（电工理论与新技术专业论文）三相光伏并网电流型pwm逆变器的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ew o r l d se n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni sw o r s e n i n g ，m o r e a t t e n t i o n sa r ep a i dt ot h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g ys o u r c e sa l lo v e rt h ew o r l d s o l a r e n e r g y , a s ac l e a na n d g r e e ne n e r g y , h a sb r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t si np h o t o v o l t a i c p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ni sat r e n df o rs o l a rp h o t o v o l m i c s y s t e m i nt h i ss y s t e m ，g i r d - c o n n e c t e di n v e r t e r sa r en e e d e d i nt r a d i t i o n a lp h o t o v o l t a i c g r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，v o l t a g es o u r c ei n v e r t e ri sm o r eu s e d ，i tc a n o n l yw o r ki nt h es t a t ew h e nt h ed cv o l t a g ei sc o n s t a n ta n di sh i g h e rt h a nt h ep e a k v o l t a g eo fp o w e r 鲥d t w oo rm u l t i - s t a g ec i r c u i tt o p o l o g yi sg e n e r a l l yu s e df o r p h o t o v o l t a i c 鲥d c o n n e c t e ds y s t e m ，n o to n l yi n c r e a s e st h ep o w e rd i s s i p a t i o nb u ta l s o m a k e st h ec i r c u i ts t r u c t u r em o r ec o m p l e x h o w e v e r , t h ei n p u td cv o l t a g eo fc u r r e n t s o u r c ep w mi n v e r t e ri sl o w e rt h a nt h ep e a kg r i dv o l t a g ea n dc a n v a r yi naw i d er a n g e ， w h i c hf i tw e l lw i t ht h ed cv o l t a g eo ft h ep h o t o v o i 姐i c a n dt h eb o o gc i r c u i tw h i c hi s n e e d e di nt h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e ri sn o tn e c e s s a r yi nt h ec u r r e n ts o u r c ei n v e r t e ro f t h ep h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hm a k e st h ec i r c u i ts t r u c t u r em o r e s i m p l ya n dr e d u c e st h es y s t e mc o s t t h i sp a p e rs t u d i e dt h r e e - p h a s ep h o t o v o l t a i c g r i d c o n n e c t e d c u r r e n ts o u r c ep w mi n v e r t e ra n di t sc o n t r o l s t r a t e g i e s ，m a i n l y i n c l u d i n gf o l l o w i n ga s p e c t s t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo ft h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e dc u r r e n ts o u r c e p w mi n v e r t e ri sa n a l y z e da n di t sl o wf r e q u e n c ya n dh i g hf r e q u e n c yt i m es p a c e m a t h e m a t i c a lm o d e lh a v e b e e nf o u n d e di na b es t a t i o n a r y c o o r d i n a t e s p w m m o d u l a t e ds i g n a lg e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o nt e c h n o l o g yo fc u r r e n ts o u r c ep w m i n v e r t e ra r ep r o p o s e d t h r o u g hn a t u r a ls a m p l i n gr u l e sb i l o g i c a ls i g n a lo fv o l t a g e s o u r c ei n v e r t e rc a nb et r a n s f o r m e di n t ot r i - l o g i c a ls i g n a lo fc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e ra n d z e r os t a t ev e c t o r sc a nb ea l l o c a t e da c c o r d i n gt ot h em i n i m u ms w i t c hr u l e ag e n e r a l s i m u l a t i o nm o d e lo fp h o t o v o l t a i cc e l l sh a sb e e nf o u n d e db a s e do i lt h es t u d yo ft h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i cc e l l sa n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ew h o l e p h o t o v o l t a i cg d d - c o n n e c t e ds y s t e mh a sb e e nf i n i s h e db a s e do nt h i sg e n e r a lm o d e l t h ev a i l a b l e s t e p s i z ei n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c em e t h o di s p r o p o s e d a f t e r c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n ga l g o r i t h m ( m p p t ) m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r so ft h r e e p h a s ep h o t o v o l t a i cg r i d c o n n e c t e dc u r r e n t s o u r c ep w mi n v e r t e ra n dp ip a r a m e t e r so fi t sc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n dd i r e c t c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hi su s e di nt h eg i r d c o n n e c t e ds y s t e mi sd e s c r i b e di n 浙江大学硕士学位论文 d e t a i l t h ee n t i r es y s t e m sh a r d 骶c i r c u i th a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n das e to flk we x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a sb e e nb u i l tt ov e r i f yt h ea b o v e t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t s r e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h i s m e t h o dc o u l dn o to n l ym a k eo u t p u ta cc u r r e n t ss i n u s o i d a la n di np h a s ew i t h 鲥d v o l t a g e s ，b u ta l s om a k et h ei n p u td cv o l t a g eo fc u r r e n ts o u r c ep w m i n v e r t e rv a r yi na w i d er a n g ea n di m p r o v ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e rs y s t e m ，w h i c hf i tw e l l w i t hp h o t o v o l t a i cg a d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o n t h er e s e a r c ho ft h ep a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n o 5 0 7 0 7 0 3 0 ) k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e d ；c u r r e n ts o u r c ep w mi n v e r t e r ；s p w m m o d u l a t i o n ；u n i t yp o w e rf a c t o r i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究，t 作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：周岳 签字日期：叫。年弓月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 司寿、 导师签名： 琳手 签字日期：2 夕l 。年弓月7 日签字日期：阳f 少年弓月f 口日 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着世界能源紧缺和环境污染问题的日趋严重，清洁、可再生能源的发展和 应用越来越受到世界各国的关注。太阳能作为可再生能源的一种，在光伏发电系 统中具有广阔的应用前景。据国际权威机构预测，到2 1 世纪6 0 年代，全球直接 利用太阳能的比例将会发展到世界能源构成的1 3 - - 1 5 之间，而整个可再生能 源在能源结构中的比例将大于5 0 ，如表1 - 1 所示【l 】o 表卜1 可再牛能源和太阳能在未来能源结构中的比例( ) 时段 2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 3 0 2 0 4 02 0 5 0 可再生能源2 0 22 3 53 3 64 2 75 3 4 日本预测 太阳能 1 9 7 9 1 3 5 呵再生能源2 2 22 0 9 3 2 3 4 3 35 4 6 s h e l l 预测 太阳能2 68 41 4 9 可再生能源2 1 22 2 - 23 3 04 35 4 平均 太阳能 2 3 8 2 1 4 2 太阳能是一种零排放的清洁能源，也是一种能够规模应用的现实能源，可用 来进行独立发电和并网发电。因为其转换效率高、无污染、不受地域限制、维护 方便、使用寿命长等诸多优点，被广泛应用于航天、通讯、军事、交通、城市建 设、民用设施等诸多领域。 太阳能光伏发电系统有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电 系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区， 整个系统造价很高；在有电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去 蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。 太阳能光伏并网发电代表了太阳能电源的发展方向f 2 】，是2 1 世纪最具吸引力的 能源利用技术，对太阳能光伏并网系统的研究具有代表意义。 目前世界各国投入使用的光伏发电系统主要是独立的发电系统，光伏并网作 为- - f - j 新技术，其并网系统进入实用化还存在着不少问题，如并网系统的稳定性、 并网系统的效率、并网质量和成本等都是需要解决的问题。国内外光伏并网发电 研究者正在进行着坚持不懈的研究【2 一钉。光伏发电系统和其他大部分可再生能源 一样，它直接产生的能量通常是不稳定的，因此不可能直接将光电池或风力发电 机与公共电网直接相连，需要在光电池或发电机与电网之间配置容量适合的逆变 器，将电压和频率均随机变化的电能或光能变换成电压、频率、谐波、相角和功 浙江大学硕士学位论文 率因数都符合电网要求的交流电能，再与公共电网相连，以实现并网。因此，逆 变器的性能和控制对太阳能、风能等可再生能源的并网发电具有及其重要的意 义。 1 2 光伏并网逆变器的研究现状 光伏发电并网系统由光伏阵列和并网逆变器组成，在可调度式系统中，还会 配备蓄电池作为储能设备。为了避免并网逆变器对电网产生额外的谐波污染，逆 变器必须具备低谐波、高功率因数的特点，理想状态要求网侧功率因数为1 ，即 网侧电流无畸变且与网侧电压相位一致，这样回馈至电网的只有有功功率。 目前应用于光伏并网系统中的逆变器多采用电压型p w m 逆变器，它只能工作 在直流电压恒定并高于电网电压峰值的情况，用于光伏并网一般采用两级或多级 电路拓扑结构，不仅增加了功率损耗而且电路结构也较复杂【3 ，4 】。而电流型p w m 逆变器可工作在直流电压低于电网电压峰值的场合，且能够实现直流电压宽范围 调节，用于光伏并网系统还可以省掉电压型p w m 逆变器的升压环节，结构变得简 单，成本降低，且很好地适应了光源从弱光到强光的特性。同时，电流型p w m 并网逆变器的储能元件足电感，使得系统寿命变长，过流保护容易，可靠性提高。 1 2 1 光伏并网逆变器的拓扑结构 光伏并网系统中的并网逆变器的基本功能都是相同的，即当光伏阵列输出在 较大范嗣内变化时，能始终以尽可能高的效率将其输出的低压直流电转化为与电 网匹配的交流电送入电网。光伏阵列的输出随光照强度变化波动较大，所以对并 网逆变器的要求比较高。并网逆变器的拓扑除了要方便实现最大功率点跟踪外， 还必须考虑以下几个问题： ( 1 ) 成本低； ( 2 ) 效率高； ( 3 ) 寿命达到2 5 年左右。 目前光伏并网发电系统的拓扑结构可以大致分为以下几种：单级式( 有工频 变压器) 、单级式( 无工频变压器) 、两级式和多级式。 ( 1 ) 单级式并网逆变器拓扑( 有工频变压器) 此方式结构如图1 - 1 所示。系统采用逆变器产生电网频率的交流电能，经工 频变压器进行隔离和变压，接至电网。由于使用了工频变压器，而且太阳能电池 母线和电网之间没有能量解耦环节，所以这种拓扑的效率较低。 浙江大学硕士学位论文 变压器 图1 - 1 有工频变压器隔离的单级式并网逆变器结构框图 ( 2 ) 单级式并网逆变器拓扑( 无工频变压器) 此方式通过串联多个太阳能电池组件以达到足够的直流输出电压，通过全桥 逆变和滤波后直接接入电网，如图1 - 2 所示。 图1 - 2 无工频变压器隔离的单级式并网逆变器结构框图 ( 3 ) 两级式并网逆变器拓扑 两级式并网逆变器拓扑是目前使用较多的主回路拓扑结构。如果逆变器是自 换相的，通过在d c d c 变换后高压直流母线上并联一个电容，可以很好地实现 能量解耦。主回路两级一般包括软开关d c d c 变换环节和自换相或电网换相的 d c a c 逆变环节，如图1 - 3 所示。 光伏阵列d c d c 变换器 逆变电路 刁 。_ _ _ - - - _ - _ _ - _ _ - _ d c d c 电网dv i ld c 能 广一l 图卜3 两级式并网逆变器拓扑结构框图 ( 4 ) 多级式并网逆变器拓扑 多级拓扑设计虽然会增加并网逆变器的复杂程度和成本，但也能实现多种功 能，包括：逆变桥低开关频率( 1 0 0 h z ) ；d c d c 变换器正弦半波输出；光伏阵列 与电网之问的能量解耦。因此多级拓扑设计可在降低损耗的同时达到很好的最大 浙江大学硕士学位论文 功率点跟踪特性。一种多级拓扑的并网逆变器拓扑结构如图1 - 4 所示【5 】o 辅助m p p tl c 滤波器b u c k 电路并网逆变器 j ( r 、m6 u zl i 换器 i 一 一 ： 电 二e b 一一j 1 二：一”一o e c 二：二 f 一一一 n ：_ ： 一一7 i ：二一一 一一o ”一”一：l 二。， b 瞍： 烈i 勃 b 吲：9 l ：y vl ；p 妗罢岂；糕爱 i ， c ，、e ay rf已 易 ，i 、c ， 场 ， ， 、 i ；晚 _ - p 。 一 _ _ 一 一- _ - _ 7 - 一 w 一一 - _ - 一一 - - 一1 - “ 一 _ 一 图2 一1 2 三逻辑s p w m 调制的最小开关顺序图 1 9 u 1 h 1 h 1 h 0 q 0 u 0 h o q 0 h 0 丘嚣l n b k b e 浙江大学硕七学位论文 2 3 最大功率点跟踪方法研究 2 3 1 光伏电池的原理及特性 太阳能电池是以光生伏打效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半 导体器件1 2 4 - 2 6 。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势 的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中， 光能转换成电能的效率相对较高。根据太阳能电池的物理特性可以得到太阳能电 池的等效电路模型，如图卜1 3 所示。 由k c l 可得： l = 1 w i d lr r s ) s，幻弘_ 一 图2 - 1 3 单个太阳能电池的等效电路模型 其中：= l 。( 而s 石) + 以仃一r r 。s ) 蜓! 璺2 z d = i 。p 桶一1 1 l ：k ( ；) ，p 卜鲁( 专号) 】 = 半 上式中各个变量及常量参数的意义如表2 - 2 所示。 表2 - 2 单个太阳能电池等效电路变量及常量参数表 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 变量名描述类型 i负载电流变量 u电池端电压变量 i p v 光生电流 变量 s光照强度 变量 浙江大学硕士学位论文 q 电子电量常量 砀 绝对温度常量 丁 电池温度变量 e g 能带系能量未知常量 k 波尔兹曼常数常量 r s串联电阻未知常量 r s 分流电阻未知常量 彳 任意曲线拟合常数未知常量 i d o二级管反向电流未知常量 i s i i o 短路电流未知常量 3 t温度系数常量 根据光电池等效电路及式( 2 2 0 ) 也一2 4 ) ，我们便可以描绘出光伏电池输出 端电压( v ) 、端电流( i ) 、功率( p ) 之间随光照强度( s ) 和电池温度( t ) 变 化时的曲线图，如图2 - 1 4 所示。 k a ) a 太阳能电池输出特性 b 温度一定时 u ( v ) u ( v ) c 光照强度一定时 光照强度对输出特性的影响 电池温度对输出特性的影响 图2 1 4 太阳能电池输出特性与电池温度和日照强度关系图 2 l 新太学# n 论女 在s i m u l i n k 下建立的光电池通用仿真模型如图2 - 15 、图2 - 1 6 所示。通 过设置标准光照条件下( 1 0 0 0 w m 2 ) 光电池的开路电压吃、短路电流t 。、壤 大功率点电压及煅大功率点电流聊参数t 就可以模拟在任意光照和电池温 度下光电池的特性。 罔2 1 5 光电池通用仿真模型内部模块图 图21 6 光电池横型系统参数设置 2 3 2 经典m p p t 方法介绍 光伏阵列是由多个a 阳能电池组台而成的，在忽略温度效应时，硅a 阳电池 阵列具有图2 - 17 所示的伏安特性。在不同的日照强度下，它与负载特性l 的交 点如a 、b 、“d 、e 等为当前的t 作点。然而这些丁作点并不正好落在阵列输出 浙江大学硕士学位论文 功率电压曲线的最高点，也即光伏阵列可能提供的最大功率点( m a x i m u mp o w e r p o i n t m p p ) 1 ：7 - 3 0 lt ，如a 、b7 、c 、d 、e7 上，这就不能充分利用在当前 日照下阵列所能提供的最大功率。可见光伏阵列输出特性具有非线性特征，且其 输出受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。在一定的太阳辐照度和环境温度 下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏 阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点才能达到最大功率点。 因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调 整光伏阵列的上作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大 功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g m p p t ) 。 u 图2 - 1 7 忽略温度效应时的光伏阵列伏安特性 常见的m p p t 算法有恒电压控制法( c o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g c v t ) 、扰动观 测法( p e r t u r b & o b s e r v ea l g o r i t h m s p & 0 1 、电导增量法以及模糊逻辑控制等算法。 ( 1 ) 恒电压控制法( c o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g c v t ) 温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点 基本是分布在一条垂直线的附近，如图2 - 1 7 所示。因此只要保持太阳能电池阵 列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就 可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。从上面可以看出恒电压 法实际上是把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪。 浙江大学硕士学位论文 i ( a ) 图2 - 1 8 日照强度不同时最大功率点的变化 恒电压控制法具有控制简单、易于实现、稳定性好、可靠性高等优点，但恒 电压控制法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅 太阳能电池的开路电压都会受结温影响，以常规单品硅太阳能电池而言，当太阳 能电池温度每升高1 时，其开路电压下降率约为o 3 5 o 4 5 ，这说明太阳能电池 的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影 响最大的因素是环境温度和光照照强度。因此对于四季温差或日温差较大的地 区，c v t 方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，如果仍然采用就只 能通过降低系统效率来保证其稳定性。 ( 2 ) 扰动观测法( p e r t u r b & o b s e r v ea l g o r i t h m s p & o ) 扰动观测法【3 l 】是目前实现最大功率点跟踪的常用方法之一。其原理是在每 个控制周期内以较小的步长增加或者减少光伏阵列输出电压或电流，并观测之后 其输出功率的变化方向，来决定下一步的控制方向。这样，光伏阵列的实际工作 点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近一个较小范围往复达到稳态。扰 动观测法的流程图如图2 - 1 8 所示。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 9 扰动观测法控制流程图 扰动观测法具有算法简单，对传感器精度要求不高，易于硬件实现的优点， 但是该算法在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损失；且跟踪 步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度；在外部环境突变时会出现误判现象。 所以扰动观测法只适合于光照强度变化较缓慢的场合。 ( 3 ) 电导增量法 电导增量法f 3 2 , 3 3 】也是p t 控制常用的方法之一。由光伏阵列p u 曲线可 知最大值只。处的斜率为零，所以有： 堡：j+【，堡：0(2-25)dud i d il 2 一一 (226)duu p 式( 2 - 2 6 ) 表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是：输出电导的变 化量等于输出电导的负值。若不相等，则通过判断等大于零还是小于零来决定 d u 浙江大学硕士学位论文 采样u p v 和i p v ， 计算 游 懈奄s 上懈奄一 u r e f = u r e f + a uu r e f = u r e f - a uu r e f = u r e f - a ui u r e f = - u r e f + a u p 戒， l i o 文k ，1 0 2 k 上 ( 结束 ) 图2 2 0 电导增量法控制流程图 电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号，其控 制算法同样需要对光伏阵列电压和电流采样。它控制精确，响应速度比较快，适 用于大气条件变化较快的场合。但对硬件的要求也比较高，系统各个部分的响应 速度都要求比较快，因而整个系统的造价也会较高。 h ) 模糊逻辑控制 由于太阳光照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化、负载的变化以及光伏 阵列输出特性的非线性特征，要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑的 因素是很多的。针对这一非线性系统，使用模糊逻辑控制方法【3 4 1 具有比较理想 的效果。图2 - 2 0 是光伏系统中采用的模糊逻辑控制方法控制流程图。 浙江大学硕士学位论文 i 采样ur , 和i p ， 计算p p ， 0 i 计算d p d i ( n ) 图2 - 2 1 模糊逻辑控制方法控制流程图 2 3 3 本文采用的m p i t 控制算法 针对三相光伏并网电流型p w m 逆变器，本文按电流增量寻优，采用变步长 电导增量法计算最大功率点，直接输出给定网侧电流幅值指令。算法流程图如图 2 2 2 所示，s i m u l i n k 下m p p t 计算子系统如图2 2 3 所示。 图2 - 2 2 变步长电导增量法控制流程图 2 4 本章小结 d i v i d e a b sg a i n 图2 - 2 3m p p t 算法仿真图 本章首先分析了三相光伏并网电流型p w m 逆变器的工作原理，然后建立了 其在三相静止坐标系下的数学模型，并研究了电流型p w m 逆变器的s p w m 调 制信号的产生和分配技术。在分析了光伏电池的原理和输出特性基 伏 上 础上建立了光 电池的通用仿真模型，在综合比较各种最大功率点跟踪算法( m p p t ) 的基础 提出了适用于三相光伏并网电流型p w m 逆变器的变步长电导增量法 浙江大学硕士学位论文 第3 章三相光伏并网电流型p w m 逆变器的设计 三相光伏并网电流型p w m 逆变器的设计主要包括主电路参数的设计和并 网控制系统的设计，在第2 章理论分析的基础上，推导了主电路直流侧电感及交 流侧滤波电感和滤波电容参数的具体选取范围，并最终选取了合适的一组数值。 对于并网控制系统的设计，主要考虑实时跟踪光伏阵列输出的最大功率以及实现 网侧电流单位功率因数控制。将直接电流控制方法应用于三相光伏并网电流型 p w m 逆变器，可以有效解决并网控制系统对光伏阵列输出最大功率跟踪的快速 性与系统稳定性之间的矛盾。 3 1 主电路参数的设计 3 1 1 直流侧电感的设计 三相光伏并网电流型p w m 逆变器直流侧电感的作用主要是在滤除光伏阵列 直流侧谐波电流的同时，使直流侧具有较大的输出阻抗，即使其呈现出电流源特 性。直流侧电感的设计应考虑两方面的因素：其一，直流侧电感k 必须足够大， 从而使电流型p w m 并网逆变器直流侧具有较大的输出阻抗以抑制直流侧电流 的脉动；其二，为使直流侧电流具有足够快的动态电流响应，直流侧电感k 的 取值须受到限制。 考虑三相光伏并网电流型p w m 并网逆变器直流侧回路方程为： _ ( f ) 一v 出= k 考等+ 屯p ) 也 ( 3 1 ) 式中：( f ) 为光电池输出端电压；k 、心分别为直流侧储能电感及等效 电阻。 为简化分析，可先令光电池输出电压恒定不变，即： ( f ) = = 常数 ( 3 2 ) 根据三值逻辑p w m 控制规律，三相光伏并网电流型p w m 并网逆变器直流 侧电压( f ) 的开关函数描述为： 浙江大学硕士学位论文 ( f ) = 踮魄 蝎饥吣魄o j = q 岵 ( 3 3 ) 式中：i ( 产a ，b ，c ) 为三值逻辑开关函数。邑= l 代表上侧开关管导通，下 侧管关断；g = o 代表上、下侧开关管全导通或全关断；q = 一l 代表下侧开关 管导通，上侧开关管关断。 若在单位功率因数控制稳态条件下，( f ) ( j = a ，b ，c ) 为正弦基波相电压，且 设基波相电压峰值为圪，这时可以考虑以一个幅值为3 圪且占空比固定的单极 性p w m 电压调制波近似取代( f ) ，如图3 一l 所示。 i ，匆留一 ；k ， it i i i i i i 7 少，i ；7 伊i iii ；i；j 熏二隧二愿二匦二孤二豳二： r ，瓦 ， 0 ；r s - t 7 t 7 图3 - 1 直流侧史压v 幺( f ) 、电流( f ) 稳态调制波形 一个p w m 开关周期c 中的直流回路方程为： 删h “掣， 4 ， k ( 小三掣蚓 h ) 式中：么。( f ) 为第一时间区间( o r ) 直流侧电流瞬时值；么：t ) 为第二时 间区间( 0 f 互一) 直流侧电流瞬时值；t 为坐标平移后的新时间坐标值 o 。= ，一) 。 由由路厦甥可知稳杰时第一时闾反闾由流锪信笺千笔一时间反问由流初信而 第二时间区间电流终值等于第一时间区间的电流初值，即： f 。( ) = 屯，( o ) 1 屯：( 互一) ：么。( o ) ( 3 - 5 ) 联立式( 3 - 4 ) 、式( 3 5 ) 可解得直流电流脉动量乙为： 戗啪蝴，= 等i 警 协6 ， 式中：五为并网逆变器直流回路时间常数。 墨= 争 ( 3 7 ) u 吖7 当p w m 开关频率足够高时，即e 五时，可用p ”l x ( x 很小时) 对式 ( 3 - 6 ) 近似处理得： 瓴等 又由于单极性p w m 占空比d 为： ( 3 8 ) 拈争 ( 3 - 9 ) 乃 叫7 将式( 3 9 ) 代入式( 3 8 ) ，可得： 瓯孚d ( 1 - 甲d ) t - ( 3 - 1 0 ) “ 屹 石 u 叫w 令d ( ) d ( d ) - - 0 ，当p w m 占空比j = 0 5 时，即f l = 0 5 t ，时，得到并网 逆变器直流电流脉动量最大值。其最大值为： 瓴嗍= 铬= 警毫 协，。 当允许的最大电流脉动量为之嗍时，直流电感乞应足够大，且 p 惫 b 另一方面，为了使直流侧电流乞获得足够快的动态响应，应使： 必土三互 一 立互 浙江大学硕士学位论文 五=如ldc(3-13) 式中：c 为阶跃响应时的上升时间指标值。 因此可得：k 戤 ( 3 1 4 ) 综合上述分析，可得三相光伏并网e g 流型p w m 并网逆变器直流侧e g 感的取 值范围为： 且4 a z 城m x k c 如 ( 3 1 5 ) 本文采用的开关频率z = 4 2 k h z ，基波电压幅值圪= 1 0 0 v ，直流侧电感电 流额定值乞= 1 0 a ，直流侧允许的最大电流脉动量蠢一= l o 魄= 1 a ， c = o 0 2 s ，如= l q 。则由式( 3 - 1 5 ) 可计算出直流电感的取值范围为 l o m h k 2 0 m h 。本文中最后选取电感值为k = 1 5 m h 。 3 1 2 交流侧l c 滤波环节的设计 由式( 2 - 8 ) 知三相光伏并网电流型p w m 逆变器交流侧电流与开关函数是 成正比的，当采用p w m 控制时，由于开关函数中含有谐波分量，因此逆变器交 流侧电流也会含有谐波分量。所以为了滤除交流侧电流的谐波分量，须在交流侧 设置滤波环节。 三相电流型p w m 逆变器交流侧滤波环节谐波电流传递函数g ( s ) 可以表示 为： = 篇= 而1 慨b c ) ( 3 - 1 6 ) 式中：r 为l c 谐波环节等效电阻；0 ) 为电流型p w m 逆变器网侧谐波电 流的拉氏变换量；锄0 ) 为电流型p w m 逆变器交流侧谐波电流的拉氏变换量。 由式( 3 1 6 ) 易得三c 滤波器自然振荡频率国。及阻尼比毒分别为： 。= 击厶詈居 心。7 根据相关性能指标要求，且联立式( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) ，即可求取三相电流型 p w m 逆变器滤波器相关参数三、c 。考虑到逆变器自身的约束，如果使三相电 3 2 浙江大学硕士学位论文 流型p w m 逆变器取得网侧单位功率因数正弦波电流控制，其滤波器电容参数c 设计值就不能过大。如果电容太大，超前的无功功率增加。理想情况是超前的无 功功率与负载产生的滞后的无功功率( 感性) 相等。另外，电容还起到抑制电压 尖峰，保护开关器件的作用。电容太小，会削弱对开关器件的保护。因此，综合 考虑工c 滤波器各方面因素进行设计，得电容参数c 的取值范围为： 生 c ；面。、 一( 3 - 1 8 1 式中：气曲为直流侧电流最小值；已为电网电压幅值；n 为三相电流型 p w m 逆变器直流侧额定功率；曲为三相电流型p w m 逆变器交流侧p w m 最 低次谐波角频率。 根据上述分析，综合计算得出：滤波电感l = 8 m h ，滤波电容c = 4 5 a f ， 滤波环节等效电阻r = 1 q ，根据式( 3 - 1 6 ) 得出该滤波环节的幅频特性如图3 - 2 所示，得出其截止频率为缈= 5 2 7 0 ( r a d ) ，而q = 2 刀z = 2 6 3 7 6 ( r a d ) ，所以能很 好的滤除高次谐波。 图3 - 2l c 滤波器幅频特性图 3 2 并网控制系统的设计 对三相光伏并网电流型p w m 逆变器，实时跟踪光伏阵列输出的最大功率以 及实现网侧电流单位功率因数控制是整个控制系统设计的核心。传统的光伏并网 电压型p w m 逆变器通常采用电压外环、电流内环的双环控制方案【3 5 - 4 0 】，这种方 案以电流内环的快速调节来满足电压外环的控制要求，而电压外环也必须快速调 节以跟随m p p t 输出的变化。若以典型环节来设计这一双环系统时，考虑到系 统的动、静态平衡则电压外环必须和电流内环的频带拉开，这样电压外环就必须 以抗干扰性能为主而降低跟随性能，而要做到动态m p p t 控制，又必须提高电 浙江大学硕仁学位论文 压环的快速性，这就与控制系统的稳定性要求发生矛盾。因此，对于三相光伏并 网电流型p w m 逆变器控制系统的设计，可以考虑直接以电流环控制来满足 m p p t 控制的要求，从而可以很好地解决上述矛盾。 3 2 1 直接电流控制 本文采用直接电流控制策略来实现并网逆变器输入最大功率点跟踪控制和 网侧电压电流接近单位功率因数，其系统控制框图如图3 3 所示。 图3 3 直接电流控制框图( a 相) 由图可知该系统实际上是一个双闭环控制系统。外环为功率环，采用自寻优 m p p t 算法。通过采样直流侧输入的电压和电流信号计算出当前时刻的输出功 率，再与前一时刻所计算出的输出功率进行比较，根据输出功率的大小不断调整 并网逆变器的工作点，最终使得并网逆变器的工作点沿着光伏阵列最大功率曲线 变化。逆变器根据m p p t 算法计算出光伏阵列在此功率点下的电流指令信号乙， 该指令信号与电网电压同步信号相乘后作为网侧电流控制环的同步指令信号，该 指令信号与网侧电流信号经过比较后通过p i 调节和s p w m 脉冲分配单元产生开 关管的脉冲信号。合理地设置电流环的p i 参数就可以使网侧电流信号准确跟踪 指令信号，从而使光伏并网系统以单位功率因数实现最大功率并网发电。 3 2 2 直接电流控制环路设计 当p w m 开关频率远高于电网基波频率时，若忽略逆变器交流测电流中的谐 波分量，即只考虑基波分量，此时对应的控制系统的传递函数结构如图3 - 4 所示。 图中k p 删为逆变器p w m 比例增益，m 为调制比。 浙江大学硕士学位论文 图3 - 4 光伏并网电流型p w m 逆变器控制闭环传递结构 当电网电动势稳定时，可忽略电网电动势置( s ) 扰动对控制系统的动态影响， 此时内环开环传递函数为： g l ( s ) = 瓦万 k p 而w m 鬲 3 1 9 ) 从上式可以看出，被控系统为是一个二阶系统。滤波器的转折频率为： z = 丽1 内环采用p i 控制器， 的转折频率处，可得： z 2 去5 五 ( 3 - 2 0 ) 在设计p i 参数时，把p i 控制器的零点设置在滤波器 ( 3 - 2 1 ) 工2 斋z 3 - 2 2 g 。：k a f s + k i ，当吐一( 3 - 2 3 ) 5 sl c s 2 + r c s + l i l ：f j 苫。一。 ( 3 2 2 ) 1 l 半赢赫l 膨f u 屹别 3 5 浙江大学硕士学位论文 3 3d s p 控制系统的实现 本实验中，控制信号的产生是采用t l 公司的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 这一款d s p 芯片。该款d s p 芯片将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统 应用提供了一个理想的解决方案。下面对这一d s p 芯片的功能以及整个系统程 序的设计进行详细的介绍。 3 3 1d s p 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是为应用于数字电机控制( d m c ) 而设计生产的款d s p 芯片，由于它集成了a d 转换、p w m 发生器等外设电路，再加上高速运算的特 性，使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 非常适用于高频电力电子装置的控制。与微控制器相 比，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有更高的运算能力，这要归功于它的哈佛结构双总线和 单周期的乘加指令，一条总线用于数据，另一条用于程序指令，两条总线可以同 时使用，大大减少了处理时间。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 有以下一些特点h 1 。： 夺采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器 的功耗：3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而提高了控制 器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 代码和 t