波输出往往使 用“伪正弦”或脉宽调制方法。这些方法可以满足大多数负载的要求，而为了满 足某些对谐波有特殊要求的负载，其一般是通过电感或工频变压器等方法来提高 输出波形的质量，这不可避免地带来低效率和较差的动态特性“1 ，而且系统笨重、 造价高。目前，国外的并网标准中明确规定并网逆变器的输出波形的总谐波因数 小于5 ，各次谐波含量小于3 ，并且具有较好的动态特性； 2 、并网型逆变器应具有高的转换效率，尤其是空载和轻载的损耗。以 2 引言 a d v a n c e de n e r g yi n c 的m m - - 5 0 0 0 为例，该产品在额定输出时效率为9 0 ，在一半额定输出时为9 2 ，最大的逆变器效率为9 3 ，在空载时逆变器的 损耗要求小于2 0 w ： 3 、并网型逆变器应具有高可靠性； 4 、并网型逆变器的功率因数近似为一1 ； 5 、并网型逆变器应具有输入过压、输入欠压、输入过流、输出过流、电网 电压跌落、电网电压过压、电网频率故障、输入反接、冷却风扇故障、孤岛效应 各种保护功能。 1 2 1 国外的研究现状 国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆 变器市场中就有s m a 、f r o n i u s 、s p u t n i k 、s u np o w e r 和西门子等众多的公司具 有市场化的产品，其中s m a 在欧洲市场中占有的5 0 的份额 2 1 。除欧洲外，美 国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产 品化。以s m a 和西门子为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的发展情况。 s m a 光伏并网逆变器目前具有三大系列产品：支路逆变器、集中逆变器和 多支路逆变器，其中以s w r 和s b 两个系列应用最为广泛。该产品具有如下特 点：高效率、高功率因数、低t h d ：基于微处理器的自动功率点调节，即：基 于软件实现的最大功率跟踪：根据电网情况调制工作状态，工作状态自动切换； 通过l e d 显示主要工作状态：故障自诊断；测量数据和工作状态通过总线传输 至p c 机；多台逆变器可以任意组合构建系统，使系统设计更加简便、扩展更加 方便。多支路逆变器是s m a 最新推出的产品，该产品采用最大功率跟踪和并网 逆变两级能量变换结构，多个不同支路共用同一个逆变环节，中间设置有内部直 流母线，可以使系统的灵活性大为提高：输出端无工频变压器隔离，采用最新的 电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测来实现有效保护。 与s m a 相比较，西门子并网光伏逆变器贝采用主从式构建系统，由主逆变 器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系统扩展等 均没有s m a 的强。西门子s i t o ps o l a r 主要分为隔离和非隔离两种支路逆变器， 两级能量变换，最大功率跟踪和逆变部分集成在一个机箱内；功率因数高；基本 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 数据本地集中显示；实时发电电能显示；r s 2 3 2 串口连接p c 或者调制器：能够 外接辐射计和组件温度传感器。 除s m a 和西门子外，美国的x a n t r e x 的s u n t i ex r 系列并网逆变器也是根 据光伏市场需要推出的产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中功率的 逆变器并联构成系统，而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节。 综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和 逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路 主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保 护电路。 1 2 2 国内的研究现状 由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起步阶段，技术水 平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆变器而 言，合肥工业大学能源研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究 所等科研单位和大学在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期 间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。 除此之外，北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司也在推出了 适合并网光伏系统用的逆变器。北京索英电气技术有限公司的三相光伏并网逆变 器，采用日本的智能功率模块i p m 作为主回路功率器件，运用该公司先进的并 网控制技术，具有结构简单、效率高、性能优良、电磁干扰小和安全可靠等优点。 全新的的全数字化d s p 控制，简化控制回路，提高了系统控制性能。多项先进 的并网发电控制技术，保证向电网优质送电，还能够追踪太阳能电池板的最大功 率点，检测电网的状态，并实现对电网供电质量的调节。台肥阳光的正弦波并网 充放电装置虽不是专门为并网光伏设计，但是也可应用在并网光伏系统中。从这 两种成熟的市场产品可以看出，国内对并网光伏逆变器的研究比较多的采用最大 功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品的种类还相对单 一，系统构建死板。 并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用，目前所建 并网型光伏系统都为示范工程。并网型光伏发电系统的核心并网型逆变器还主要 4 引言 依赖进口或者合作研究的方式获得，导致并网型光伏系统的造价升高、依赖性强， 从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。因此掌握并网型光伏系统 的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至关重要的作用。 1 3 发展趋势 随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法 的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件正向着低导通损耗、 快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。低导通损耗将有助于并网型逆变 器系统提高效率、减少发热；快速化将减小开关应力：智能化将有助于提高系统 可靠性；封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持高机械强度。其次，数字 信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分；提高开关频率，减 小滤波器体积：改善输出波形，提高t h d ：快速响应电网瞬态变化。最后，先 进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积；提高系统 的动态响应性能。因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进 行。 1 4 论文结构 本文详细讨论了具有最大功率跟踪功能的单级式并网逆变器的工作原理及 其实现。第二章阐述了单级式并网逆变系统理论基础，对逆变部分的控制方法进 行了比较，进行电力电子模态分析。第三章介绍了逆变部分主电路结构及参数选 择，控制部分的实现。第四章介绍最大功率跟踪的基本原理，对各种实现方法进 行比较，确定本课题所采用的控制方法，方法的实现。最后，给出了实验波形， 并进行分析，并提出系统研制过程中的问题、实现的程度和进一步需要解决的问 题，给出了结论。 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 第二章单级式并网型逆变器的系统分析 根据引言的总结和分析可知，目前国内并网型逆变器的研究主要集中于d c - - d c 和d c - - a c 两级能量变换的结构( 如图2 1 ) ，而且研究主要围绕集中型展 开。其中，d c - - d c 变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点：d c - - a c 逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。由 于d c - - d c 变换环节和d c - - a c 逆变环节具有独立的控制目标和手段，两部分 可以分开设计，系统前后级之间耦合不紧密，因此系统的控制环节比较容易设计 和实现；由于单独具有一级最大功率跟踪环节，系统中相当于设置了电压预调整 单元，系统可以具有比较宽的输入范围；同时，最大功率跟踪环节的设置可以使 逆变环节的输入相对稳定，而且输入的电压较高，这样都有利于提高逆变环节的 转换效率。 图2 一】两级能量变换结构框图 然而，系统具有两个独立的能量变换环节，因此整个系统的效率低、体积 大、笨重、造价高。基于以上原因本文设计了并网光伏发电系统用单级并网型逆 变器( 如图2 - 2 ) ，该装置可通过一级能量变换实现最大功率跟踪和并网逆变两个 功能，这样可提高系统的效率、减小系统的体积和重量、降低系统的造价，从而 可以减少并网光伏发电系统的造价，有利于并网光伏发电系统的推广。 单级式井网型迤变器的系统分析 图2 2 单级能量变换结构框图 2 。1 单级能量变换的理论分析 单级式并网光伏能量变换环节的结构如图2 - - 3 所示。假设滤波电感、滤波 电容以及逆变电路的损耗忽略不计，忽略滤波电感的等效串联电阻。光伏阵列向 本地负载和电网供电： p ：只+ 只：异+ 毕c 。s 0 式2 1 其中：p 为光伏阵列的输出功率；p 为负载消耗的功率；p 为向电网输出 的功率：，为电网o g l 玉, v ，的幅值：，为并网电流f ，的幅值：0 为电网o g 玉, v ，与 并网电流i 。之间的相位差。假设负载消耗的功率和电网电压的幅值保持不变，从 式2 1 中可知，并网电流f 。可被调制成正弦波并且和电网电压同相，因此系统 的功率因数近似为一i o ；同时从公式2 1 中还可看出通过调制并网电流i 的幅 值能够控制光伏阵列的输出功率，因此单级能量变换能够实现最大功率跟踪功 能。 图2 3 单级能量变换结构框图 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 综上所述，单级能量变换结构的并网光伏逆变器的控制目标为；控制逆变 电路输出的交流电流为稳定的、高品质的正弦波，且与电网电压同频、同相，同 时希望通过调节输出电流的幅值使光伏阵列工作在最大功率点附近。我们这里选 择并网逆变器的输出电流作为被控制量，并网逆变工作方式下的等效电路和电压 电流矢量图如图2 - - 4 所示，图中k 为电网电压、圪为并网逆变器交流侧电压、 ，。为电感电流。因为并网逆变器的输出滤波电感的存在使逆变电路的交流侧电压 与电网电压之间存在相位差1 7 1 。 i o _ 一 一弋 l 也 l v n v s 一 1ri o ab 图2 - - 4 并网逆变器等效电路图和电压、电流矢量图 2 2 逆变部分分析 脉冲整流器是应用脉宽调制技术( p w m ) 发展起来的一种新型电源变流器 1 。脉冲整流器既可以将电网输入的交流整流为输出的直流，也可以方便地将直 流逆变为交流，回馈到电网中。从广义上讲，脉冲整流器的功能特点在于交流侧 的瞬时电流波形可以动态地跟踪控制给定信号的变化，控制给定信号可以为正 弦，也可以为非正弦，其相位可以在0 _ + 1 8 0 。之间变化。因此，通过对电压型 脉冲整流器进行合适的控制，可使交流侧电流波形接近正弦，功率因数为一1 0 ， 而且电流幅值、相位在一定范围内连续可调，这些特点都满足单级式并网型逆变 器的要求。 r 单级式并网型逆变器的系统分析 对于单级式并网型逆变器，电压型脉冲整流器应工作在有源逆变的状态， 且其功率因数应为一1 0 ，以保证不对电网造成污染，其矢量图如图2 4b 所示。 当电网电压k 一定时，若控制吃沿a b 线调节，则从矢量图中可以看出电感电压 矢量j ，越，。滞后电网电压矢量吃9 0 “，并网输出的电流矢量l 滞后电感电压矢量 j c o l l 。9 0 “，即滞后电网电压矢量吱1 8 0 。，从而实现无污染的并网输出。同时， 沿a b 线调节电网电压矢量吱，即可以改变电感电压矢量j o g l j ，的幅值，进而改 变并网电流的幅值。从公式2 一l 可知，改变并网电流的幅值，即可以达到调节 光伏阵列输出功率的目的。 脉冲整流器的交流侧储能滤波电感的取值大小至关重要，取值较大有利于 电能转换及并网电流的滤波，但是成本、体积都相应的增加且电感上的压降也增 加，电感的压降增加则直接影响脉冲整流器向电网逆变的效率，或同等功率下不 得不增大脉冲整流器主开关管的电流容量，从而使得整体成本增加、可靠性降低； 取值较小，电感上的压降减小价格降低，但并网电流的谐波增加。因此对于滤波 电感的取值应综合考虑电感上的压降、并网电流的谐波和制造成本等因素。 2 3 逆变部分控制研究 单级式并网逆变器中逆变部分控制的关键量是矢量图2 4b 中的，根据 矢量图可知，可以通过对吃的控制以完成对j 。的控制，或者直接对，。进行控制， 完成对交流侧电流、功率因数的控制。因此就存在间接电流控制和直接电流控制 两种电流控制方式。 1 间接电流控制r g l ( 亦称幅相控制) 是基于稳态的电流控制方法，根据稳 态电流向量的给定、p w m 基波电压向量的幅值和相位，分别进行闭环控制，进 而通过s p w m 电压控制实现对并网电流的控制。虽然简单且不需检测并网电流， 但动态响应慢，存在瞬时直流电流偏移，尤其是瞬态过冲电流几乎是稳态值的两 倍：从稳态向量关系进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，而实际 上由于电网内阻抗、负载的变化以及各种非线性负载扰动等情况的存在，尤其是 在瞬态过程中电网e g 玉, 的波形会发生畸变。电网e g 玉, 波形的畸变会直接影响着系 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 统控制的效果，因此间接电流控制方法控制电路复杂、信号运算过程中要用到电 路参数、对系统参数有一定的依赖性、系统的动态响应速度也比较慢。 2 直接电流控制：通过运算求出交流电流指令，再引入交流电流反馈，通 过对交流电流的直接控制，使其跟踪指令电流值。根据直接电流控制的概念，对 于并网型逆变器来说为了获得与电网电压同步的给定正弦电流波形，通常用电网 电压信号乘以电流有功给定，产生正弦参考电流波形，然后使其输出电流跟踪这 一指令电流。具有控制电路相对简单、对系统参数的依赖性低、系统动态响应速 度快等优点。 电流滞环控制的突出特点是控制简单，用模拟器件很容易实现。当功率器 件的开关频率很高时，响应速度非常快，并且对负载及电路参数的变化很不敏感。 电流滞环控制通过反馈电流与给定的参考电流相比较，当反馈电流低于参考电流 一定差值时，调节主电路功率开关的状态使系统的输入侧电流增大：反之，当反 馈电流高于参考电流一定差值时，调节主电路功率开关的状态使系统输入侧电流 减小。通过这样不断的进行滞环比较调节，保证输入侧电流始终跟踪给定电流， 且处于滞环带中。 p l 电流控制方法将反馈电流与给定信号相比较，经p l 调节器输出与载频三 角波比较产生p w m 开关信号。此方法的电流控制精度有很大的局限性，尤其是 会产生电流相移，对功率因数不利。电流反馈需要加滤波环节以保证其谐波成分 远比三角波频率低。 小惯性电流跟踪( s i c t ) 控制是近年来兴起的一种特别适合于脉冲整流器 的电流控制方法，它集滞环电流控制的简单、快速性和幅值相位控制、p i 电流 控制方法的开关频率固定特点于一身，不过需要以性能优良p w m 调制器作保 证。 综合以上几种电流控制方法的优缺点，结合本课题的需要以及参考国外相 关产品的介绍，选用电流滞环控制作为逆变部分的控制方式。 2 4 锁相技术 在不间断电源中，几乎无例外地采用锁相环路来实现频率跟踪和电压同步 控制。因为并网型逆变器的一些特性与不间断电源相似，故其输出电流的同步控 o 单级式井网型逆变器的系统分析 制亦可采用锁相环路来实现。 锁相环是一个相位误差反馈控制系统。它用输入信号和压控振荡器输出信 号之间的误差控制电压来调整压控振荡器输出信号的频率。在稳态状态下，两信 号之间的频率差为零，相位差不随时间而变化，误差控制电压为一固定值，此时 环路就进入“锁定状态”。 锁相环路的原理结构如图2 5 所示，它由鉴相器、环路滤波器和压控振荡 器三个部分组成。 图2 5 锁相环路原理图 鉴相器是相位比较装置，它将输入信号的相位与反馈信号的相位进行比较， 其误差电压控制压控振荡器产生一定频率的信号。在设计锁相环时，可以根据需 要设定两信号的初始相位差。以后就可以通过环路的自动调节作用实现输出相位 对输入相位的跟踪。鉴相器的输出包含丰富的谐波，但只有其中的直流分量才反 映相位差的大小，因此需要滤波器将鉴相器输出电压中的谐波分量滤除。压控振 荡器是一种电压一频率变换器，其振荡频率是受电压u ，控制的，在中心频率出。 ( 即鉴相器输出相位误差为零时的振荡频率) 附近相当大的范围之内，与u ，保 持线性关系。 本文中为保证并网逆变器输出电流和电网电压同步也采用了类似锁相环路 的电路，但是电路的实现形式有所不同。单级式并网逆变器中最大功率跟踪的实 现是通过算法来完成的，并没有单独设置最大功率跟踪环节，通过本章第- - 4 , 节 的分析我们知道这样是完成可行的。其中最大功率跟踪算法的中心任务是根据太 阳能电池阵列在不同的外界环境中不同的输出特性计算出输出电流的幅值，通过 调整输出电流的幅值即可实现对太阳能电池阵列工作点的调节。由于控制给定信 号是一个标准正弦波，该给定信号的幅值由最大功率跟踪算法决定，相位通过锁 相技术来实现。该电路由电网电压检测电路、滤波电路、波形整形电路以及正弦 波产生电路几个部分组成。基本工作原理：首先通过电网电压检测电路获得电网 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 电压的信息，其中主要获得电网电压的过零点；由于过零点附近存在大量的毛刺， 因此需要对检测电路获得的电网信息进行滤波，消除检测信号过零点附近的毛 刺；然后利用两个电压比较器分别获得与电网电压正、负半周相对应的方波，该 方波将成为同步和电网频率检测的依据，利用所获得的两个方波对两个单稳触发 器进行触发，获得与电网电压过零点相对应的窄脉冲，两个窄脉冲通过逻辑或门 相“加”即得到了包含电网电压过零点信息的脉冲列，因此该脉冲列信号即包含 电网电压的相位信息；以此窄脉冲列作为复位信号对硬件查表法中正弦波查表电 路中的地址发生电路进行复位，即可保证电网电压过零时给定正弦波亦可相应的 从零开始。虽然该锁相方式和传统的锁相环路的结构不完全相同，但是基本上可 以满足并网型逆变器的相位关系要求。 2 5 主电路工作模态分析 电流滞环控制并网逆变器的输出虽然仍是脉冲式的，但已完全脱离了原来 意义的正弦脉宽调制，只是由于给定的电流参考信号是正弦波，所以仍沿用 s p w m 的名称。目前存在三种调制方式，分别为双极性、单极性以及有限单极 性伸1 ，如图2 6 所示。它们之间主要的差别表现在全桥电路中两桥臂对角线上 两只功率器件开关组合不同以及开关频率不同。由于太阳能光伏转换效率以及价 格的因素，在并网系统中主要应从效率的角度来选择调制方式。而对于主功率电 路来说，各种损耗是影响系统效率提高的主要原因。本文以定开关频率来讨论三 种调制方式的损耗特点，然后以此为依据选择合适的调制方式。主电路的损耗主 要分为通态损耗和开关损耗两类“”。 ( a ) 方式1 ：双极性s p w m 调制 璺里疆摇疆壕挂哺 单级式并网型逆变器的系统分析 疆匾o l 薤薹骊霾匪蓊 疆匪蚕童垂薹垂薹 疆睡雪藤薤銎甄莛 疆匿雪垂霪薹垂薹 ( b ) 方式2 ：有限单极性s p w m 调制 蕴匿莲重霾薤耍 i l 匠蘸茎霾露薹霾 壤匪虱薤睡虱蓬 攘睡蟊薤蘸蚕垂 ( c ) 方式3 ：单极性s p w m 调制 图2 6s p w m 调制方式 从以上三种调制方式的仿真图形中我们可以看出，双极性s p w m 调制方式 的开关损耗最大，有限单极性s p w m 调制方式的开关损耗最小；有限单极性 s p w m 调整方式和双极性s p w m 调整方式的通态损耗最大，单极性s p w m 调整 方式的通态损耗最小。综合考虑以上三种调整方式。本文中选择有限单极性 s p w m 调制方式来实现。三种调制方式分别对应着不同电流的导通与续流回路， 因此就对应着不同的主电路的工作模态。 通过观察有限单极性s p w m 调制仿真波形图2 6 ( b ) ，我们可以看出对于全 桥电路的同一桥臂上的两只功率器件的开关频率不相同，其中一只功率管工作在 高频开关状态下、另一只功率管工作在5 0 - z 工频状态下，但是同一桥臂的两只 功率管分别工作在电网电压的正、负半波内，两桥臂对角线上的两只功率管工作 在电网电压的同一半波内。系统的主电路如图2 - - 7 所示，其中假设并网逆变器 单级式并婀型光伏发电系统用逆变器的研究 工作在电流连续模式下，共存在两种工作模态。 v s 图2 - - 7 系统主电路 现对电网电压处于正半波时，分析系统主电路的工作模态。 1 工作模态i 功率器件q 1 、q 。导通，太阳能光伏阵列对滤波电感充电，电感电流增加 电感储能，并同时将能量馈送给电网。如图2 - 8 ( a ) 所示。 叫与刖 厂n 0 i v s 图2 - - 8 a 系统主电路i 作模式i 当电感电流的增加到滞环宽度的上边界时，此工作模态结束，关断功率器 件q 1 ，系统进入下一个工作模态。 2 工作模态i i 功率器件q 关断、q 4 继续导通，功率器件9 3 的反并联体二极管导通续流。 太阳能光伏阵列对支撑电容充电，滤波电感中的能量馈送给电网，电感电流减小， 电感释放能量。如图2 - - 8 ( b ) 所示。 单级式并网型逆变器的系统分析 v s 图2 - - s b 系统主电路工作模式1 1 当电感电流的减小到滞环宽度的下边界时，此工作模态结束，开通功率器 件q 1 ，系统进入下一个工作模态。 电网电压处于负半波时，工作模态和正半波完全相同，只不过功率器件由 q 、q 。以及g 的反并联体二极管转换成鲮、0 3 以及q 4 的反并联体二极管而己， 其它完全相同。从以上的系统主电路两个工作模态中，我们不难看出这种工作模 式有些类似于直直变换中的降压电路，因此我们可以将并网逆变系统简化为直直 变换系统进行分析，其简化后的原理图如图2 9 所示t l o i 。 图2 9 系统简化图 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 经过简化的系统原理图更加直观，对系统的理解相对容易，而且可以尝试 利用直直变换的相关理论对整个并网逆变系统进行分析和优化设计。同时，也可 以尝试将一些应用于直直变换系统的控制理论移植到并网逆变系统来，这样可以 拓宽并网逆变技术的发展和研究、应用领域。 2 。6 小结 本章首先分析单级能量变换实现最大功率跟踪的理论，得出单级能量变换 的可行性；分别对系统中逆变部分和电流控制进行了分析，最终确定了脉冲整流 器的主电路形式以及电流滞环控制的控制方式；对锁相技术和调制技术，以及主 电路的工作模态进行了介绍和分析；并将系统进行了简化，同时提出些可深入 研究的设想。 6 逆变部分设计与实现 第三章逆变部分设计与实现 逆变部分是整个系统的重要组成部分，逆变部分包括：功率主电路和吸收 电路、控制和保护电路、驱动电路以及输出滤波电路四个部分组成。其中，功率 主电路主要完成能量变换，吸收电路软化开关器件的开关曲线：控制电路完成对 输出电流的控制以满足并网的要求，保护电路主要对各种故障进行保护；驱动电 路是功率主电路和控制电路的接口电路：输出滤波主要滤除高次谐波，提高输出 波形质量。 系统的设计参数为：输入电压范围：3 8 0 v d c 4 2 0 v d c ，额定输出电流为 5 a a c ，额定功率1 1 k w 。 3 1 单级式并网逆变器主电路和吸收电路的设计 3 1 1 主电路的设计 本课题中单级式并网逆变器的主电路采用单相全桥主电路，它也是脉冲整 流器的一种。研究表明，通过对电压型脉冲整流器进行合适的控制，可使交流侧 电流接近于正弦，功率因数可为单位功率因数。因此选择单相全桥可以满足需要。 开关管m o s f e t 的选择主要应考虑而个方面： 1 耐压要求：主要考虑m o s f e t 上浪涌电压不应超过m o s f e t 漏极和源极的 额定电压。； 2 电流要求：漏源极峰值电流必须处在m o s f e t 开关安全工作区以内，即通 常选择小于两倍的额定电流l 。 根据系统的设计参数，电压、电流均取两倍的裕量，选用f a i r c h i l d 公司生 产的s s h l 5 n 1 0 0 型单管功率m o s f e t ，其主要参数为： 最高耐压：1 0 0 0 v额定电流：1 5 a 3 1 2 吸收电路的设计 基本的吸收电路结构如图3 1 所示，三种吸收电路分别应用于不同的场合， 单级式井网型光伏发电系统用逆变器的研究 单电容吸收电路主要应用于小功率的器件，由于电路中无阻尼元件，故容易引起 振荡。r c d 吸收电路是应用最为广泛的一种电路，并联的电容c 。用于吸收器件 上的过电压，即器件在关断时c 。通过快速二极管珐充电，吸收器件上的过电压 能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加a v a t ，当器件开通时c 。上的能量经 月。泄放。交叉连结的r c d 吸收电路能够将部分能量反馈到直流端，这种电路适 用于大容量的器件1 7 1 。 a 单电容吸收电路 c s s br c d 吸收电路 c 有反馈功能的r c d 吸收电路 图3 1 吸收电路 c 。的容量可以从负载电路关断时其电荷量由g 吸收，从而抑制过电压的角 度来计算。假设，负载电流，。在关断的下降时间，内按线性规律下降到零，故 其电荷量可用，。与，构成的三角形面积表示，即q = f o 协= 1 ，1 ，式3 1 此电荷量为c s n n ，设其电压在，= t ，时由零上升到吃，则 v c s f = n o 印= 扣， 式。一2 故 il l c s 2 = 2 v c 。t 式3 3 在，r 时的电容电压k j ，通常可取为电源电压的1 0 5 0 。 r 。的阻值决定了吸收电容放电速度的快慢。若b 过大，则在下一次开关过 逆变部分设计与实现 程中c s 不能充分发挥吸收能量的作用：若段过小，则可能危及器件的安全，也 可能引起振荡。为此可取开关器件的工作周期，约等于( 1 2 ) 3 月。c x 。设电容存 储能量全部消耗在电阻上，根据式3 - - 3 ，则电阻能量消耗为： 气= 圭c 。嚏，= i 1 刍兰晦= 竽， 式，一4 吸收二极管的选择主要考虑因素有反向恢复时间、反向阻断能力以及额定电 流三个方面。 根据本文中m o s f e t 参数以及系统参数对吸收电路的参数选择如下： r 。选择水泥电阻，阻值为3 0 0 f ! ，功率为1 0 w ： c 。选择c b b 无感电容m k p l 8 4 1 ，容值为l n f ，耐压为1 6 0 0 v ； 吸收二极管选择超快恢复二极管r h r g 3 0 1 2 0 ，反向阻断电压为1 2 0 0 v ，额 定电流3 0 a ，反向恢复时间4 5 n s 。 3 2 单级式并网逆变器控制电路及保护电路的设计 3 2 1 参考正弦电流电路 参考正弦电流电路要实现的功能是产生一个能反映太阳能电池光伏阵列输 出功率的电流给定信号。并且这个正弦波信号应与电网交流电压同相。参考正弦 电流电路可以通过一个同步正弦波信号发生电路和一个乘法器来实现，前者用于 保证生成的参考电流与电网电压同相；后者用以调整参考电流幅值以给出使太阳 能光伏阵列工作在最大功率点处的电流指令。为了产生一个与电网电压同相，又 不受电网波动影晌的标准正弦信号，本文采用模拟硬件查表法来产生正弦波。根 据正弦波正负半波完全对称、极性相反的特点，可以先产生半周期的正弦波，然 后进行极性控制。硬件查表法的基本原理是：将一标准正弦半波信号数字化后写 入e e p r o m ，然后由一地址发生器读取出数据，再经d a 转换，则可达到这个 要求，后端接一级有源滤波即可得到平滑的正弦波。而用于d a 转换的d a c 0 8 3 2 芯片是8 位可乘模数转换器，它对数字信号进行转换的同时，还可进行幅值和极 性调节，具备乘法器的功能。因此，参考正弦电流发生电路采用以e e p r o m 和 1 9 单级式井网型光伏发电系统用逆变器的研究 d a 为核心的全数字化电路实现。参考正弦电流发生电路由时钟电路、正弦波信 号发生电路、正弦波极性和幅值控制电路三部分组成。结构如图3 2 所示。 图3 - - 2 参考正弦电流发生电路 1 、时钟电路 电路如图3 3 所示，为了保证所产生的参考正弦信号与电网电压同步，由 电压互感器对电网电压信息进行检测，然后经过零比较器得到同步方波信号，利 用此方波信号去触发单稳触发器产生同步复位信号，该复位信号来复位地址发生 器，使表地址复位到起始地址，这样参考正弦信号可保证与电网电压具有相同的 过零点，即保证二者具有相同的相位。时钟电路的计时基准由晶振和计数芯片 c d 4 0 6 0 来产生。地址复位信号主要通过锁相部分中电网电压检测环节获得，该 环节获得与电网电压一个周期内两个过零同步的窄脉冲，脉冲的上升沿含有电网 电压过零点的信息。 图3 - 3 时钟电路 2 、正弦波极性和幅值控制电路 正弦波极性和幅值控制电路如图3 4 所示。实质是一个单位增益放大器，由 运放u 5 c 与模拟开关4 0 6 6 及外围电阻r 1 、r 2 r 3 组成。模拟开关控制端信号 逆变部分设计与实现 来自电网电压过零比较电路的输出端脉冲信号u 删+ 。控制信号u 。+ 为高电平 时，模拟开关接通，u 5 c 同相端接地，增益为1 ；控制信号为低电平时，增益为 + 1 。这样在u 5 c 的输出端得到一个幅值为的双极性方波信号。此信号与需要 产生的正弦信号同相。u s c 的输入信号控制u 5 c 输出波形的幅值，进而控制 参考正弦波的幅值。t 为革极性信号。 罐靴| | 擎译眵 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 信号而、w r 2 始终为低电平，不进行缓冲。 3 2 2 滞环控制电路 滞环控制电路如图3 6 所示，是本控制电路的又一个重要组成部分，主要 完成对输出电流的调制，使其按着参考正弦电流信号的变化规律变化。滞环控制 电路由三个部分组成：信号运算电路、滞环比较电路、触发脉冲分配电路。其中， 信号运算电路主要是完成反馈信号与给定信号的运算，结果送入滞环比较电路： 滞环比较电路根据信号运算的结果与滞环上、下限比较得到触发脉冲；由于采用 有限双极性s p w m 调制方式，因此触发脉冲需按规律分配，故滞环控制电路中 也包括了触发脉冲分配电路。 当兰= 量：m 。? 。 焉雾；1 w 。卫 鎏：。与 啦：a 趣 - 夏l 型 匝叫弱一 。堑j = ：篡 鹰碧一 卜 图3 - - 6 滞环控制电路 信号运算电路是一个由运算放大器u s c 和电阻r 4 r 7 组成的反相求和电 路，主要求得反馈信号与给定之间的误差。滞环比较电路主要由电压比较器 l m 3 】1 和外围电阻组成。环宽由r i o r 1 3 组成的电阻分压网络确定，其中 r 1 1 和r 1 3 为固定阻值电阻，r 1 0 和r 1 2 为可调电阻。调节r 1 2 可以对环宽进行 改变，调节r 1 0 可以对零点进行调整。滞环比较的结果m 印仃l o w e r 以及电网 过零比较电路结果u g r i d + 和u 州一送入r s 触发器c d 4 0 4 3 中，产生未分配前的触 发脉冲信号。其中c d 4 0 4 3 的使能端管脚5 和保护电路一起在故障发生时封锁触 发脉冲信号。以和辨作为选通信号，通过模拟开关c d 4 0 6 6 来完成有限双极 性触发脉冲的分配，产生s l 和j s 2 。 逆娈部分设计与实现 3 2 3 保护电路 为了使单级式并网逆变器正常安全可靠地工作，需要设计各种保护电路， 以便在电路运行异常时，发出指令封锁驱动信号，使电路停止工作，并给出相应 类型的保护动作指示信号。主要保护电路包括输入过、欠压保护，电网电压过、 欠压保护，输入过流保护和输出过流保护，电网频率故障保护。 1 、过、欠压保护 过、欠压保护电路分输入过、欠压保护和电网电压过、欠压保护两部分。 当输入电压过高时，会给并网逆变电路本身带来危险，过低时并网逆变电路不能 正常工作，且损耗大大增加。因此，输入无论过压或欠压都必须使并网逆变电路 停止工作，同时给出相应指示信号，以便查找故障原因，排除故障。对于电网电 压不正常时，不论输入电压是否正常都应立即进行保护，同时也应给出指示信号。 电网电压欠、过压保护电路如图3 8 所示，其中稳压二极管d z 2 0 1 与电位 器r 2 0 9 、r 2 1 0 产生电网电压欠、过压门限电压值，电网电压由不控整流变为直 流后经分压并由运放进行处理后送窗口比较器与门限电压进行比较。当出现输入 电压过高或过低超过门限时，比较器输出高电平，经r s 触发器c d 4 0 4 3 整形保 持后，送电流滞环比较电路的使能端，使s p w m 信号与驱动信号均立即封锁， 逆变电路停止工作，同时对应发光二极管亮，给出故障信号。 图3 - - 7 电网电压欠、过压保护 输入电压过、欠压保护电路的工作原理与电网电压过、欠压基本一致，其 电路如图3 8 所示。 单纽式并网型光伏发电系统用逆变器的研究 图3 8 输入电压过、欠压保护电路 2 、过流保护 当发生过流时，会导致功率管过热而烧毁，必须加以保护。过流保护也分 为输入过流保护和输出过流保护。由于电流滞环控制本身就可以对流过功率器件 中的电流加以限制，起到一定的保护作用。而且在负载短路的情况下，太阳能电 池阵列的输出电流不会无限大，因此也对功率电流起到一定的保护作用。但是必 要的过流保护对单级式并网逆变也还是必须的。过流保护的工作原理与过压保护 相同，只是通过电流互感器对电流进行检测，然后通过采样电阻将电流信号转换 成电压信号进行保护。电路如图3 9 所示。 图3 - - 9 过流保护电路 3 、电网频率故障 对电网频率故障的检测主要利用最大功率点跟踪电路中的微处理器 8 0 c 19 6 k c 的高速输入h s i 0 口来完成。h s i 事件包括8 次正跳变、每次正跳变、 争 苣羹 逆变部分设计与实现 每次负跳变和每次跳变四种，能够产生三种中断：l 、h s i 0 引脚正跳变：2 、每 当一个数据被装进保持寄存器；3 、f i f o 中由不到6 项数据到装有6 项数据。本 文中利用信号u 。+ 的上升沿来触