（电路与系统专业论文）无隔离太阳能光伏发电并网逆变技术[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着太阳能光伏发电的不断普及，太阳能光伏发电站的容量不断增加。提高 光伏发电系统中电力电子装置效率、改善其输出特性以及引入并网发电技术成为 光伏发电技术乃至整个新能源发电技术研究的重要内容。尤其是对于最新的无隔 离光伏发电并网逆变技术，研究其逆变方式、并网算法等等，都具有相当大的现 实意义。 本文主要研究了无隔离光伏发电并网逆变系统的逆变方式、并网算法。将多 电平拓扑和新式的调制策略引入太阳能光伏发电领域，结合单片机的优势，实现 了采用单片机加大功率半导体元件的结构进行逆变的技术方案。 本文首先介绍了分散发电、光伏发电、并网发电的逆变技术等相关的技术概 念，以及国内外光伏逆变技术的现状和发展趋势。接着介绍了多电平交流器的基 本原理和单片机在电力电子中的应用情况。然后详细介绍了无隔离太阳能光伏发 电并网逆变系统的硬件设计过程和电路功能的实现，并给出了硬件的性能测试数 据。尤其针对无隔离和并网逆变这两个技术要点做了详细的阐述。 在这之后，进一步从理论上分析了二极管箝位型三电平变流器运行工况，并 建立了数学模型，在此基础上，根据控制自由度组合的思想对多电平变流器 s p w m 调制方法进行了分析。将多电平变流器开关频率优化及s p w m 方法和载 波交叠式s p w m 方法相结合，实现了开关频率优化载波交叠s p w m 方法。该 方法同时具有开关频率优化和载波交叠s p w m 方法的优点：在较低开关频率下 具有良好的谐波特性，并有效的提高了直流电压利用率。 针对并网逆变原理及并网逆变器的特殊技术要求，本文专门对它进行了详细 的讨论。并重点分析了光伏并网发电中比较特殊的两个难点：最大功率点跟踪和 孤岛效应的防止。介绍了它们的原理和实现。 本文作者设计并完成了5 0 0 0 w 无隔离太阳能光伏发电并网逆变系统。通过 理论分析和实验结果证明，此系统所用的方案是光伏并网发电领域的一个较佳方 案，理论意义和经济意义都不可估量。 关键词t 太阳能；光伏发电；逆变器；并网；单片机；p w m ；最大功率点跟踪： 反孤岛效应 中图分类号：t m 4 6 4 i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ep h o t o v o l t a i c 口v ) p o w e r , i n c r e a s i n gt h ec a p a c i t y a n di m p r o v i n gt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sh a v eb e c o m ea n i m p o r t a n tp a r to ft h ep vp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yi n t h en e w e s t n o n - i n s u l a t i o np vg r i n d - c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e m ，i tr e q u i r e sm o r ea t t e n t i o no n c o n v e r tm e t h o da n dg r i d - c o n n e c t e da l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , w em a i n l ys t u d yc o n v e r tm e t h o da n dg r i d - c o n n e c t e da l g o r i t h m w e i n t r o d u c et h em u l t i l e v e lc o n v e r t e ra n dn o v e lm o d u l a t e dt e c h n i q u ei n t ow i n dp o w e r g e n e r a t i n gs y s t e m ，t a k ea d v a n t a g eo ft h em i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l l e r , a n dr e a l i z et h e c o n v e r t e rc o n t r o lt e c h n i q u eb a s e do ns e m i c o n d u c t o rc o m p o n e n tp l a t f o r mi m p r o v e db y m i c r o e o n t r o l l e rc o n t r o l l e r f i r s t l y , c o n c e p t i o n o fd i s t r i b u t e dp o w e r , p h o t o v o l t a l c ( p v ) p o w e ra n d 鲥d - c o n n e c t e di n v e r t e rt e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t e c h n i q u eo f m u l t i l e v e lc o n v e r t e ra n da p p l i c a t i o no f m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o l l e ri ne l e c t r i ch a sb e e n r e c o m m e n d e d t h i r d l y , h a r d w a r ed e s i g np r o c e s so f o n - i n s u l a t i o np vg r i n d c o n n e c t e d i n v e r t e rs y s t e ma n dr e a l i z a t i o no fc i r c u l tf u n c t i o nh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l ， e s p e c i a l l yf o rt h en o n - i n s u l a t i o na n d 鲥d c o n n e c t e dt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，t h e h a r d w a r ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e rh a sb e e ng i v e n t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st e c h n i q u eo fn e u t r a lp o i n tc l a m pm u l t i l e v e l c o n v e r t e ra n ds p w mc o n t r o ls t r a t e g y ；a n a l y z et e c h n i q u eo fs p w mo fm u l t i l e v e l c o n v e r t e rb a s e do nc o n t r o ld e g r e e so f 丘e e d o mc o m b i n a t i o n s ；c o m p a r et h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fc a r r i e rp h a s es h i f t ( c p s ) ，c a r r i e rd i s p o s i t i o np h a s es h i f t ( c d p s ) ，c a r r i e ro v e r l a p p i n g ( c o ) a n ds w i t c h 疔e q u e n c yo p t i m a l ( s f o ) t h e n i n j e c t i n gz e r os e q u e n c es i g n a l st ot h er e f e r e n c ew a v eo f t h ec o a ss f o t e c h n i q u e ，w e c 舭g e tan e ws p w mt e c h n i q u e ：s w i t c hf r e q u e n c yo p t i m a l ( s f o ) - c a r d e r o v e r l a p p i n g ( c o ) ，s f o c o - s p w m t h i sm e t h o dh a sa d v a n t a g e so ft h es w i t c h i n g f r e q u e n c yo p t i m a ls p w mm e t h o d ( s f o - p w m ) a n d t h ec a r r i e ro v e r l a p p i n gs p w m m e t h o d ：u n d e rl o wm o d u l a t i o ni n d e x t h i sm e t h o dc a ns h o wb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h eo u t p u tv o l t a g e ；a n dt h ed cv o l t a g eu t i l i z a t i o ni m p r o v e d i th a sas p e c i f i cd i s c u s s i o na b o u tg r i d c o n n e c t e dt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f g r i d - c o n n e c t e d c o n v e r t e rr e q u i r e m e n ta n dg r i d - c o n n e c t e d p o w e rp r i n c i p l e ，i t r e s e a r c h e st h em o s ts p e c i a lt h e o r yp o i n t m a x i m u mp o w e rp o i mt r a c k i n ga n d a n t i - i s l a n d i n gp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s i g na n dc o m p l e t ean o n - i n s u l a t i n np vg r i n d - c o n n e c t e di n v e r t e r i v a b s t r a c t s y s t e m a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s e sa n dt e s tr e s u l t s ，t h i ss c h e m ew i l lb et h e d e v e l o p e dt r e n di nt h ep vg r i n d c o n n e c t e di n v e r t e rp o w e ra r e a , w h i c hi so fp e r f e c t p r o s p e c ti ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s o l a rp o w e r ；p h o t o v o l t a i c ；i n v e r t e r ；g r i d - c o n n e c t e d ；m c u ；p w m ；m p p t ； a n t i i s l a n d i n g c l c ：t m 4 6 4 v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成 果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢 意。 作者签名垃 论文使用授权声明 日期：兰= 1 2 ：! ：哆 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即t 学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名导师签名同期：! 1 2 燮 第一章引言 第一章引言 1 1光伏系统技术现状及发展趋势 世界范围的石油和煤炭资源储量日渐减少，电力需求日益增长，导致迫切需 要利用分散的新能源发电解决需要。持续高涨的电力消耗使常规电厂设施、输 电电网无法满足过重的负荷，造成供电保证率、供电安全性以及电能品质下降。 因此，建立技术可行又符合可持续发展条件的解决方案非常必要【l 卅。 在过去十年期间，新能源利用技术的不断发展及成熟化，深刻地表明它已经 成为解决以上问题可靠、有效的方案。原因不仅在于其环保功效，同时可以有效 地利用分布在用电需求地点的丰富自然能源，而利用的核心为分布式供电技术。 为了向用户提供合格的电能，需要将光伏电站或其他形式的新能源发电所产生的 直流电转变为满足要求的交流电，并馈入交流电网。 分布式供电系统技术目前已经大量应用在需要电力的边远地区，并正在与常 规电网相竞争，在一些边远地区已经比常规电网技术更有竞争力，在未来的十年 中将达到与常规电网相抗衡的规模。 1 1 1 分布式发电系统中的光伏技术关键概念 目前，我们所使用的电能主要是由集中的大型发电机所产生的电力并通过远 距离的输电线路提供。这些公用电网为终端用户提供的是频率和电压相对稳定的 ( 比如2 2 0 v ，5 0 h z ) 电力。而用电量的持续增长使得发电站和电力传输线路的 负载过重，影响了供电的安全性和供电质量。理论上，这种集中发电输送的状况 可以通过分布式发电系统加以补充。分布式发电系统的最大特点是功率相对较 小，利用存在于用户附近的各种能源形式就近发电并网，可以有效地利用当地的 资源。这样，发电和消耗的过程都是在当地发生。因此，可以更加充分地综合开 发、利用当地的电能、热能和其他能源形式( 尤其是太阳能、风能、生物质能和 水利等可再生能源) 。此外，由电压等级的变换、输电线路的电力分配系统造成 的损耗也相对减小。系统的整体效率就会相应增加，当地的经济状况也会有所改 善，并达到可持续发展的要求。可再生能源的这种分散特征非常适合这种分布式 供电战略。根据当地的不同条件，在具体实施时可以选择将光伏发电站连接到适 宜的公用电网点并网发电，也可以成为与公共电网分离的离网系统组成独立电 网。相应地，可提供交流供电的分布式供电系统通常为以下几种结构： 1 公用电网并网光伏系统 单纯光伏的发电系统 第一章引言 带有蓄电池的光伏发电系统 2 离网应用的光伏系统 光伏、蓄电池系统 光伏多能互补发电系统 图1 1 标准模块化的模组和交流电互补系统技术方案 供电结构如图1 1 所示，其结构可以采用模块式方式进行组建。并网发电方 案是欧洲、日本、美国等工业国家光伏应用的主要领域。如果在光伏发电站配置 有合适的电力形式与控制设备，就可以形成如图1 1 右侧显示的向公共电网供电 方案。而在光伏发电站安装相应的储能装置( 通常为蓄电池) 能够改善电网的供 电稳定性( 备用供电功能) 。在通畅情况下，对于偏远地区和离网供电的独立电 网光伏应用中，光伏发电站都安装有蓄电池组以确保供电的持续性。在大型的光 伏发电站中，还可以通过与其他的能量转换器( 比如风能转换器、柴油发电机等) 并接互补供电和储能设备来形成并网发电系统，如图1 1 所示。无论并网还是离 网应用，都需要智能化的系统控制技术( 如电能输出控制和通讯设施) ，以在光 伏供电市场的激烈竞争中占有一席之地。比如，电力控制设备必须具有高效率、 低成本的特点。与应用于电力驱动的逆变器不同，光伏逆变器的高转换效率是光 伏发电站发电量和电能价格的决定性因素。 1 1 2 并网发电系统用逆变器技术 在主要应用于并网的光伏系统中，电力输出控制设备( 即逆变器) 是系统的 关键设备，对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位。光伏组件所 能够产生的电能取决于照射在其上的太阳能辐射强度、光伏组件温度和它所处的 运行点。因此，需要给光伏组件配置相应的电力控制设备( 最大功率点跟踪器 2 第一章引言 p t ) ，根据光伏组件当前的运行状况输出最大的功率。光伏组件产生的直流电 由逆变器转化成特定电压和频率( 如2 2 0 v ，5 0 h z ) 的交流电。 光伏发电站是通过具有各种技术结构的逆变器连接到电网上的。光伏并网发 电系统使用的逆变器结构大体分为几类： 集中逆变器 在该类光伏发电站( 大于1 0 k w ) 的系统中，很多并行的光伏组串被连接到 同一台集中逆变器的直流输入侧，如图1 2 左边的结构图。该类型的逆变器在很 多情况下，使用与大型电机或u p s 中使用相似的三相i g b t 功率模块。这些逆 变器的最大特点是效率高，成本低。然而，由于部分光伏组件易受阳光遮影影响 造成各光伏组串与逆变器的不正确匹配，导致整个光伏发电站的发电可靠性受某 一光伏单元工作状态不良的影响，将会导致整个光伏发电站的不良运行。 光伏组串逆变器 如图1 2 中间的结构图所示，光伏组件被连接成几个相互平行的串，每个串 都连接单独的一台逆变器，即成为“组串逆变器”。这样，各光伏组串没有在直 流侧进行并接，而是在交流侧与电网并接。每个组串并网逆变器具有独立的最大 功率跟踪单元，从而减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的现象和阳光阴 影带来的损失，增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增强 了系统的可靠性。正是因为组串逆变器的诸多优势，使其成为光伏发电站并网技 术的标准，并自2 0 世纪9 0 年代中期以来成为光伏市场的主流技术。 多组串逆变器 组串逆变器率先应用于模块化光伏系统技术领域。由于对发电功率的增加要 求，逐步开发了多组串逆变器。多组串逆变器取集中逆变器和组串逆变器之优点， 避免其缺点，可应用于几千瓦的大型光伏发电站中。多组串连接的这种技术可有 效适用于连接特性、类型均不同的光伏组件，也可连接安装于多个方向( 南方、 西方和东方) 的光伏组件。由此，可使光伏发电站具有模块化性能，增加了系统 设计适应性和可扩展性，逆变器成本也有所降低。 组件逆变器 每个组件连接一台逆变器，如图1 2 右边的结构图。使用组件逆变器的光伏 发电站的特点使每个光伏组件都有一个独立的最大功率跟踪系统，增加了逆变器 对光伏组件的匹配性。这样的组件逆变器可应用于峰值从5 0 w 到4 0 0 w 的光伏 发电站。虽然组件逆变器的使用优化了发电量，但系统总效率较组串逆变器低。 对于组件逆变器方案，因为每个组件都连接在2 2 0 v 的电网上，因此不可避免会 发生交流侧电缆较长的问题。结果会造成维护很复杂，在光伏幕墙的应用系统中 尤为严重。 第一章引言 图1 2 三种不同结构连接的光伏发电站示例 目前市场上，这三种类型的逆变器都在使用，用户要根据具体情况做出正确 的选择。 1 1 3 并网逆变器的成本变化历程 在利用可再生能源供电的市场竞争中，除了光伏组件的成本，光伏逆变器的 成本和可靠性也是人们特别关注的。对于并网光伏发电系统，逆变器的成本约占 系统总投入的l o 到1 5 。图1 3 显示了中小功率( 1 一l o k w ) 光伏逆变器的 价格变化。从该图可以看到，在过去十年当中，该功率范围的逆变器成本降低了 一半多。成本降低的主要原因是产量的增加、功率电子器件价格的降低和创新系 统技术的应用。预计在未来的十年中，其成本会再度下降5 0 。 图1 3 光伏逆变器的成本和产量发展历程 4 第一章引言 1 1 4 光伏发电系统未来的供电方案 现代的分布式供电系统结构可包括多种类型的发电系统并形成相应的供电 电网，这些电网相互并接运行，通过与系统服务中心的通讯对设备进行检测以及 远程维护。图1 4 显示的系统是分布式光伏电源系统的几种结构类型，包括： 局域性供电系统( 如独立逆变系统向单一负载供电) 区域性供电系统( 如通过独立电网向一些社区、公司供电等) 跨区域性供电系统( 与公共电网并网运行) 随着供电需求的增加，不同类型的电网形成的供电结构可以逐步扩展。如果 多个分散的供电系统不断扩展，与地方电网连接，就会形成区域性或跨区域性电 网。 在这样的分布式结构中，通讯是系统可靠性和维护成本的重点。在这样的系 统中，将电力线路并接到不同的系统设备和发电设备的同时，另外一个重点就是 需要建立可靠的监控系统使各发电系统协调工作。与集中的并网结构的管理不 同，分布式发电系统分布广泛且数量众多，每台设备都需要安装有合适的通讯监 控系统。如图1 4 所示。 图1 4 分布式发电的通讯方案 第一章引言 由于能源的可持续发展要求，分布式供电系统结构有望领导未来能源供应潮 流，成为偏远地区最有效的供电模式。不仅如此，分布式发电结构方案也已开始 在工业国家崭露头角。为了实现分布式供电系统结构这一目标，在未来十年当中， 我们必须在技术上取得下面几个方面的突破：逆变器成本大幅降低；并网发电的 安全性和可靠性大幅提高；分布式发电所需要的系统监控设备有统一的标准，兼 容各种新能源发电模式。 1 2论文的主要内容 本文研究对象为无隔离太阳能光伏发电并网逆变技术。该技术将在线式升 压、多电平逆变和新式的s p w m 调制技术引入太阳能发电领域。结合目前单片 机的新功能，提出了由单片机控制并网逆变技术方案。通过设计和制作了一台 5 0 0 0 w 无隔离太阳能光伏发电并网逆变器，证明了此方案的可行性。同时，解 决了光伏组件最大功率点跟踪、孤岛效应防止等光伏并网发电中特有的难点。 具体内容如下所述： 论文第二章首先介绍了多电平变流器和s p w m 调制技术的基本概念和拓扑 选择。最后提出了新型单片机在电力电子中的应用和特点。 第三章提供了无隔离太阳能光伏发电并网逆变器设计方案。包括其设计特 点、硬件电路原理和电路工作分析。最后，通过硬件性能测试，证明了该方案的 可行性。 第四章进一步从理论上探讨了二极管箝位型三电平变流器的工作原理，给出 了其运行工况，在此基础上提出y - - - 极管箝位型三电平变流器主电路控制要求， 最后，针对该拓扑的等效开关模型进行了数学建模。然后对多电平s p w m 调制 方法进行研究。基于控制自由度组合的思想对多电平变流器s p w m 调制方法进 行了分析，在分析和比较载波相移、载波交叠和开关频率优化s p w m 技术优缺 点的基础上，将多电平交流器开关频率优化s p w m 方法和载波交叠式s p w m 方 法相结合，提出了一种新型的多电平变流器s p w m 控制方法，本文称之为开关 频率优化载波交叠s p w m 方法。采用文中所述的调制方法对二极管箝位型三 电平变流器和进行了仿真，仿真结果证明了开关频率优化- 载波交叠 ( s f o c o ) s p w m 的正确性和可行性。 第五章单独讨论了并网技术。阐明了光伏并网发电必须的硬件软件要求。然 后在第三章硬件的基础上，提出了并网发电的方案，并详细计算了几个重要的参 数，在实践上实现了并网。随后，分别介绍了最大功率点跟踪和孤岛效应防止两 个光伏并网发电所特有的概念。在介绍了最大功率点跟踪的原理后，提供了最大 功率点跟踪的算法和软件流程图。在介绍了孤岛效应的原理后，给出了多个孤岛 6 第一章引言 效应的检测方法，并提供了应对措施。 第六章总结了全文，并提出了基于该技术和系统，后续可以进一步研究的几 个方向。 7 第二章逆变罂的基本原理 第二章逆变器的基本原理 2 1多电平变流器拓扑结构 多电平变流器的思想最早于1 9 8 1 年由n a b l a e 等人提出的，它的基本思路是 由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的 高压大容量功率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量输出波形的同时， 克服了两电平变流器的诸多缺点，与普通两电平变流器相比具有以下优点【7 】： 1 更适合大容量，高压的场合； 2 可产生m 阶梯型输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形，谐波 含量较小； 3 电磁干扰( e m i ) 问题大大减轻，因为开关元件一次动作的d u d t ，通常只 有传统两电平的1 ( m 1 ) ； 二 4 效率高。消除同样谐波，两电平采用p w m 控制法开关频率高、损耗大， 而多电平变流器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小，效 率提高； 5 无需输出变压器，有效的减小了系统的体积和损耗。 多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起来主要有以下 三种【3 1 ：二极管箝位型多电平变流器( d i o d e c l a m p e dm u l t i 1 e v e lc o n v e f t e r ) b m l 2 1 、 电容筘位型多电平变流器( n y i n g c a p a c i t o rm u l t i 1 e v e lc o n v e r t e r ) 【1 3 - 】和级联h 桥型 多电平变流器( c a a d chb r i d g em u l t i 。l e v e le o n v e r t e r ) 1 5 q 7 1 。此外，在这些基本拓扑 的基础上，也出现了一些改进型的多电平变流器，本节对这些拓扑进行总结和分 析。 2 1 1 二极管箝位型多电平变流器 一个m 电平的二极管籀位型变流器在直流侧由( m - 1 ) 个电容串联产生m 电平的相电压。图2 1 所示是一个五电平单相二极管筘位型变流器的拓扑。 s 第二章逆变器的基本原理 o 图2 1 五电平二极管箝位型变流器 直流侧由四个电容串联构成，每个电容上的电压为1 ，4 电源电压。通过开关 器件的不同组合使输出电压产生不同的电平。二极管箝位型变流器同时具有多重 化和脉宽调制的优点：输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧 不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等等。但这种变流器也存在以下 不足： 钆箝位二极管的耐压要求较高，数量较大。 b 开关器件的电流应力不一致。 c 在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同， 从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制难度。 2 1 2 飞跨电容型多电平变流器 图2 , 2 所示为飞跨电容型多电平变流器的基本拓扑结构【1 舯。每相桥臂具有相 同的结构，a 相桥臂的三个内环电容c 。卜c 虻、c 1 3 ，与b 相桥臂的内环电容相互 独立。每相桥臂共用同样的直流侧串联电容，c l c 4 。电容箝位型多电平变流器 的电平定义与二极管箝位型多电平变流器基本相同。假定每个电容的电压等级与 开关器件相同，那么一个m 电平交流器在直流侧需要m - ! 个电容。 9 第二章逆变器的基本原理 图2 2 五电平电容箝位型交流器 电容筘位型多电平变流器的电平合成的自由度和灵活性高于二极管多电平变 流器。电容箝位型多电平变流器的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较 强；既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等等。其主 要缺点是； a 需要大量的存储电容。 b 为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合。 这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率高、开关损耗大。 c 同二极管箝位型多电平变流器一样，电容箝位型多电平变流器也存在电流应 力不一致的问题。 2 1 3 级联h 型多电平变流器 级联h 桥多电平变流器的基本结构包括两种【1 ”1 】：一种为三电平h 桥( 3 1 e v e l h b r i d g e ，简称3 - h 桥) ，另一种为五电平h 桥( 5 l e v e lh - b r i d g e ，简称5 - h 桥) ，其 中，五电平h 桥包括二极管箝位型和电容箝位型两种。 1 0 第二章逆变器的基本原理 ( a ) 二极管筘位型( ”电容箝位型 图2 5 级联3 - h 桥变流器图2 6 级联5 - h 桥变流器 级联3 - h 桥变流器的基本单元如图2 3 所示，这个基本单元可产生3 电平输 出。级联5 - h 桥变流器的基本单元如图2 4 所示，可以实现5 电平输出。 以图2 3 的基本单元为基础，可以得到图2 5 所示的级联3 - h 桥变流器。级 联5 - h 桥变流器的电路结构如图2 6 所示，这种拓扑的实质是多电平h 桥交流器 的级联。对于级联3 h 桥变流器，串联单元数m 和输出波形所含电平数1 1 之间 满足n - - 2 m + l 的关系；级联5 - h 桥变流器对应关系为；n = 4 m + 1 。 级联h 桥变流器具有易于进行模块化设计和封装、易于实现直流侧均压、 易于将故障单元实现在线切除和各变流器单元的工作负荷一致等优点。 第二章逆变器的基本原理 当然，这种拓扑结构也存在一定的缺点：对于有功功率交换场合，需要独立 直流源，从而使其应用在某些领域受到限制；h 桥交流器的每个基本单元都要用 一个独立的直流电源来实现箝位功能，随着输出波形电平数增加，串级单元使用 的直流电源数也将增加，使得输入变压器的结构变得复杂，不利于能量回馈。 2 1 4 多电平变流器拓扑的选择 三种多电平拓扑都具有适合于高电压大容量场合的优点，但在实现的时候则 需要考虑很多方面，如拓扑结构的简单性，实现的容易性以及成本高低等多方面 来考虑。 从多电平变流器拓扑结构上来讲，飞跨电容型具有电容较多的缺点，并且由 于高压场合的电容体积较大，当电平数增加时，此缺点将变得难以忍受。独立直 流电源的级联式拓扑虽然比较简单，但需要多个独立直流电源，不利于能量的双 向流动，且实现起来困难。相对来说，二极管箝位型拓扑有如下优势： ( 1 ) 电路拓扑简单，同时由于箝位二极管体积较小，所以相对于飞跨电容型 来讲易于扩展到更多电平的变流器当中去； ( 2 ) 控制简单，易于用数字信号处理器( d s p ) 或新型单片机等芯片实现，而 飞跨电容型由于开关模式的多样性使得实现数字化控制很困难； ( 3 ) 相对于飞跨电容型大量的电容以及独立直流电源式所需的大量开关器 件，二极管箝位型拓扑成本较低。 综合以上几点，本课题选择二极管箝位型为多电平变流器的拓扑，同时以最 简单的三电平作为研究对象。 2 2多电平变流器的s p w m 调制技术 开关调制策略的选择对于变流器而言，是至关重要的。对于上一节谈到的多 电平变流器来说，目前有以下几种开关调制策略：阶梯波脉宽调制、空间矢量 s p w m 调制、基于载波的s p w m 调制等。 2 2 1 阶梯波脉宽调制 阶梯波脉宽调制就是用阶梯波来逼近正弦波。这种策略的优点是实现简单、 开关频率低( 稍高于基波频率) ，主要缺点是输出电压的调节依靠于直流总线电 压或移相角，输出谐波含量大。在阶梯波调制中，可以通过改变各电平持续时间 的长短，来抑制和消除低次谐波。也有文献提出优化调制波宽度技术，但这种调 制方法中，需要采用优化算法求解高阶非线性方程组，即使使用d s p 等高速运 第二章逆变器的基本原理 算芯片也难以达成实时控制：一般要通过离线查表来完成控制。因此这种调制策 略主要应用在一些对输出电压调节要求不高的场合，如静止无功补偿器等。 2 2 2 空间矢量p w m 调制 多电平s v m 技术是常规的二电平电压空间矢量调制技术( s 旧在多电平变 流器上的扩展应用。常规的二电平s v m 技术是根据不同的开关组合方式，生成 八个电压空间矢量，其中六个为非零矢量，两个为零矢量；在空间旋转坐标系下， 对于任意时刻的矢量由相邻的两个非零矢量合成，通过在一个调制周期内对两个 非零矢量和零矢量的作用时间进行优化安排，得到p w m 输出波形。对于多电平 s v m 技术，其基本原理与二电平s v m 技术相似，只是开关组合的方式随着电平 数的增加而有所增加；其规律是对于m 电平变流器，其电压空间矢量的数目为 m 3 个，当然这些电平中有些在空间上是重合的。比如对于三电平变流器，其电 压空间矢量的数目为2 7 个，其中独立的电压空间矢量为1 9 个，一个零矢量，1 8 个非零矢量；同样的，在空间旋转坐标下，对于任意时刻的矢量由相邻的三个非 零矢量合成，在一个开关调制周期内对三个非零矢量与零矢量的作用时间进行优 化安排，得到p w m 输出波形。由于电平数与电压空间矢量的数目之间是立方关 系，所以多电平s v m 技术在电平数较高时受到很大限制；因此目前多电平s v m 技术的研究一般只限于五电平以下。 2 2 3 基于载波的p w m 调制技术 对于多电平交流器而言，由于其调制波和载波的数量不止一个，而且调制波 和载波又有若干个自由度( 如相位、频率、幅值等) ，根据这些不同的自由度组 合，研究者提出了不同的调制方法 2 2 - 2 ”。 1 载波相移p w m 调制 载波相移方式( c a r r i e r p h a s es h i f t ，c p s ) ，是指对载波相位自由度进行控制， 使相邻载波相移一定弧度。对于一个m 电平的变换器，每相采用m - 1 个具有相 同频率和相同峰峰值2 氏的三角载波与一个频率为f m 、幅值为a 。的正弦波调 制波信号进行比较，这i n 1 个三角载波信号对称分布于调制波信号零参考点的两 侧，并且依次相移2 ( m 1 ) 。在正弦波调制信号与三角载波信号相交的时刻， 如果调制波幅值大于载波信号，则开通相应的开关管；否则，关断开关管。该方 法的原理如图2 7 所示。 第二章逆变器的基本原理 j l 一 l 1 j i i y i 一 图2 7 载波相移p w m 调制技术示意图 2 载波交叠p w m 调制 载波交叠方式( c a r r i e r - o v e r l a p p i n g ，c o ) 与载波相移方式相比，调制波没 有任何变化，只是载波交叠方式是对载波垂直偏移量进行控制，载波相位取一致。 对于一个m 电平的变换器，每相采用m 1 个具有相同频率f c 和相同峰- 峰值氏 的三角载波与一个频率为f m 、幅值为a 。的正弦波调制波信号进行比较，m - 1 个 三角波在幅值上交叠a j 2 ，最上部的三角波载波的峰值与最下部三角载波谷点关 于零参考点对称。载波交叠p w i v i 调制实现方法如图2 8 所示。 图2 8 载波交叠p w m 调制技术示意图 3 开关频率优化p w m 调制 开关频率优化( s w i t c hf r e q u e n c yo p t i m a l ，s f o ) p w m 调制技术口8 2 9 1 是 一种改变调制波特性的方法，它在正弦调制波中注入了零序分量，对于一个三 相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以 1 4 第二章逆变嚣的基本原理 s f o s p w m 法的调制波是通常的三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。 该方法的原理如图2 9 所示。 图2 9 开关频率优化p w m 调制技术示意图 2 3单片机在电力电子中的应用及特点 自2 0 世纪5 0 年代末晶闸管问世，电力电子的新时代诞生以来，信息技术的 进步推动了电力电子技术的深入研究和广泛应用。近5 0 年间电力电子技术进步 和发展的历史进程有三大标志：电力半导体器件、高频化和软开关技术、电力电 子系统的集成技术。 然而，单片机却始终没有在电力电子的应用中扮演过重要的角色。其原因主 要如下。2 0 世纪8 0 年代单片机技术开始如火如荼地发展时，电力电子还没有走 到高频化时代，且半导体器件还相当昂贵。所以，根本不必要使用单片机作为电 力电子设备的控制单元。而当电力电子的技术日益成熟的时候，速度更快、功能 更强的数字信号处理单元d s p 诞生了。而当时，单片机的执行速度无法跟上电 力电子需要的高频化和复杂度。 到了今天，单片机以其低廉的成本，始终保持着与d s p 的竞争能力。而其 运算速度和功能也在日益提高与增强。目前很多单片机的速度已经是十年前的十 几倍甚至几十倍，并且集成了多路p w m 和a d c 单元。电力电子领域比起图像 处理等其他领域来说，毕竟运算量有限。因此，d s p 强大的运算功能并没有体现 出太大的优势。相反，单片机低廉的价格优势却开始显现出来。使用一块功能较 完善的单片机足以控制一个比较复杂的电力电子系统，而其价格只有d s p 的几 分之一。 第三章光伏逆变器的硬件实现 第三章光伏逆变器的硬件实现 3 1光伏逆变器的设计特点 3 1 1 光伏发电基本逆变方案 无论采用何种技术，逆变器的基本设计都很明确，且非常相似。其核心就是 将直流电压转换成交流电压的过程。所以，逆变器的关键部件是桥接开关，如图 3 1 a ，这个开关桥的一侧连接输入的直流电源，在另一侧连接交流电网。在工作 过程中，只有两个相对开关可以同时接通。 m 拿： i ，u i i刮业l 桥 一 + 7u r j业i 。桥一 h ：上竹j _ 一，、t忻 桥 图3 1 光伏逆变器的基本设计 如果将此开关桥的速度设置成与电网频率相同，则在理论上可以将桥的输出 侧与电网连接。但是，由于这样输出的电流是方波，且幅度没有变化，因此需要 在输出端安装一个具有铁芯的电感器，用以将输出电流控制成为正弦波形状。桥 的开断采用脉冲过程进行，从而形成与脉冲相关的较小电流分量。这样的电流分 量可以对电感器的电流进行控制。脉冲频率一般为1 0 - - 2 0 k h z ，这样就完全可 以形成5 0 h z 的电流，如图3 1 b 。 对于光伏逆变器来说，还有一个非常重要的设备不能遗漏：输入端的电容器， 如图3 1 c 。电容器的作用是储存电能，确保来自发电侧的电流持续一致供给桥接 1 6 第三章光伏逆变器的硬件实现 开关，并通过与电网频率同步变化的桥进入电网。只有在输入电容器的容量足够 大的情况下，才能够保证光伏发电系统的持续、正常运行。 图3 2 描述了可用于直接并网的逆变器的基本功能。但在实际应用中，输入 电压的范围具有一定的局限性。对于并网发电应用，其输入直流电压必须在任何 时刻都高于电网的峰值电压。当电网电压的有效值为2 2 0 v 时，达到正常并网要 求的发电源侧的最低电压应为3 1 1 v 。 与标准逆变器的基本设计不同，直接并网逆变器有很多方法来调整或提升输 入电压范围。常用的逆变器技术方案与结构有很多种： 图3 2 是太阳光伏发电站用逆变器的三种形式的主电路。图3 2 a 是工频变压 器形式主电路，采用工频变压器使输入与输出隔离，主电路和控制电路简单。直 流测输入电压可以选得比较低。但为了追求效率，减少空载损耗，工频变压器的 工作磁通密度选得比较低，因此重量大，约占逆变器的总重量的5 0 左右，逆 变器外形尺寸大，是最早的一种主电路形式。图3 2 b 是高频变压器形式主电路， 采用高频变压器使输入与输出隔离，体积小，重量轻。主电路分为高频逆变和工 频逆变两部分，比较复杂。是2 0 世纪9 0 年代比较流行的主电路方式。图3 2 c 是无变压器形式主电路，不采用变压器进行输入与输出隔离，只要采取适当措施， 同样可保证主电路和控制电路运行的安全性，体积最小，重量最轻，而且效率最 高，成本也较低。主电路包括升压部分和采用高频s p w m 的逆变部分，比工频 变压器形式主电路要复杂一些，但是适应输入直流电压范围宽，有利于与太阳能 电池进行匹配。尽管由于天气等因素使太阳电池输出电压发生变化，但是有了升 压电路部分，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。将成为今后主要的主电路方 式。 1 7 第三章光伏逆变器的硬件实现 t 采用工额变压器形式一 n 矿 m 1 畦j雨t b 采用高频变压嚣形式 p k 9 二、 y _ l 畦t 升压变压嚣 - c 采用无变压器形式 图3 2 最常用光伏并网逆变器电路 3 1 2 无变压器型光伏逆变器 变压器将电能转化成磁能，再将磁能转化成电能。在输入与输出端之间安装 的电气隔离装置导致的能量损失可达5 ，甚至更高。因此，无变压器型逆变器 的运行效率要比变压器型逆变器高。这种技术还有很多其他优点，例如材料消耗 少、重量轻等。 总而言之，无变压器型逆变器相对体积较小、重量较轻、价格也比较低，在 很多方面都比变压器型逆变器更具优势。虽然光伏发电站的运行和安全性都不需 要采用电气隔离措施，在设计直接并网的逆变器时还是应该考虑到一下几个方 面。 3 1 3 漏电电流与故障电流 在无变压器型的光伏并网逆变器中，光伏组件与公共电网是不隔离的。这将 导致光伏组件与电网电压连接。而大面积的太阳能电池组不可避免地与地之间存 在较大的分布电容。因此，会产生太阳能电池对地的漏电电流。 第三章光伏逆变器的硬件实现 下面以两种不同的逆变器为例。这两种逆变器的运行会在其电子部分产生与 时间相关的电势，他们的光伏组件对地电压也不同。第一种逆变器采用全桥结构， 加在光伏组件上的电压为电网电压有效值的一半。第二种逆变器采用半桥结构。 桥的中线直接连接在电网中线上。这样的结果就是产生的对地电压只是5 0 h z 的 低电压值，其分量只是电网电压很小的一部分，只相当于变压器拓扑结构中的电 压纹波。 l 5 ：t l 7 f i 上 医司 l：! 图3 3 光伏电池组对地电压 因此，在逆变器容量比较大，也就是光伏电池组面积比较大的时候，利用半 桥的逆变方式，可以大