（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的光伏并网逆变器的开发研究(1).pdf

a b s t r a c t g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c ( p v ) s y s t e mc a l lc o n v e r tt h es o l a re n e r g yt oe l e c t r i c e n e r g yw h i c hi st r a n s m i t t e dt ot h ep u b l i cp o w e rg r i d t os o m ee x t e n t ，i te a s e st h e t e n s i o no fc u r r e n tp o w e rr e s o u r c e sa n dt h ea g g r a v a t i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n i t w i l lb et h em a j o rt r e n do ft h ef u t u r ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n w i t hh i l g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i p ( d s p ) w i d e l ya p p l i e d ，i t b e c o m e sp o s s i b l et h a ts o m ea d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g ya p p l i e st og r d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i ci n v e r t e r i nt h i sp a p e r , g r i d - c o n n e c t e dp vi n v e r t e rw h i c hi st h ec o r e d e v i c e si ng r i d c o n n e c t e dp vs y s t e mh a sb e e ni nd e p t hr e s e a r c h t h a tw i l lh a v et h e i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p m e n t s t a t u so fg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l m i cs y s t e m a n a l y s i so ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e g r i d - c o n n e c t e di n v e r t e rw i t ho r d i n a r yi n v e r t e ro nt h es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yh a s b e e nd o n e t h ea r t i c l ef o c u so no u t p u tc u r r e n tc o n t r o lm e t h o do ft h eg r i di n v e r t e r , w h i c hi n c l u d e sc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sc u r r e n tv a l u e f e e d b a c ka n db a s e do nc a r r i e rt e c h n o l o g y t h er e l a t e ds i m u l i n ke x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n ew i t ht h em a t l a b s i m u l i n kp l a t f o r mf o rt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h ed i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d s s e c o n d l y , t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h em 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 ) a n dr e l a t e dp r o t e c t i o n a n dt h e np r e l i m i n a r ys t u d i e sa b o u tt h er e l e v a n t p r i n c i p l e sa n di t ss o l u t i o n sh a v eb e e nd o n e f i n a l l y , t h ef r e q u e n c yt r a n s f o r m e rw i t has i n g l e - s t a g eo ff u l lb r i d g es t r u c t u r eh a s b e e na p p l i e db a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hw o r ka n dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e p r o t o t y p ew i t h10 0 wp o w e rb a s e do nd s pd i g i t a lc o n t r o li sd e v e l o p e df o rv e r i f y i n g t h eg r i d c o n n e c t e dc o n t r o lm e t h o d s t h ep r o t o t y p ec a nr e a l i z eg r i d - c o n n e c tc o n t r o l a n di s l a n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e c i r c u i ta n dc o n t r o lm e t h o dc a ns a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta n dt h es y s t e mc a l lb e s a f e l ya n ds t a b l yo p e r a t e d k e yw o r d s ：s o l a rp h o t o v o l t a i cg e n e r a t o r , g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r , c u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o l ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盎苤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了谢意。 学位论文作者签名： 澎戈 签字日期v 口7 年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘芏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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：w 贰 签字日期：p 口7 年月j 日 导师签名：并矽爹 矿i 一” i 签字嗍：7 吖日 第一章绪论 1 1 光伏并网发电的意义 第一章绪论 随着石油、天然气和煤炭等传统能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面 前。在2 l 世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为3 9 9 年，天然气可采量为6 1 年，煤炭可采量为2 2 7 年。可见，传统能源的可开采量 已经是屈指可数了。 从环境角度来看，化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境 污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类赖 以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。 我国正处于经济建设、快速发展的重要时期。随着现代工业发展，能源危机 及其产生的环境问题已严重制约了我国经济快速增长。寻求提高能源效率和改善 能源结构的措施已受到越来越多的重视，加大对可再生能源的开发利用力度已成 为各国的共识。光能是可再生能源中最有发展前途的能源之一，具有高效、无污 染、用之不尽的优点，对其的开发研究已成为国内外科研院所的重点课题。 近年来，电力系统的负荷增长迅速，社会对电力系统的质量和可靠性的要求 越来越高，传统的集中式单一供电方式逐渐暴露出投资大、灵活性差、事故影响 范围大等弊端。分布式发电作为一种新型的很有前景的发电方式，越来越受到人 们的关注【1 翻。 以光伏发电为首的可再生能源分布式发电技术很好地解决了边远地区的供 电问题，缓解了现有电力系统供应总是无法满足峰荷需求的问题，成为了现有电 力供应的很好的补充方式，具有巨大的发展潜力。加大光伏发电的科研投入将是 能源充分利用的发展趋势，对我国的可持续发展战略具有重大的意义。 1 2 国内外光伏发电现状 1 2 1 国外光伏发电现状 国外对太阳能资源已经十分重视。2 0 世纪7 0 年代以来，鉴于常规能源供给 的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能等可再生能源开发 利用的热潮【3 ，4 】。 第一章绪论 进入2 1 世纪来太阳能光伏产业正在世界范围内以惊人的速度增长，年均增 长率高达3 6 6 ，2 0 1 0 年全球光伏发电并网装机容量将达到1 5 g w ，届时仍不到 全球发电总装机容量的1 。西方一些发达国家纷纷出台有关政策、法规来扶持 光伏并网产业。2 0 世纪8 0 年代，美国建成抛物面槽太阳能发电站，俄罗斯、澳 大利亚、瑞士也相继建立了太阳能发电厂，1 9 9 2 年日本太阳能发电系统和电力 公司电网联网，2 0 0 0 年有7 万家庭安装了太阳能家庭发电设备。早在1 9 9 0 年德 国首先开始实施“一千个太阳能屋顶计划，在居民住宅屋顶上安装光伏系统， 1 9 9 8 年进一步提出了l o 万套屋顶太阳能发电系统的计划，项目结束时共安装 1 5 k w 的屋顶太阳能并网发电系统2 0 5 6 套，平均容量为3 k w ，并且预计到2 0 5 0 年德国消耗的能量半数将来自太阳能。日本政府1 9 9 4 年开始实施“朝日七年计 划”，总容量1 8 5 m w ，1 9 9 7 年又宣布实施“七万屋顶计划”，总容量2 8 0 m w 。 意大利1 9 9 8 年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量5 0 m w 。英国的可再生能源 法甚至立法要求可再生能源发电必须以一定比例贡献于电力发电，其重视程度可 见一斑。在这类系统中，规模最大的是1 9 9 7 年6 月美国宣布的“百万太阳能屋 顶计划，到2 0 1 0 年将安装1 0 1 4 万套光电系统，总容量为3 0 2 5 m w 。美国能源 部预测，在今后十年内世界太阳能电池销售量将以3 0 的速度增长，在2 0 1 0 年 将达到4 6 g w ，累计容量将达到2 0 g w 。 发展中国家也在积极发展利用太阳能。印度于1 9 9 7 年1 2 月宣布推广1 5 0 万 套太阳能屋顶光伏系统，1 9 9 9 年菲律宾政府就批准实施了首个太阳能计划，这 是在澳大利亚政府“海外援助计划”的援助下，在全国2 6 0 多个社区安装1 0 0 0 个太阳能系统。目前菲律宾政府正在推行另一个太阳能应用计划，整个计划将耗 资4 8 0 0 万美元。 按美国国家可再生能源实验室( n r e l ) 的估计，到2 0 1 0 年太阳能发电电价 将可与常见能源电价相当。到下世纪中叶，太阳能发电量将占世界总发电量的 1 5 2 0 ，必将超过核电成为人类的基本能源之一。 1 2 2 国内光伏发电现状 我国近年来也已开始进行试点和示范。屋顶光伏发电系统刚刚起步，深圳和 北京分别安装了1 7 k w 和7 k w 的太阳能屋顶发电系统。我国在光伏发电的研究、 开发、生产、应用等方面都与发达国家有很大的差距，也存在不少问题。然而国 内对光伏并网发电非常重视，在政策法规以及相关投入都做了许多工作。 第一章绪论 我国2 0 0 5 年2 月2 8 日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通 过中华人民共和国可再生能源法，并与2 0 0 6 年1 月1 日起正式实施。这极大 促进了我国包括太阳能在内的可再生能源的发展。 2 0 0 8 年我国北京举办的奥运会，国家体育场“鸟巢在1 2 个主通道上方安 装了总装机容量1 3 0 千瓦的太阳能光伏发电系统，具有世界先进水平的太阳能光 伏发电系统，对奥运场馆电力供应将起到良好的补充作用。 继敦煌市雅丹国家地质公园景区光电1o o 千瓦、风力发电1 0 0 千瓦的风光互 补发电站之后，现在敦煌1 0 兆瓦光伏并网发电项目进展顺利，它们都为敦煌的 经济社会发展产生积极而深远影响。 今年即将竣工的石林6 6 万千瓦太阳能光伏并网发电试验示范电站项目将建 成为我国最大、亚洲第一的太阳能光伏并网发电站。 2 0 0 9 年4 月1 6 日，国内首座大型太阳能光伏高压并网电站在青海省西宁市 举行竣工典礼并运行发电，这标志着青海省太阳能光伏发电并入城市电网技术达 到了国际先进水平。安装太阳能电池组件3 0 0 千瓦，年发电量可达4 5 万千瓦时， 为今后大规模开展荒漠化光伏并网发电，开拓该省在光伏与建筑一体化并网发电 应用奠定了坚实的理论和技术基础。 合肥阳光电源将为2 0 10 在上海举行的世博会完成世博会园区主体建筑 中国馆和主题馆的3 m w 光伏并网发电系统，是中国目前在建的最大的光伏并网 发电项目，也是最大的光伏建筑一体化项目。 最近几年，太阳能并网发电技术在我国经历了飞速发展的历程。但由于它的 原料、市场甚至设备都严重依靠国际市场，自2 0 0 8 年国内大部分光伏企业都成 为金融危机的重灾区。国内众多光伏产业、组件企业陷入并购潮和倒闭潮。中投 顾问产业研究部最新数据显示，截止目前我国已有3 5 0 家光伏产业、组件企业倒 闭歇业，幸存者只剩下约5 0 家。尽管如此，太阳能发电技术的应用依然是国家 今后重点支持建设的方向。随着国内光伏产业发展政策的出台和市场的发展，我 国的光伏产业必将得到快速复苏和发展起来。 根据专家的测算，到2 0 1 0 年我国并网光伏发电安装量占光伏发电的2 0 ， 从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年，我国光伏发电将会由独立发电系统转向并网发电系统，包 括沙漠电站和城市屋顶发电系统。 1 3 光伏发电系统简介 光伏发电是指利用光伏电池将太阳能辐射能量转化为电能的直接发电方式。 太阳能光伏发电系统根据负载是直流还是交流，以及是否与电网相联等可以有多 第一章绪论 种多样的形式。根据是否联接电网，太阳能光伏发电系统主要有独立运行和并网 运行两种运行方式【5 l 。 未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为独立光伏发电系统。如图 1 1 ，由于负载只能由太阳能光伏发电系统供电，且太阳能电池阵列的输出性能 受诸如日照强度、温度等气象条件的影响，因此系统需要蓄电池来维持负载稳定 运行。它主要应用于远离公共电网的无电地区和公共电网难以覆盖的边远偏僻农 村、牧区、海岛、荒漠等。 图1 1 独立光伏发电系统 与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。如图1 2 ， 系统中逆变器需要具有同电网连接的功能，能够将光能转换后的电能向电网输 送，并使其对电网的影响降至最低，主要用于缓解电力压力，提高电网负荷能力 和稳定性。光伏并网系统按其规模又可分为大型光伏并网发电系统和屋顶光伏并 网发电系统。前者主要是建立在全年日照时间长，太阳能资源丰富的地区，实现 大功率的光伏发电与电能传送；后者将系统安置于居民住宅、学校、公共场所等 建筑的屋顶，满足家庭、公共场所的供电需求，当白天电能富余时，能将电能向 电网输送，实现能源的充分利用。 图1 2 并网光伏发电系统 随着电力紧张、环境污染等问题的日趋严重，与公共电网并网运行的太阳能 光伏发电系统已显出越来越强的竞争力。一般来说，并网运行的光伏发电系统省 去了独立光伏系统的蓄电池或其他储能环节，这不仅可节省投资，使太阳能光伏 系统的成本大大降低，有利于太阳能光伏系统的普及，而且可以省去蓄电池的维 护、维修等费用，所以该系统是一个十分经济的系统。目前，这种不带蓄电池、 能够并网发电的屋顶太阳能光伏发电系统正得到越来越广泛的应用。 一4 一 第一章绪论 根据是否采用储能装置( 如蓄电池) ，光伏并网发电系统分为可调度式并网系 统和不可调度式并网系统。 旧一一l 、l i i n i i d c d cd c ，d c 负 帽一 变换器变换器 载 - r - l l i l i j 光伏阵列 ( a ) 不可调度式光伏并网系统 需i 乜池 l- d c d c 上 d c ，d c 变换器变换器 t 电网 电网 可调度式光伏并网系统 图1 3 光伏并网系统 可调度式并网系统如图1 - 3 0 ) 采用蓄电池来储存电能，在夜间或光线不强情 况下系统依然可以运行并提供不问断电能，具有更大的灵活性和能量的利用率； 通过合适的控制，可调度式系统不仅可以向电网提供有功功率，还可以兼有源滤 波器的功能，能够补偿电网的无功分量以及高次谐波分量，提高电能质量，这就 更容易被电力部门作为电力调峰使用。然而蓄电池的引用增加了系统成本和维修 成本，甚至产生环境污染问题；同时为了实现能量的充分利用，需要采用合适的 蓄电池充放电控制器。 不可调度式并网系统如图1 3 ( b ) 不需要体积庞大、价格高、不易维护的蓄电 池组，可作为分布式发电电源应用。不可调度式光伏并网发电系统的集成度高， 其安装和调试相对方便，系统设计、旌工成本均大幅下降，可靠性也高。目前的 光伏并网系统主要以不可调度式系统为主。本文所述光伏并网系统也是指不可调 度式光伏并网系统。 国内外对光伏发电系统的应用研究，一是对光伏电池的开发、性能提升，探 索高性能，造价低的新型光电转换材料与器件，隶属电子材料学领域；二是并网 运行时光伏电池的最大功率点跟踪m 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 ) ，这包 括光伏电池的输出控制以及光伏阵列的太阳光跟踪；三是优化逆变器结构和控制 算法，得到较高的转换效率，较高的输出电能质量：四是减少光伏发电系统自身 的损耗，提高运行效率，降低成本，提高系统的可靠性、安全性、稳定性。 太阳能光伏发电系统中使用的逆变器是一种将太阳能电池所产生的直流电 第一章绪论 能转换成交流电能的转换装置，并使转换后的交流电的电压、频率与电力系统向 负载提供的交流电的电压、频率致。并网逆变器作为光伏并网发电系统的重要 部分，其设计的优劣直接影响系统的效率、功率损耗、设备容量以及系统成本。 它是影响光伏发电系统经济、可靠、运行的关键环节，研究其结构和控制方法对 于提高系统效率，优化电能输出质量，降低成本具有重要意义。 国外光伏逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，欧洲市场就有s m a 、 f r o n i u s 、s p u t n i k 、s u n p o w e r 和s i e m e n s 等众多的公司具有相关产品。除欧洲外， 美国、加拿大、澳大利亚、新西兰及日本在光伏逆变器方面也已经实现产品化。 上述的国外光伏逆变器产品的功率主要为几百瓦到几千瓦的范围，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。 我国光伏逆变器仍处于起步阶段，技术水平相对国外仍有定的差距。合肥 工业大学能源研究所、浙江大学、上海交通大学、中科院电工研究所等单位在这 一方面也进行了相关研究；除此之外，合肥阳光、北京索英电气和南京格瑞等公 司也推出了适合光伏并网系统用的市场化的并网逆变器。总的来说，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。 光伏并网发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用，目前所建光 伏并网发电系统大都为示范工程。光伏并网发电系统的核心并网逆变器主要依赖 进口或者合作研究的方式获得，导致光伏并网发电系统造价高、依赖性强，从而 制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。因此掌握并网逆变器关键技术对 推广光伏并网发电系统有着至关重要的作用。本文就是基于并网逆变器进行相关 研究和实验。 1 4 本文的主要内容 本文就目前广泛应用于光伏并网发电系统中的并网逆变器进行了分析研究， 包括其拓扑结构、并网控制技术。简要分析了m p p t 算法和并网保护。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 介绍了日前我国太阳能光伏并网发电技术的现状，并阐述了不同场合的 光伏并网系统及其相关技术。 ( 2 ) 在分析并网逆变器拓扑、原理的基础上，着重研究和比较了并网逆变控 制技术及实现方式，并就其理论可行性进行了相关仿真验证。 ( 3 ) 简要介绍了目前应用较多的并网逆变器m p p t 控制技术、系统保护和防 第一章绪论 孤岛保护。 ( 4 ) 设计并研制了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的1 0 0 w 单相并网逆变器样机，通过 实验验证并网控制技术，并对样机进行试验和分析。 第二章并网逆变器的结构和原理 第二章并网逆变器的结构和原理 并网逆变器是并网光伏发电系统的核心部件和技术关键。除了将光伏阵列发 出的直流电转换为交流电，与普通逆变器不同的是，并网逆变器还需对转换的交 流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、电能品质( 电压波动、高次谐波) 等进行控制，使转换后的交流电的电压、频率与电网交流电的电压、频率一致。 一般来说，并网逆变器具有如下功能【6 j ： ( 1 ) 自动开关。根据日出到日落的日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率的 潜力，在此范围内实现自动开始和停止。 ( 2 ) 最大功率跟踪( m p p t ) 控制。在不同的外界温度和太阳光照强度条件下， 使光伏阵列尽量保持最大功率输出的工作状态。 ( 3 ) 并网时抑制高次谐波电流流入电网，减少对电网的影响。 ( 4 ) 防止孤岛运行。系统所在地发生停电，但由于光伏发电继续供电，逆变 器的输出电压并未变动。此时，就不能正常检测出是否停电，一旦再恢复来电， 就有可能造成事故，这种情况称为孤岛运行。为保护设备维修人员不受到伤害， 并网逆变器需要具备此功能。 ( 5 ) 自动电压调整。由于大量的太阳能光伏系统与电网相联，晴天时太阳能 光伏系统的剩余电能会同时送往电网，使电网的电压上升，导致供电质量下降。 为保持电网的电压正常，运转过程中要能够自动防止并网逆变器输出电压上升。 但对于小容量的太阳能光伏系统来说，几乎不会引起电压上升，所以一般省去此 功能。 ( 6 ) 异常情况排解与停止运行。当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及 时查出异常，控制逆变器停止运转。 2 1 并网逆变器的结构和原理 光伏并网发电系统中，逆变器作为太阳能光伏阵列和电网的连接部分，在不 同的应用场合，根据太阳能光伏阵列的输出电流、电压和功率等级和并网需求可 以采用多种逆变器的连接方式l ，j 。总的来说，有下面三种应用方式： ( 1 ) 集中逆变器。如图2 1 ( a ) ，多组串联的光伏组件并联后再接在逆变器的 直流输入侧，再通过逆变器变换为交流电并入单相或三相电网。由于只有一个逆 变器，系统设计成本低。但是光伏组件的输出不平衡使系统损耗较多，此外单逆 第二章并网逆变器的结构和原理 变器结构使系统可靠性下降。它主要应用于大规模的沙漠光伏电站。 | i i l | | l l l | i l l i l l l 一一l i l l l l l l 叠i i | 鐾i i t 羹l l i | l i i | | - l l | | l l l | i l i i i l 一一i i l - | i l l | | l l i i | i l - ( a ) 集中逆变器 嘶l i 誊氡霭。 厂h i l l 一, 1 1 1 | 一i l l 一 羹i i | 量i l it l i i ；ii 磐电网 d c 舱cl 冗 ( b ) 组串逆变器 瓣，痢厩瓣 j i - i |j - i l |i i i j 墼黾帅曩l u x 岳；习岳夏ae i 习组件逆变器 电网 r illdcac 脚7i 电嘲 l l i |羹i l | l d c ，a c ii ( c ) 组件逆变器( a c 光伏模块) 图2 1 光伏并网发电系统中的逆变器 ( 2 ) 组串逆变器。如图2 1 ( b ) ，光伏组件被连接成为几个相互平行的组串， 每个组串都单独连接一台逆变器，故称为“组串逆变器”。各光伏组串之间没有 在直流侧进行并接，而是在交流侧与电网并接。每个组串逆变器均具有独立的最 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部分 阴影带来的损耗，增加了发电量。它主要应用于中大型光伏电站、较大型户用屋 顶并网发电和城市分布式发电系统。 ( 3 ) 组件逆变器( a c 光伏模块) 。如图2 1 ( c ) ，每个组件连接一台逆变器， 交流侧并入低压电网，并对各个组件实现最大功率跟踪控制，增加了逆变器对组 件的匹配性，同时模块化结构也增加了系统的可扩展性。然而过多的逆变器使系 器，j 鬻二一 目田 嬲曲 第二章并网逆变器的结构和原理 统整体效率降低。它主要应用于小型光伏发电。 并网逆变器拓扑结构和控制策略均很重要，它们关系着逆变器的效率、成本、 安全性以及可靠性。通常，并网逆变器主要由逆变器和并网保护装置两部分构成， 如图2 2 所示。 图2 - 2 并网逆变器结构图 逆变器一般包括三部分： 逆变部分：其功能是采用功率开关器件实现d c a c 逆变。有的逆变器为了 提高直流侧的电压范围和m p p t 控制采用了多级的逆变结构； 控制部分：其功能是控制整个逆变器工作； 保护部分：其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。 并网保护装置是一种安全装置，用于对电网频率上下波动、电网电压和电网 停电的检测。通过检测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网 断开，以确保安全。它一般装设在逆变器中，但也有单独设置的。 为了防止太阳能光伏阵列的直流电流向电力系统的配电线，给电力系统造成 不良影响，在并网逆变器中一般设有绝缘变压器将直流电与交流电分开。绝缘变 压器可以设置在逆变器与电网配线之间，也可采用在逆变器的功率转换部分设置 内藏方式。基于并网安全性的考虑，部分国家强制要求并网逆变器与电网绝缘隔 离。根据采用的绝缘隔离方式，并网逆变器电路结构通常分为以下三种峭j ： ( a ) i 频变压器绝缘方式 同 第二章并网逆变器的结构和原理 高频变压器 ( b ) 高频变压器绝缘方式 ( c ) 无变压器绝缘方式 图2 3 并网逆变器电路结构 1 ) m 频变压器绝缘 图2 - 3 ( a ) 所示是工频变压器绝缘方式主电路。该电路将光伏阵列的直流输出 逆变为交流电后，通过工频变压器实现并网。其中采用工频变压器使输入和输出 绝缘，主电路和控制电路简单。为了追求效率、减少空载损耗，工频变压器的工 作磁通密度选的比较低，因此质量和体积较大，约占逆变器的总质量的5 0 左右， 该结构是最早的一种主电路形式，现在它的应用已经越来越少。 2 ) 高频变压器绝缘 图2 3 ( b ) 所示是高频变压器绝缘方式主电路。该电路由太阳能光伏阵列直流 输入，经过高频逆变器转换成高频交流电压，经高频变压器变换电压后，再经整 流电路转换成直流电，最终经过逆变器输出工频交流电。其中采用了高频链接的 d c d c 变换电路，所以可使装置小型化、可集成化、重量轻。与工频变压器绝 缘方式相比，电路构成、控制方式均比较复杂，由于经过两级转换，所以系统的 效率也有所下降。该结构是2 0 世纪9 0 年代比较主流的主电路结构。 3 ) 无变压器绝缘 图2 - 3 ( c ) 是无变压器绝缘方式的主电路。光伏阵列的直流输出经过升压斩波 器升压至合适的电压值，再通过逆变实现交流输出。其中升压d c d c 部分可以 适应较宽的直流电压范围，有利于光伏阵列实现最大功率输出，同时保证了逆变 部分输出电流相对稳定。 与变压器绝缘方式相比，由于无隔离变压器的绝缘方式除了具有体积小、质 量轻的特点外，还具有效率高、成本较低的特点。虽然没有采用变压器进行输入 和输出绝缘，但是只要采用适当措施，同样可保证主电路和控制电路运行的安全 性。它已成为目前主流的并网逆变器主电路结构。 对于无变压器结构的逆变器，由于输出电流的直流成分很可能给电网侧设备 第二章并网逆变器的结构和原理 的变压器造成影响；此外当太阳能阵列的直流部分对地电位发生变动时，有可能 通过太阳能阵列的寄生电容而发生漏电。因此为了使无变压器结构的逆变器安全 运行，必须采取一定的措施【叫： ( 1 ) 由于无变压器形式主电路没有变压器对输入和输出绝缘，因此太阳能光 伏阵列的正极或负极不能直接接地。系统的接地点应在交流输出的单相三线制中 性点。另外，由于太阳能阵列面积较大，对地有等效电容存在( 正极等效电容和 负极等效电容) ，该电容的充、放电会对电路的正常工作造成影响。当其低频部 分达到漏电流的保护阈值时，漏电流保护开关会切断供电电源，造成断电事故； 其高频部分产生的电磁干扰会影响其他用电设备的正常工作。等效对地电容充放 电电流的低频部分的影响可以通过控制逆变器变换方式来消除；高频部分的影响 可以由滤波的方式来消除。 ( 2 ) 为了防止太阳能光伏阵列接地造成主电路损坏，还应增设接地保护电 路。在系统运行过程中，应通过零序互感器来检测太阳能阵列的正、负极的接地 电流。正常情况下，正、负极的接地电流应基本平衡，若不平衡电流值超过接地 保护电路的阈值，说明光伏阵列的正极或负极有可能接地，此时，接地保护电路 动作，切断逆变器的输出，系统停止工作。 为了保证并网电能质量，并网逆变器一般采用脉宽调制( p w m ) 型逆变器，而 不采用方波、阶梯逆变器【l o , 1 1 。p w m 型逆变器的优点是输出波形基本为正弦波， 只有少量的谐波含量，这就对通讯设备干扰小，整机效率高。随着电力电子技术 的进步，p w m 技术的普及和成熟应用，p w m 型逆变器逐渐成为逆变器的主流 产品。 根据输入的不同，逆变器分为电流型和电压型两种逆变器。电流型逆变器直 流电路串联了直流电感，输出是交流电流，构成逆变器高阻抗的电流源特性，提 供稳定的直流电流输入，但是串入大电感往往会导致系统动态特性变差，大电流 的直流电感也将使使成本和体积增大。此外，电流源逆变器的直流输入电源为电 流源，但是当负载过载或短路时，其功率开关管的直流上升率会很大，要求有快 速的过流和短路保护，否则可靠性会大大下降。 电压源型逆变器是采用电容作为储能元件，在直流输入侧并联大电容用来缓 冲无功功率，构成逆变器低阻抗的电源内阻特性，即电压源特性。目前大部分商 品化的并网逆变器均采用电压源输入。 2 2 并网控制方式 根据并网逆变器输出控制方式，逆变器与电网并网运行的输出控制方式可分 第二章并网逆变器的结构和原理 为输出电压控制和输出电流控制两种。输出电压控制方式对逆变器输出电压进行 开环或闭环控制，使逆变器输出与电网电压同频同相的交流电压。整个逆变器相 当于一个内阻很小的受控电压源。然而这种输出电压并网控制方式并网时可看成 并联于容量可视为无穷大的电网，两者并联运行，如果要求保证并网的稳定运行， 就必须严格控制使得逆变器输出电压的幅值、频率和相位与电网完全一致，否则 可能出现换流等问题。输出电流控制方式对逆变器输出电流进行控制，使得逆变 器输出与电网电压同频同相的交流电流，实现单功率因数并网发电。 实际中，由于锁相环节响应较慢、逆变器输出电压不易精确控制和可能出现 环流等问题 1 2 - 1 4 】，输出电压控制的逆变器在独立光伏发电系统中应用较多，很少 用于并网光伏系统。目前，市场化的并网逆变器大多采用输出电流控制的并网逆 变列1 5 _ 1 7 1 。 图2 4 输出电流控制型逆变器 j c o l i 图2 5 逆变器矢量关系图 图2 4 所示为输出电流控制型全桥逆变器的基本电路，c 是直流侧支撑电容， 相当于电压源，l 是交流侧电感，起平滑滤波的作用。图2 5 所示的向量图表示 了逆变器输出电压u 船，电网电压u 5 ，并网电流几之间的关系为： = u s + j c o l i l ( 2 - 1 ) 式中c o 为电网电压角频率。图2 - 5 中，逆变器的输出电流和电网电压始终同 相，电感的压降比输出电流始终超前9 0 。相位。逆变器的输出功率尸为： p = 以t = u 吼i c o l = 职u , 4 占s i n 0 c o l ( 2 2 ) 第二章并网逆变器的结构和原理 故如果控制u s 和阮口的相位角0 和以口幅值，就可以控制输出功率。 本文仅就输出电流控制方式进行研究和分析。电流控制型的并网逆变器需要 使得逆变器输出电流为正弦波，且其频率和相位与电网电压的一致，实现单功率 因数并网。故并网控制实质就是使逆变器实际输出电流跟踪和电网电压同频同相 的正弦波指令信号。电流跟踪控制方式有很多 1 8 - 2 1 】，下面介绍几种常用的如图 2 - 6 所示的电流控制型并网控制方式。 瞬时滞环比较控制方式 定时比较控制方式 两- - - 态, 态, 。d p p m m f 双极性p w m 三角波比较控制方式 单极性非倍频p w m l 单极性倍频p w m 图2 - 6 常用的电流跟踪并网控制方式 2 2 1 瞬时值滞环比较控制方式 z 。 ，八 图2 7 瞬时值滞环比较控制方式示意图 如图2 7 ，该控制方法将指令电流f 。和实际并网电流i 进行比较，两者的偏 差f 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生p w m 控制信号，通过滞环 宽度为2 矗的滞环比较器的控制，使并网电流i 在f 、矗和f 一j j i 的范围内，呈锯齿 状地跟踪指令电流i 。 该控制方法中，滞环宽度2 是影响输出跟踪性能的重要参数。过小的环宽 将导致系统频繁的动作，开关频率较高，开关损耗增大，由于采样电路的不够准 确甚至产生误操作，同时过于频繁的开通、关断信号会对其他器件造成干扰。环 宽过大又将使开关频率降低，跟踪误差较大，输出波形高次谐波含量较大。 瞬时值滞环比较控制方式不需要载波发生电路，电路实现简单，输出波形的 跟踪误差范围固定，输出的响应速度较快；然而滞环的引入将导致输出电流不含 有特定次数的谐波，频谱较宽，这就增加了输出滤波器设计的难度。该控制方式 第二章并网逆变器的结构和原理 一般采用硬件电路来实现。 2 2 2 定时比较控制方式 时钟信号 图2 8 定时比较控制方式示意图 如图2 8 所示，该控制方式使用了由时钟定时控制的比较器。以固定的周期 间隔对指令电流f 和实际并网电流i 比较，并根据二者偏差f 的极性来控制逆 变器开关器件的通断，使得p w m 信号至少一个时钟周期才会变化一次。 该控制方式可以避免功率器件开关频率过高，功率器件的最高开关频率为时 钟频率的1 2 ；它的不足之处在于电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度要 低一些。时钟信号的频率将影响整个控制方式的精度。 该控制方式可由离散脉冲调制( d p m ) 来实现【2 2 1 。功率开关器件的开关状态变 化只发生在周期性脉冲信号到达时，也就是说开关点在时间轴上是离散的，故称 为“离散脉冲调制”。针对全桥逆变电路，可衍生出三态d p m 和两态d p m 电流 滞环跟踪控制方式。 图2 - 9 三态d p m 电流滞环跟踪控制方式 三态d p m 电流滞环跟踪控制方式如图2 - 9 ，检测滤波并网电流i l ，l 与给定 电流0 相比较，根据两个电流瞬时值之差来决定单相逆变桥的4 个开关在下一个 开关周期中的导通情况。并网电流t 在滞环宽度2 j i i 误差范围内跟踪给定电流f ， 变化，并且输出调制的控制规律为： 一屯确时，+ 1 状态：令t l 、t 4 导通，则乩户+ e ，t 增大； 第二章并网逆变器的结构和原理 一屯 一 时，一l 状态：令t 2 、t 3 导通，则u 彳b = - - e ，红减小； l 一红i 锄时，0 状态：t l 、t 3 或t 2 、t 4 导通，u a b = o 。 在下节的仿真和实验表明，豇正半周，逆变器基本上在+ 1 和0 状态间切换， 而豇负半周，逆变器基本上在一1 和0 状态间切换，只有屯过零点附近才有少量 的+ l 和一l 之间的状态跳变，从而使输出脉动减小。 三态d p m 电流滞环跟踪控制方式借鉴了全桥逆变电路的单极性s p w m 调制 方法。相应的，借鉴逆变器的双极性p w m 调制方式可得到两态d p m 电流滞环 跟踪控制方式，如图2 一1 0 所示。 图2 - 1 0 两态d p m 电流滞环跟踪控制方式 f ，一屯蝴时，+ 1 状态：令t 1 、t 4 导通，则旷+ e ，豇增大； 厶一赴 一j i l 时，一l 状态：令t 2 、t 3 导通，则巩严一e ，i 减小； i f ，一屯i l l 。时，令t l 、t 4 导通，t 2 、t 3 美断，则旷+ ，并网电流增大。 辫一 揪 第二章并两逆变器的结构和原理 当“。 t g 。时，令t 2 、t 3 导通，t l 、t 4 关断，则乩广一，并网电流减少。 在整个周期内输出调制波幅值只有仉两种电平。采用双极性p w m 的三角 波比较控制方式能够使并网电流跟踪指令电流。 “ 唯一 d 争吐l 丁丌t - 一 图2 - 13 采用单极性非倍频p w m 的三角波比较控制方式 采用单极性非倍额p w m 的三角被比较控制方式如图2 一1 3 ，圈中指令电流i 和实际并网电流i 的进行比较，两者的偏差l 经放大器a 后得到信号波u e ，对 该误差信号“。进行双极性p w m 跟踪控制。t l 和t 2 通断互补，t 3 和t 4 通断也 互补。其控制规律为： 在“，正半周时，令t 1 保持导通，t 2 保持关断。 当妒蜥时，夸t 4 导通，t 3 关断，则乩f 卜u a ，并网电流增大。 当“f 时，令t 3 导通，t 4 关断，则巩庐0 ，并网电流减少。 在“。负半周时，令t 2 保持导通，t 1 保持关断。 当u e u c 时令t 4 导通t 3 关断，则u a s = o ，并网电流增大。 在整个周期内输出调制波幅僮有和0 三种电平。t 1 ，t 2 的开关频率为 * 频率的一半，故其开关损耗有所减少。 。一 第二章并网逆变器的结构和原理 及撇粥、一 班￥始￥义v飞u舢 岫 妒 一 _ 一 j ， _ _ l l 图2 1 4 采用单极性倍频p w m 的三角波比较控制方式 采用单极性倍频p w m 的三角波比较控制方式是把一个单相全桥逆变器分 解成两个单相半桥逆变器，然后分别对其进行双极性p w m 控制，最终使全桥逆 变器的观丑达到倍频效果。图2 1 4 所示为单极性倍频p w m 电流跟踪控制方法。 t 1 和t 2 通断互补，t 3 和t 4 通断也互补，其中n 点为直流侧电压的中点。其 控制规律为g 误差信号u 。与载波u 。交点产生驱动信号控制t 1 、t 2 ： 当“户时，t 1 导通，t 2 截止，u a r = u a 2 ： 当u e 一阮时，t 3 导通，t 4 截止，庐u a 2 ； 当u e 一“。时，t 3 截止，t 4 导通，= 一u a 2 。 此时，矾占可表示为u , n = u a n - u b ，。由图2 - 1 4 可见，b 的频率较 “现们 显然提高了一倍。 由于双极性p w m 电流跟踪控制得到的输出电流变化率比较大，对外界的干 扰较强。单极性p w m 电流跟踪控制能使逆变器输出电压在个正弦波半周内始 第二章并网逆交器的结构和原理 终为一个极性，输出逆变电压有零电压的过渡，这有利于减小输出电流脉动和谐 波含量，减少对外部的干扰。单极性倍频p w m 的电流跟踪控制能使输出电流的 谐波次数更高，对外部设备的谐波干扰减小，这也使输出滤波器的体积和重量大 大减小。 前面提到的三种方法都是以并网电流和指令电流对比得到的误差电流为依 据，经过三角波或滞环比较的方式得到p w m 波来控制全桥逆变电路。显然，p w m 波的产生是基于误差电流的存在，这将不利于获得并网效果；此外，电网电压的 波动对输出电流的变化是个干扰因素。因此，并网控制可以采用电网电压前馈补 偿的改进型控制算法【2 4 】。 针对在三角波比较方式，如图2 1 5 ( a ) ，指令电流f 宰和并网电流i 进行比较， 两者的偏差a i 经过p i 调节后与前馈电网电压叠加，然后与高频三角波载波进行 比较，得到p w m