（电力电子与电力传动专业论文）单相光伏并网逆变器的研究.pdf

浙江大学硕十学位论文a b s t r a c t f i b st r a c t i n v e r t e ri st h ek e yi n t e r f a c eb e t w e e nt h ep va r r a ya n dt h ep o w e rg r i d ，w h i c h i n f l u e n c e sal o to nt h eg e n e r a lp e r f o r m a n c e t h ep o w e rs t a g et o p o l o g y , t h ef i l t e ra n d t h ec o n t r o ls t r a t e g ys h o u l db ed e s i g n e dc a r e f u l l yt om a x i m i z et h ee n e r g yf e db a c kt o t h eu t i l i t yt oe n h a n c et h es t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n da c c u r a c y f i r s to fa l l ，a s u r v e y i sm a d eo nt h es t a t e o f - t h e a r td e v e l o p m e n t sa n d a p p l i c a t i o n so ft h ep vp o w e rs y s t e m b e s i d e s ，t h et y p e sa n ds t r u c t u r eo ft h ep v s y s t e mi n c l u d i n gt h es t a n d a r df o rt h eu t i l i t y - c o n n e c t e di ss u m m a r i z e di nt h i st h e s i s b yd e t a i l e dc o m p a r i s o n 、i t ht h ee x i s t i n gt o p o l o g i e s t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r f o ralk w 2 2 0 vi n t e r c o n n e c t e di n v e r t e ra r ep r o p o s e d t h eo u t p u tf i l t e rd e s i g na n d s o m er e l a t e dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa r ea l s og i v e n s e c o n d l y ，s o m ed i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h ep vi n v e r t e ra r ea n a l y z e d ， r e s u l t i n gi nt h ei n s t a n tv o l t a g em o d ef o rs t a n d a l o n ea n dt h ei n s t a n tc u r r e n tm o d ef o r i n t e r c o n n e c t e do p e r a t i o n ，r e s p e c t i v e l y m o d e l i n ga n dl o o pp a r a m e t e rd e s i g na r em a d e a l o n gw i t hs y s t e ms i m u l m i o nb ys a b e rt oc o n f i r mt h ec o n t r o lv a l i d i t y a n dt h e n ，u s u a lm p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) a l g o r i t h m sa r e s u m m a r i z e da n dc o m p a r e da f t e ra n a l y s i so fp va r r a yp e r f o r m a n c e p e r t u r b a t i o na n d o b s e r v a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt or e a l i z et h em p p t t h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g n p r o c e e d u r ea n de x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fa n a l y s i s ，a n e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i s d e v e l o p e d 谢t l ld s p ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e nt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s k e y w o r d s ：p v ( p h o t o v o l t a i c ) ；g r i d - c o n n e c t e d ；i n v e r t e r ；d s p ；m p p t i i 浙江大学硕上学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究光伏发电的背景和意义 能源是人类社会生存和发展的重要物质基础。近年来，世界化石能源的有限 性和开发利用过程中引起的环境污染问题日益突出，已经成为制约世界经济可持 续发展的主要瓶颈，清洁的可再生能源的开发利用受到世界各国高度重视。太阳 能作为一种巨量的可再生能源，以其清洁、安全的特点，成为具有高度污染性化 石能源的主要替代能源n 1 。太阳能的利用形式诸多，其中光伏并网发电作为主要 利用形式之一，受到人们的倍加关注乜1 。所以，在世界化石能源紧缺和环境污染 严重的今天，深入开展太阳能光伏并网发电技术的研究，对于缓解能源危机和加 强环境维护、促进经济的可持续发展等都具有深远而重大的理论和现实意义d 1 。 1 1 1 当今世界的能源形势 在当今的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是不可再生的石油、天燃 气和煤炭等化石能源。随着经济的发展、人口的增长以及社会生活水平的提高， 未来世界能源消费量将持续快速增长，必将导致世界能源危机。据国际能源权威 年鉴b p 世界能源统计2 0 0 7 ) ) 发布的数据显示，2 0 0 6 年世界一次能源消耗量为 1 0 8 7 8 5 亿吨油当量。到2 0 0 6 年底，世界石油可采量仅约为4 1 年，天然气可采 量仅约为6 3 年，煤炭可采量仅约为1 4 7 年。图1 1 为中国与世界主要常规一次 能源的探明剩余储量图( 以储采比表示) 1 ，由此可见能源问题的严重性。 图1 1 中国与世界常规一次能源的探明剩余储量图 另外，在化石能源的利用过程中，产生的大量c o ：、s o ：等废气物将严重污染 生态环境，并加剧了温室效应和酸雨现象的发生。人们预计，全球平均气温每 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 0 年将升高0 2 0 c ，到2 1 0 0 年全球平均气温将升高1 3 5 0 c ，这将对人类生存空 间带来极大的威胁。 综上所述，化石能源的有限性和污染环境问题是制约社会经济持续发展和人 们生活水平提高的两大主要因素，开发利用清洁的新能源和可再生能源已迫在眉 捷，其中太阳能的开发和利用受到各国政府的广泛关注。 1 1 2 太阳能资源i 习 太阳能是经由太阳光辐射直接传送到地球表面的能源。太阳发出的能量大约 只有二十二亿分之一能够到达地球的范围，约为1 7 3 1 0 6 亿千瓦。经过大气的 吸收和反射，到达地球表面的约占5 1 ，大约为8 8 1 0 5 亿千瓦。而能够到达陆 地表面的只有到达地球范围辐射能量的1 0 左右，约为1 7x1 0 5 亿千瓦。尽管如 此，把这些能量利用起来，也是相当于目前全球消耗能量的3 5 万倍。这一组简 单数据说明太阳能是巨量的。我国的太阳能资源也相当丰富，绝大多数地区年平 均日辐射量在4 k w h ( m 2 d ) 以上，西藏最高达7k w h ( m 2 d ) ，与同纬度的 其他国家相比，和美国类似，比欧洲、日本优越得多。全国有三分之二以上的面 积年太阳辐射量高于1 3 8 9k w h m 2 ，年日照时数大于2 0 0 0 小时( h ) ，具有利用 太阳能的良好条件。 1 1 3 太阳能的利用方式旧 利用太阳能的方式很多，主要有发电、热利用、动力利用、光化利用、生物 利用和光一光利用，详见表1 - 1 所示。 表1 - 1 太阳能利用一览表 太阳能利用方式内容 直接光发电光伏发电，光偶极子发电 发电 光热动力发电、光热离子发电、热光伏发电、光热温差发电， 间接光发电 光化学发电、光生物电池( 叶绿素电池) 等 高温利用 ( 8 0 0 0 c ) 高温太阳炉、熔炼金属等 中温利用 热利用 太阳灶、太阳能热发电等 ( 2 0 0 8 0 0 0 c ) 低温利用 太阳能热水器、太阳能干燥、海水淡化、太阳能空调制冷、 ( 光伏电池产量持续增长。世界太阳能电池历年产量如图1 2 所示，多年 来，光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，1 9 9 6 2 0 0 6 年间， 光伏电池产量以年均增长率超过4 0 的速度高速发展，产量从1 9 9 6 年的8 9 m w 增 加到2 0 0 6 年的2 5 2 1 m w ，增长了2 8 倍。 秀。 t 。i j i 。馈”“t 蟹。”j 澎。黪聊黔鬻蛩翟翳譬谚嚣2 号譬珊彬母臀攀l 掣”劬研喝j ? 獭 1 2 譬笔 j 乌 ； 7l i z s y 荔 ? l i 一 7$ ：j 鞠t 挚，2 3 磐矿，。耋 图1 2 世界太阳能电池历年产量 生产规模不断扩大。光伏产业的领军企业电池产量早已突破1 0 0 m w ，且 有越来越多的企事业已经提出了建设年产1 0 0 0 m w 电池生产目标。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 光伏市场飞速膨胀。各国政府接连不断出台的政策激励了光伏产业发 展，如2 0 0 4 年德国补贴法修订后，德国市场2 0 0 5 年装机容量便达到了8 3 7 m w ， 占全球市场的5 7 ，政府政策对光伏产业的激励可想而知。 新技术不断出现，电池效率不断提高。随着自动化程度和生产技术水平 的提高，电池效率由现在的水平( 单晶硅1 6 1 8 ，多晶硅1 5 1 7 ) 向更高水平 ( 单晶硅1 8 一2 0 ，多晶硅1 6 。1 8 ) 发展。如s u n p o w e r 公司采用最先进的生产 工艺，制造的背接触电池已经率先到达了效率为2 0 的目标 光伏电池、组件的成本不断降低。光伏电池自诞生以来，其价格就不断 下降，从1 9 9 6 年到2 0 0 3 年，组件整体价格下跌了2 5 ，如图1 3 所示。然而近 年来，随着产业飞速发展，多晶硅材料供不应求，价格飞涨，造成了组件价格反 弹，但这只是暂时现象，一旦原材料供应得到缓解，光伏产品的价格必然再次进 入下行轨道，预计到2 0 1 0 年，组件价格将降到2 $ w p ( w p 为标准太阳光照条件 下太阳能电池输出功率，即：欧洲委员会定义的1 0 1 标准，辐射强度1 0 0 0 w m 2 ， 大气质量a m l 5 ，电池温度2 5 条件下，太阳能电池的输出功率) 以下。 $ w p ) 4 o o 屯o o 3 。5 0 3 ，5 0 二曼塑二竺- ? 、 2 o o l 臻彤l 臻，8哿x x z l u 忆z u u 3哿x ，4z u u b ：三u l u 年份年 图1 3 世界光伏组件价格趋势曲线( 图中2 0 1 0 年为预测值) 近几年，在德国和日本等极为优惠的经济政策激励下，国际光伏发电市场需 求强劲，其前景已被越来越多的国家政府和金融机构所认识。与其他发电方式相 比，目前的光伏发电成本还很高，政府的激励政策是其发展的主要动因，日本和 德国是其主要的市场。许多国家和地区也都制定了光伏发电计划：如到2 0 10 年， 美国计划累计装机容量达4 6 g w ( 含“百万屋顶计划”) ；欧盟计划累计装机容量 达6 7 g w ( 可再生能源白皮书) ，其中3 7 g w 安装在欧洲内部，3 g w 用于出口； 日本计划累计装机容量达5 g w ( n e d o 日本新阳光计划) ；预计其他发展中国家安装 4 备5 0 5 o 5 o 5 o 5 0 赞t & z z l l q n 浙江大学硕仁学位论文第1 章绪论 1 8 g w ( 估计约1 0 ) ，世界总累计安装1 8 g w 。到2 2 世纪中叶，光伏发电成为人 类的基础能源之一。 1 2 2 国内光伏发电现状及前景 中国于1 9 5 8 年开始研究太阳电池，2 0 世纪7 0 年代起步发展光伏发电产业， 9 0 年代中期进入稳步发展时期。近年来，中国太阳电池产量逐年稳步增加，到 2 0 0 5 年底，其总产量超过2 5 0 m w 。中国光伏发电市场的发展历程为：9 0 年代初 期，光伏发电主要应用在部队通信和工业领域，包括微波中继站、卫星通信地面 站、程控电话交换机、水闸和石油管道的阴极保护系统等；从1 9 9 5 年开始主要 应用在特殊领域和边远地区，逐步建立了示范型的光伏发电应用系统，建成各种 规模的光伏电站4 0 多座，推广应用家用光伏电源系统约1 5 万套；为了弥补国内 的技术空白，中国科学技术部于1 9 9 6 年1 1 月下达了“1 - 5 k w 级并网逆变控制 一体化机”，“九五”国家重点科技攻关项目；2 0 0 0 年以后，中国的光伏技术已 步入大规模并网发电阶段，开始建造1 0 0 k w p 级的光伏并网示范系统，2 0 0 8 年北 京“绿色奥运”部分用电也将会由太阳能发电提供。特别是2 0 0 6 年实施的中 华人民共和国可再生能源法极大地促进了我国光伏市场和光伏产业的发展， 2 0 0 6 年底我国的光伏系统装机容量已达到了8 5 m w ，预计到2 0 2 0 年将达到1 8 g w ( 见图1 4 所示) 由于在电网覆盖的地区，光伏发电应用成本太高，目前没有 竞争力，只有少许示范性的并网光伏发电系统，科学家预测未来8 。10 年太阳能 发电的成本将比较传统的火力发电低，成为主要的发电方式。目前我国光伏发电 产业的应用领域及份额如图1 5 所示。 缪彩弼彩嬲劲燃攀缈黝缈搿獗嬲缪妒移铡嬲锄黝獬彤矽绸 l 嘲 爹。 歹。习 霭 r f - - 。矗衲8 儿ju u z 浊三譬缈厂￥ l霭 l绣 争缨 钰赫赢锄缸。纰；诎二，癌。i 。* 觑女m m 础j 。缸；。乩i e 铭“。j j “溉i 。批| k “瀚 1 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 2 0 0 62 0 2 0 荆年 图1 4中国光伏系统装机容量发展趋势图 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 口太阳雏商品厂 明翩，。啵固 口甲一 口并网发电 4 农牵蝇勺眦 5 1 j 嘶 图1 5 中国光伏发电产业的应用领域及份额 1 3 光伏并网发电系统概述 光伏并网发电系统一般由光伏阵列、变流器、控制器和负载电网等构成，如 图1 6 所示。光伏阵列是由许多个光伏模块组成，它将采集到的太阳能转换成电 能，该电能易受日照强度、环境温度、负载情况行等因素影响，其质量和性能都 不稳定，需要使用电力电子变流器将其进行适当的转换，变成适合直接并网的交 流电供给工频电网；控制器是用于控制变流器，主要实现并网波形跟踪、最大功 率点跟踪以及孤岛效应预防等控制功能。根据其是否有储能环节，光伏并网发电 系统可以分为不可调度式和可调度式两大类。 图1 6 光伏并网发电系统基本结构框图 1 3 1 可调度式和不可调度式光伏并网发电系统比较 可调度式并网发电系统具备储能环节，兼有不间断电源和有源滤波器的功 能，有利于电网调峰。储能环节通常使用蓄电池组或者燃料电池组，其容量可根 据实际需要进行配置。与不可调度式并网发电系统相比，它在功能上有一定的扩 展和提高，主要包括： 在光照强度不够( 阴天、夜晚等) 或者电网断电时，可用作不间断电源向本 地重要负载供电。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 大容量的可调度式光伏并网发电系统，可根据电网运行情况控制光伏系统功 率输出，实现一定的电网调峰功能 可作为有源功率调节器用于提高电网终端的电能质量。 储能环节可为光伏阵列提供能量补充，减少了光伏阵列因光照强度变化对系 统运行的影响，提高系统的工作可靠性。 系统控制除了变流器控制外，还包括储能环节的充放电控制，根据系统功能 要求进行储能环节的能量管理。 在功能上，可调度式光伏并网发电系统虽具有以上优点，但由于增加了储能 环节，也为其带来了明显的缺陷，这些缺陷是阻碍并限制其在光伏系统中广泛应 用的关键因素，主要包括： 作为储能环节的蓄电池或燃料电池，与系统其它部件相比其使用寿命较短， 需要定期更换，这将增加系统成本，同时加大了系统的维护工作。 系统增加了储能环节，造成了系统体积及重量的增加，从而导致系统的集成 度低、安装及调试的不便、加大了系统的复杂程度。 总结上述分析，可调度式和不可调度式光伏并网发电系统综合指标比较如表 卜2 所示。 表1 - 2可调度式和不可调度式光伏并网发电系统综合指标比较表 、 指标 类别 功能价格集成度安装调试寿命 可调试式强高低复杂 短 不可调度式不强低高简单 长 1 3 2 光伏发电系统并网标准 当前影响光伏并网系统结构的国际标准主要是i e c 6 1 7 2 7 n ( 国际统一标 准) 、e n 6 1 0 0 0 - 3 - 2 u 2 1 ( 现行的欧洲标准) 和i e e e l 5 4 7 n 3 1 ( i e e e 标准) 。它们对电 压和频率异常范围、电流谐波、功率因数、接地要求、孤岛检测等各项指标都有 详细明确的规定，这些指标直接影响光伏并网系统结构的选择。表1 - 3 列出了 上述标准的主要指标比较n 舢，从该表中可见，欧洲标准e n 的指标要求相对于i e e e 和i e c 标准更低，如对电流谐波的不同要求就影响着电力电子开关器件( 晶闸管、 i g b t 、m o s f e t ) 的选择。i e e e 和i e c 严格限制了并网系统输入电网的电流直流 7 浙江大学硕十学位论文第1 章绪论 分量，电网中过大的直流分量会导致设备变压器饱和，因此，i e e e 规定直流分 量小于输出电流的0 5 ，i e c 规定为1 o 。显然，具有工频变压器结构的并网 系统可以隔离直流分量流入电网，而具有高频变压器或没有变压器的并网系统则 很难处理直流分量问题。另外n e c 6 9 0 n ( 美国国际电气协会标准) 对于光伏并 网系统中光伏阵列的接地问题做了严格规定：如果光伏阵列输出电压高于5 0 v 等级，则光伏阵列必须实接地。所以，对于光伏阵列要求接地的情况，大量无变 压器结构( t r a n s f o r m e r l e s s ) 的并网系统无法选用。根据对以上各种光伏并网标 准的分析结果，论文选用带工频隔离变压器结构的光伏并网系统进行研究。 表1 - 3 光伏并网系统国际标准的主要指标 国际统一标准i e e e 标准现行的欧洲标准 标准 ( i e c )( i e e e l 5 4 7 )( e n 610 0 0 - 3 - 2 ) 额定功率 l o k w3 0 k w 1 6 ax2 3 0 v = 3 7 k w ( 3 ) 2 3 a ( 3 - 9 ) 4 0 ( 2 - 1 0 ) 4 o ( 5 ) 1 1 1 4 a 电流谐波 ( 1 1 - 1 5 ) 2 0 ( 1 i - 1 6 ) 2 0 ( 7 ) 0 7 7 a ( 次数- h ) ( 1 7 - 2 1 ) 1 5 ( 1 7 - 2 2 ) 1 5 ( 9 ) 0 4 0 a ( 2 2 - 3 3 ) 0 6 j ( 2 3 - 3 4 ) 0 6 ( 1 1 ) 0 3 3 a 限制范围 ( 3 5 ) 0 3 ( 1 3 ) 0 2 1 a ( 1 5 - 3 9 ) 2 2 5 h 以上所列范围内的偶次约为奇次谐波的3 0 谐波低于奇次谐波的2 5 ( 详见标准) 最大电流t h d 5 o 5 0 额定功率 o 9 0 时的功率因数 小于额定输出 小于额定输出 详细分析与研究光伏并网逆变器常用的控制策略，分别确定了其在独立 与并网两种工作模式下的控制策略。根据选定的控制策略分别对其控制系统进行 了模型分析和闭环参数设计，并利用s a b e r 软件进行系统仿真，验证了系统建模 和设计的正确性。 在分析光伏阵列特性的基础上，分析了光伏发电系统中的一个重要环 节：最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 电路及控制问题； i o 浙江人学硕士学位论文第1 章绪论 分析和比较常用的几种最大功率点控制方法；给出了利用扰动观测法实现m p p t 的设计方案、控制程序流程和实验结果。 研制一台基于d s p 全数字控制的光伏并网逆变器系统的试验样机，并给 出了其详细的软硬件设计方案，对实验数据及波形进行了分析。 浙江大学硕上学位论文 第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 在光伏并网发电系统中，逆变器作为光伏发电系统与电网的接口设备，它的 主电路结构和控制技术决定着整个系统的性能。目前，并网逆变器的结构拓扑种 类众多，所以根据实际的需要和研究的目的，选择适当的并网逆变器主电路拓扑 进行系统设计，对提高整个光伏并网发电系统的效率和性能有着重要意义。 2 1 光伏并网逆变器的拓扑结构 拓扑结构是逆变器的关键部分，它关系着逆变器的效率和成本。光伏并网逆 变器拓扑结构要求效率高、成本低，而且能够承受光伏阵列输出直流电的电压低 且波动大的不良影响。另外，其输出也要求满足较高的电能质量，如较小的t h d 值、单位功率因数、与电网电压同步等。 由第1 章可知，光伏并网发电系统的结构主要有四类，可实现这些结构的具 体电路拓扑则有很多，一般按其不同的特性可从变压器的有无及类型、功率变换 的级数等角度进行分类 2 1 1 按变压器分类的拓扑结构 根据逆变器是否含有变压器及其变压器的类型，可以将光伏并网系统分为无 变压器型( t r a n s f o r m e r l e s s ) 、工频变压器型( 1i n e - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ， l f t ) 和高频变压器型( h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ，h f t ) 。如图2 1 所示， 光伏并网系统中有变压器的拓扑方案主要是三种：( a ) 工频变压器型，置于工频 电网侧的l f t 可以阻止电流直流分量注入电网；( b ) 高频变压器在d c a c 变换器 ( a ) 工频变压器型 ( b ) 高频变压器在d c - a c 内 ( c ) 高频变压器在d c - d c 内 图2 1三种含有变压器的光伏并网逆变器拓扑方案 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏并嘲逆变器主电路的研究与设计 内；( c ) 高频变压器在d c d c 变换器内 与高频变压器( h f t ) 相比，工频变压器( l f t ) 体积大、重量重，价格上也 无优势，所以在有变压器拓扑方案的选择中，更倾向于采用h f t 来实现升压和隔 离的功能。为了尽可能地提高光伏并网系统的效率和降低成本，在直流母线电压 足够高且不需要电气隔离的条件下，可以采用不隔离的无变压器型拓扑方案。 由于输入输出没有电气隔离，无变压器型拓扑产生的对地漏电流成为一个需 要解决的技术难题n9 2 0 2 1 2 2 1 因为光伏模块有一个随外部环境变化而变化范围很 大的对地寄生电容，一般大小在0 1 n f l o n f 之间乜射，所以由许多光伏模块串并 联构成的光伏阵列的对地寄生电容变得更大，并且随外部环境变化而变化的范围 也更大，从而可能导致相当大的对地漏电流。如图2 2 所示是无变压器型拓扑对 地漏电流产生的原理图n 耵。显然，光伏阵列的对地寄生电容和电路中各种滤波器 的组件电感、电容通过地回路构成了一个谐振电路，产生共模的对地漏电流。较 大的对地漏电流一方面会严重影响变换器的工作模式；另一方面也会给人身安全 带来威胁。因此，一般只有在不强制要求光伏阵列接地的条件下，可以采用无变 压器型拓扑。该拓扑方案适用于光伏阵列的输出电压在5 0 v 以下，功率较小的集 成式光伏并网系统。 图2 2无变压器型拓扑对地漏电流的产生原理图 2 1 2 按功率变换级数分类的拓扑结构 按照光伏并网系统中功率变换的级数分类，并网逆变器一般可分为单级式变 换( s i n g l e - s t a g ei n v e r t e r ) 和多级式变换( m u l t i p l e - s t a g ei n v e r t e r ) 两种拓扑方案， 如图2 3 所示。 图2 3 ( a ) 所示为单级式逆变器的结构框图，单级式逆变器只用一级能量变 换就可以完成升降压和d c a c 转换的逆变器，它具有电路简单、元器件少、可靠 1 3 浙江大学硕士学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 性高和高效低功耗等诸多优点，所以在满足系统性能要求的前提下，单级式拓扑 。结构将会是首选n ，这种拓扑也是集中式光伏并网系统常采用的典型拓扑。 ( a )单级式 雯流器殳流器 ( b )多级式 图2 3 按功搴变换级数分类的逆变器拓扑方案 图2 3 ( b ) 给出了三种多级式变流器( m u l t i p l e - s t a g ei n v e r t e r ) 拓扑结构： d c - d c - a c 、d c - a c - d c - a c 和d c a c a c 。d c - d c - a c 为目前较为常用的一种拓扑， 其前级为d c d c ，后级为d c a c 。前级d c d c 可用于实现电压升压和直流母线 稳压功能；后级d c a c 用于实现光伏阵列的m p p t 、输出电流正弦化并网、孤岛 效应检测和预防等功能。由于这种两级式拓扑简化了每一级的控制方法，使得每 一级可以专注于各自控制方法的质量和效率。 2 2 光伏并网逆变器的主电路与技术指标 2 2 1 系统结构框图 根据上节分析，论文采用如图2 4 所示的光伏并网发电系统结构为研究对 象，它为一个单相可调度式光伏并网发电系统。该系统主要由光伏阵列、d c d c ( b o o s t 升压电路) 、逆变电路、滤波和切换电路、采样电路、d s p 控制器、隔离 变压器及储能环节等构成，是一个带隔离变压器的两级式逆变系统，它可根据实 际需要实现独立和并网工作两种模式。光伏阵列是由十块相同的光伏模块串联组 成，单个光伏模块的技术参数如表2 - 1 所示；b o o s t 升压电路可将光伏阵列输出 的直流电能变换为4 0 0 v 的直流稳压源，以便于实现后级全桥逆变电路的工作控 制；滤波和切换电路既可将逆变输出的交流电能提供给本地负载，实现独立运行 模式；也可经过工频隔离变压器将电能提供给电网，实现并网运行模式：工频隔 离变压器( 变比k r = l ：1 ) 可隔离直流电流分量，并且减小并网逆变器对电网用电 设备的影响和保证人身安全 1 4 浙江大学硕上学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 由于该光伏并网发电系统的研究与设计是与他人合作完成，论文主要研究系 统的后级部分( 逆变器部分) b o o s t 电路与储能环节等系统前级的设计工作由 他人承担，论文不涉及其设计过程。 网网 黼吲d c d c b o o s t )冀吲黼吲裟电网阵列r 1全桥广叼换电路r 吲变压器、r 川” 电压电 流采样 光耦隔离 驱动电路 d s p 攀餮 状态【，l 一 馈和保护) 显示h 电压 采样 并网电li 电网电 流采样li 压采样 图2 4 可调度式光伏并网发电系统主电路结构框图 表2 - 1单个光伏模块的技术参数表 参数名称表示符号数值 开路电压 2 1 5 v 短路电流 i s 6 8 a 最大功率点工作电压 1 6 5 v 最大功率点工作电流 lm p p 6 1 a 最大输出功率 尸1 0 0 w 一m a x 2 2 2 光伏并网逆变器的技术指标 并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部分，其电路原理图如图2 5 所示， 图中阮为光伏阵列经b o o st 电路升压后的直流电压源。它可实现对光伏阵列的 m p p t 控制，并将光伏阵列发出的直流电能逆变成与电网电压同频同相的交流电， 最终实现将逆变出的交流电能供给本地负载或者以单位功率因数馈入到电网。并 网逆变器的运行模式选择、s p w m 波的产生、并网锁相、检测参数的处理和保护、 浙江大学硕士学位论文 第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 光伏阵列的m p p t 控制都是由d s p 控制器统一完成。其技术指标如表2 - 2 所示。 图2 5 光伏并网逆变器电路原理图 表2 - 2 单相光伏并网逆变器的技术指标 技术指标要求技术指标要求 b o o s t 输出电压值 4 0 0 v 1 ) c4 - 5 并网电流波形t h d5 j l 输出电压有效值 2 2 0 v a c 5 j l 输出电压波形t h d 5 j l 输出电压频率 5 0 0 5 h z 输出额定功率 l k w 2 2 3 独立与并网两种工作模式下的主电路 图2 6 和图2 7 所示分别为独立和并网两种工作模式下光伏并网逆变器的 主电路拓扑图。在逆变器并网工作时利用工频隔离变压器的漏感与前级的l c 组 成l c l 结构的输出滤波器，理论分析表明，l c l 结构比l c 结构有更好的衰减特 性，对高频分量呈高阻态，能有效抑止电流谐波和冲击电流；终表示电网电压， 历为隔离变压器t 折算到副边的漏感，用来充当逆变器并网电感。 图2 6 独立工作时的逆变器主电路拓扑图 1 6 浙江大学硕上学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 图2 7并网工作时的逆变器主电路等效拓扑图 2 3 输出滤波参数的设计 并网逆变器的滤波参数设计需以其工作方式为依据来选择适当的设计方法。 由于逆变器不同的运行模式，所采用的滤波器结构也有所不同，独立运行模式采 用l c 滤波结构，并网运行模式采用l c l 滤波结构。所以本小节在分析逆变电路所采 用工作方式的基础上，主要介绍滤波参数的设计方法。 2 3 1 调制方式的确定 正弦脉宽调制( s p w m ) 技术由于其控制简单、输出谐波可控、响应速度较快， 是目前高频逆变器获得正弦输出的一种常用方法。为了让输出电感工作在高频以 便减小体积、抑制谐波、降低开关损耗和提高系统效率，论文逆变器采用了单极 性倍频的s p w m 调制方式。调制方式原理如图2 8 所示，正弦调制波分别与两个 极性相反的三角波载波进行比较，产生两对相位互补的脉冲序列，分别驱动全桥 逆变电路中四个功率开关管的导通与断开，使逆变桥输出电压的脉宽也按正弦分 布( s p w m ) 。 论文选择开关频率z = 2 0 k h z ，则逆变器输出电压的实际载波频率 f o = 2 z = 4 0 k h z 。 2 3 2 独立运行模式滤波参数设计 独立运行模式l c 滤波器的设计取决于电路的载波频率尼、最大输出电压纹 波么、和电流纹波彳五脚，同时对通过滤波器的高频电流需要进行限制以减小 损耗和e m i 的。 首先，l c 滤波器作为低通滤波器，频率高于其谐振频率的高次谐波将以 1 7 浙江大学硕上学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 图2 8 单极性倍频s p w m 调制方式原理图 - - 4 0 d b d e c 衰减，为了实现对开关次谐波的抑制，其谐振周期一般设计为5 1 0 倍的电路载波周期，即有下式成立。 瓦丽1 ( 一1 5 土1 0 ) z ( 2 1 )7 一( 一) ， r ，1 、 2 万c 、 、7 其次，根据滤波电感的纹波电流确定滤波电感量的大小，已知电感的纹波电 流计算公式为 她= 鼍半半 亿2 ， 根据单极性s p w m 原理可知，在开关频率远远大于工频频率的条件下，可以 得到每个开关周期的占空比为： d ( f ) = 百u o ( t ) ( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 可得 虬= 半丽u o ( t ) ( 2 4 ) f u “7 由式( 2 4 ) 可知，当u o ( f ) = 粤时，她有最大值，即 浙江大学硕上学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 = 老 ( 2 5 ) 所以可以取 娩丧 亿6 ， 盎 c 根据m 胁的取值可确定滤波三的取值。 若将滤波电感电流纹波近似看作正弦波且假设均由滤波电容吸收，则输出电 压纹波的最大值应为 = 丽1 ( 2 7 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 7 ) 可得 = 盎 ( 2 8 ) 因此，为限制电压纹波，要求 比痞磅 亿9 ， 8 万u 一 根据已选取的电感l 的值，再结合式( 2 1 ) 和( 2 9 ) 的要求，即可确定滤波电 容c 的取值。 论文并网逆变器的直流输入电压u 。= 4 0 0 v ，在单极性倍频s p w m 调制方式下， 开关频率z 取2 0 k h z ，变流器输出电压载波频率z 为开关频率z 的两倍。在独立 模式运行所采用的l c 滤波结构如图2 9 所示。 口厂_ i li 变流器 ：u 曲lc 丰 u o ：逆变器输出 !l! 图2 9l c 滤波电路结构 取电感电流纹波为2 0 的额定电流，在要求逆变器输出2 2 0 v 1 k w 条件下，设 计得到彳屯一为0 9 0 9 a ，由式( 2 6 ) 得厶2 7 5 m h ，取3 0 5 m h 。取输出低通滤波 器截止频率小于最低次高次谐波的1 1 0 ，由( 2 1 ) 得厶c 1 5 8 x 1 0 - 9 ；输出电压 纹波控制在1 5 以下，又由式( 2 9 ) 得厶c 3 0 4 x 1 0 4 ，因此c 0 9 9 8 z f ，可取 1 6 z f o 1 9 浙江大学硕十学位论文第2 章光伏并网逆变器主电路的研究与设计 2 3 3 并网运行模式滤波参数设计 当逆变器从独立运行模式切换到并网运行模式时，滤波器由原来l c 结构变 为l c l 结构，如图2 1 0 所示，其中l c 部分仍然使用独立运行模式时的设计参 数。基于已选的l c 滤波参数，通过对其传递函数的幅频特性分析，设计并网电 感厶。 变流器i i 枷+i i u c u g 电网 l 变流器：曲 牛：电网 + l 图2 1 0l c l 滤波电路结构 在并网运行时，并网逆变器为一电流源，厶的作用是抑止并网电流的高频纹 波和冲击电流，而这些调频纹波主要是由逆变器滤波输出前的电压信号以产生 的，所以分析。至输出电流磊的传递函数g 俐。 g = 端= 面瓦百1 丽 ( 2 1 0 ) 将s = 归代入上式，在低频段其传递函数o ( j 0 0 可近似为 g ( 国) 4 雨丽1 丽 ( 2 1 1 ) 不同的文献对于并网电感l 2 的选择不同，一般取厶= 蝎 2 6 , 2 f lo 根据前面所取 的厶值，分别取后= 1 、七= 2 ，可得到两个不同的厶值，比较其对应的传递函数 分别为g i ( s ) 和g ( s ) ，作出其幅频特性如图2 1 1 所示。图中虚线为l 2 = 厶时幅频 特性，实线为乞= 2 厶时的幅频特性。由图2 1 1 可知，l c l 滤波器高频衰减性能 o b 曩l 删- 一巾 。嚏i o l - ( 曲 i 0 一i l 2 吼l | l l 、j l ，一 ： ： ；? 嵴 蟛旒l ， ； ； | j i 善l - - _ - - _ _ 一 氏， | | | i l ： 蟹，“ ：；t ： ：； n h ：；：! 囊 ：! ： 、 ! ；i ii 一1 一。“ 川； i i ：；，r ii oi il 矿11 0 ii o ，lt o j h坤to 图2 1 1l c l 滤波器不同如下的幅频特性 一兹拶 代入数据，p-l麓k,u薹删-兰-2一20v 5 0 h 二，芝兰曩三簇 代入数据， 形 g 二。二二二酌取值范围，电容的最终实 蠢专z 篡= 二删： 孵警怒l c l 州狲删椭黔双髅触则”“ 厶= 3 0 5 m 日，k ；9 6 朋h ，c = 1 0 p f 2 篙：鬈一篡 是并盖兰赫主一茹树踯躺稚 浙江大学硕- i ：学位论文 第2 章光伏并嘲逆变器主电路的研究与设计 制设计，故在作闭环系统设计之前i 必须在其滤波结构中加入一个抑止环节来减 小其谐振尖峰的影响。论文采用在电容c 上串联电阻墨和电感0 的方法来吸收 谐振尖峰，电感0 在低频段可减少电阻巧引起的功率损耗担刀，其结构如图2 1 3 所示。 变流器 ( a ) 独立运行模式 逆变器输出 变流器 ( b ) 并网运行模式 电网 图2 1 3 采用电阻抑止的滤波器结构 根据图2 1 3 中( a ) 与( b ) 所示滤波结构分别推导出在两种运行模式下的滤 波传递函数g v ( 5 ) 与q ( s ) 如下所示。 啪) = 豢= 琢兀r j 面t j c s 再+ l i s 丽+ r i ( 2 1 3 ) q = 嚣= 面而丽d 第卷鼍丽丽( 2 1 4 ) 将前面所设计的滤波器参数代