（电力电子与电力传动专业论文）非隔离型光伏并网逆变器关键技术研究.pdf

j 匕塞盆适太堂亟：! ：堂位淦塞 旦苎! b ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fe n e r g ye x h a u s t i o na n de n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，t h eu t i l i z a t i o no fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o t s p o to ft h ew h o l ew o r l d t h em a i nu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yw i l lb et h eg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m t h ec o r e t e c h n o l o g yo ft h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e m i sg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r i nt h i s a r t i c l et h es i n g l e p h a s ei s o l a t e di n v e r t e ri sd e s i g n e da n dt h eh a r d w a r ei sc o n s t r u c t e d i tp r o v i d e s t h em a i nc i r c u i to ft h eh a r d w a r e a i m i n g ，a tt h ef e a t u r e so fg r i d - c o n n e c t e dp vs y s t e m ，ak i n d o fg r i d - c o n n e c t e dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sb a s e do no n ec y c l ec o n t r 0 1 t h e p r o b l e mo fi n t e g r a t o r , w h i c hi ss u p p o s e dt ob er e s e ti n s t a n t a n e o u s l y , c a nb eo v e r c o m ea n dt h e g o o dp e r f o r m a n c e s ，t h ef a s td y n a m i cr e s p o n s ea n da d m i r a b l ys u p p r e s s i n gt h ep e r t u r b a t i o n ，a r e p r e s e r v e d t h ea v e r a g ec u r r e n ti sa c c e s s e db yu s i n gs y n c h r o n i z i n gt h eo n - c h i pa n a l o g - t o d i g i t a l f u n c t i o no fd s p 5 6 f 8 0 3 k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i ci n v e r t e r ；g r i d - c o n n e c t e d ；o n e - c y c l ec o n t r o l ；m p p t c i a s s n 0 ：t m 6 1 5 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，也不包含为获得北京交通大学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：签字日期：年月 日 4 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京 交通大学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h j i 木授权说明) 学位论文作者签名：翻莽7 铁 导师签名： 签字日期：沙2 年莎月ff 日 彩2 签字日期：尹魂年f 月【f 日 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜老师严谨的治学态度 和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来姜老师对我的关心和指 导。 张维戈老师悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大 的关心和帮助，在此向张老师表示衷心的谢意。 王健强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，冯韬，裴晓泽、牛利勇等给予了热情帮助，在珠海泰 坦科技有限公司做毕业设计期间，粟巍师傅，李益宏师傅也给予了很多指导，在此向他们 表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本人在研究生的学习阶段，参与了实验室电池管理系统，小功率开关电源，离网式光 伏控制器等多个项目的研究，掌握了一些测量和控制方法，研究生毕业设计题目为太阳能 并网逆变器研究。在做毕业设计之前，王健强老师和裴晓泽同学已经做了很多工作，我所 做的都是在他们基础上展开的。太阳能发电最合理的方式有两种：大规模并网发电并参与 电网调度，另一种则是与建筑物相融合的阳光屋顶计划。阳光屋顶计划中逆变器的规模在 1 - 3 k w ，论文就是针对阳光屋顶计划使用的逆变器做了一些深入研究。由于工作需要，2 0 0 7 年7 月到2 0 0 7 年1 1 月，一直在珠海泰坦科技有限公司做毕业设计，公司给予了积极配合， 并共同研制了一台样机，试验的结果验证了控制方法的可行性。由于学识水平、实践经验 以及时间等的限制，在很多方面做得还不够完善，需要做进一步的研究 第1 章引言 1 1光伏发电利用现状【1 】 2 1 随着环境压力的不断增加和常规能源资源的口益枯竭，世界上许多国家加强了新能源 和可再生能源技术发展的支持。太阳能作为最主要的新能源之一，在近几年得到迅猛发展。 太阳能电池板是太阳能利用中的苇要组件，在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太 阳能电池制造业争相投入巨资，扩大了生产。2 0 0 4 年世界太阳能电池生产企业总产能达 到1 0 0 0 m w 以上，同比增长3 5 。2 0 0 5 年，世界太阳能电池总产量1 6 5 6 m w ，其中日本 仍居首位，7 6 2 m w ，占世界总产量的4 6 ，欧洲为4 6 4 m w ，占总产量的2 8 ，美国1 5 6 m w ， 占总产量的9 ，其他2 7 4 m w ，占总产量的1 7 。国际光伏发电正在由边远农村和特殊 应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。 到目前为止，太阳能光电技术的应用系统正在迈向大规模的商业应用阶段。已建成的阳光 电站的最大容量为6 5 m w ( 美国加州) ，正在建造和准备建造的另两座阳光电站的规模分 别为5 0 m w ( 希腊克里特岛) 和i o o m w ( 美国) 。此外，近年来许多国家的政府都非常 重视“阳光屋顶发电系统”的开发。这些系统以家庭为单位进行安装和供电。研究表明： 太阳能光电产品的市场销量在今后十年内将以平均3 0 的速度增长，到2 0 1 0 年年销售量 将达4 6 0 0 m w 。到2 1 世纪中叶，光伏发电电量会占世界总发电量的1 0 - 2 0 ，成为世 界基本能源之一。 与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，中国落后于发达国家1 0 1 5 年，甚至明显落后于 印度。但是，中国光伏产业正以每年3 0 的速度增长，2 0 0 5 年中国太阳能电池生产总量 达到1 3 9 m w ，较2 0 0 4 年猛增了1 7 9 ，2 0 0 6 年达到4 0 0 m w 。在今后的十几年中，太阳 电池的市场走向将发生很大的改变，到2 0 1 0 年以前中国太阳电池多数足用于独立光伏发 电系统，从2 0 1 1 年到2 0 2 0 年，中国光伏发电的市场主流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。在国家各部委立项支持下，目前中国实验室 太阳能电池的效率已达2 1 ，可商业化的光伏组件效率达1 4 1 5 ，一般商业化电池效率 1 0 1 3 。目前中国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2 0 0 0 年的4 0 元瓦降到2 0 0 3 年的3 3 元瓦，2 0 0 4 年已经降到2 7 元瓦。这对国内太阳能市场走 向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。 由美国政府提出的太阳能屋顶计划计划在世界范围内得到认可，并在很多国家得到推 广。太阳能屋顶计划是以单个居民住宅为单位，装配容量为1 - 3 k w ，整体工程造价为1 5 万元左右。装有光伏供电系统的用户，在能量富余时，由逆变器将能量输出到电网，反之 则直接从电网获取能量。各国政府对太阳能屋顶计划都以不同形式给与补贴，美国政府对 购买和安装太阳能源发电设备的用户给予相应的资金补贴，欧洲部分国家则通过电费差价 的方式，促进太阳能屋顶计划的实施。 太阳能屋顶计划同样足我国光伏产业将来发展的一个重要组成部分。上海率先完成太 阳能屋顶计划的调研工作，并于2 0 0 5 年出台上海十万个太阳能屋顶计划。随后江苏，河 北等省市也陆续把太阳能屋顶计划列入“十一五”规划当中。可以预测，在今后一段时间 内，太阳能屋顶计划会给中国光伏产业带来巨大发展，带来巨大的社会经济效益。 并网逆变器是太阳能屋顶工程中核心的控制组件，要求其达到稳定，高效，安全并真 正实现绿色无污染的效果。国内市场上相关的产品很多，但主要还是进口设备。市场上主 要一些产品包括德国s m a ，瑞士s p u t n i k 公司以及日本的o m r o n 等。国内也很早就开 展了相关技术的研究，并在最大功率点跟踪控制，孤岛检测等方面取得了很大的成就。 1 2本文所做的工作 北京交通大学新能源研究所一直从事新能源应用领域的研究和开发，并在风力发电、 光伏发电等领域取得了重要成果，吸引了很多企业积极与新能源研究所开展合作。本论文 所做的3 k w 非隔离型光伏并网逆变器就是与北京中海阳能源科技有限公司合作而设计开 发的样机。 论文在第二章对现有的光伏并网领域的技术进行了分析与比较，在随后第三章中对电 流跟踪环节设计，以及带最大功率点跟踪的两级协调控制策略进行了深入研究。第四章介 绍了3 k w 非隔离型光伏并网逆变器各个部分的实现，在第5 章给出了实验中测量到的一 些波形，并做出分析。 2 第2 章太阳能并网发电系统研究 光伏发电系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器和逆变器等构成。光伏发电系统 可分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统：独立太阳能光伏发电是指太 阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄电池来存储能量，在民用范围 内主要用于边远的乡村；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具 备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能 光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充。本论文所研究的问题都是针对 并网型太阳能发电系统进行研究。 2 1 大规模并网发电和阳光屋顶计划 大规模并网发电和阳光屋顶计划是光伏并网发电推广应用的最佳模式。大型和超大型 并网光伏电站系统建设规模可以达到m w 甚至g w 级别，发出的电能直接并入高压输电 网络，未来可参与电力的输送和调配，是世界各国未来可再生能源发电的重要发展方向。 国际上并网光伏发电有两种应用方式，一种是在城镇的建筑屋顶或其它空地 上建设，和低压配电网并联，光伏电站发出的电力直接被用户消耗，多余部分输 送到电网；另一种是在荒漠建设，和高压输电网并联，通过输电网输送，降压后 再供给用电负载。阳光屋顶计划则是太阳能电池板与建筑物更好的结合，实现建筑物本省 就是一个小型发电厂。光伏与建筑相结合的系统( b i p v ) 将是最先进、最有潜力的高科 技绿色节能建筑。b i p v 系统也是目前世界上大规模利用光伏技术发电的重要市场，一些 发达国家都在作为重点项f t 积极推进。近年来，国外推行在用电密集的城镇建筑物上安装 光伏系统，并采用与公共电网并网的形式，极大地推动了光伏并网系统的发展，光伏与建 筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例【3 】。 白天在太阳照射下，光伏电池阵列产生电能来满足用户用电需要，多余的电卖入公共 电网，晚上光伏系统不发电时，从电网买电使用。光伏与建筑的结合有两种方式，一种是 建筑与光伏系统相结合，把封装好的的光伏组件安装在建筑物的屋顶上，然后通过逆变器 与控制装置与电网相连；另外一种是建筑与光伏器件相结合，是将光伏器件与建筑材料集 成化，用光伏器件直接代替建筑材料，如将太阳光伏电池制作成光伏玻璃幕墙、太阳能电 池瓦等，这样不仅可开发和应用新能源，还可与装饰美化合为体，达到节能环保效果。 建筑集成光伏发电系统( b i p v ) 具有如下优点： 1 ) 可以有效地利用建筑物屋顶和幕墙，无需占用宝贵的土地资源，这对于土地昂贵 的城市尤为重要； 2 ) 能有效地减少建筑能耗，实现建筑节能。并网光伏发电系统在白天阳光照射时发 3 电，也是用电高峰期，从而舒缓高峰电力需求，多余的电力并入电网； 3 1 原地发电、原地用电，在一定距离范围内可以节省电站送电网的投资。对于联网 户用系统，光伏阵列所发电力既可供给本建筑物负载使用，也可送入电网； 4 ) 光伏组件阵列一般安装在屋顶及墙的南立面上直接吸收太阳能，冈此建筑集成光 伏发电系统不仅提供了电力，而且还降低了墙面及屋顶的温升； 5 1由于光伏电池的组件化，光伏阵列安装起来很简便，而且可以任意选择发电容量； 6 1并网光伏发电系统没有噪音、没有污染物排放、不消耗任何燃料，具有绿色环保 概念，增加楼盘的综合品质。 论文所设计的3 l ( w 非隔离型并网逆变器，就是适用于使用于阳光屋顶计划的并网逆变 器产品。 2 2 适用于阳光屋顶计划并网逆变器特点 目前，中小功率的太阳能并网发电系统大多采用单相并网结构，可分为隔离和不隔离 两种。通过变压器隔离，太阳能并网发电系统安全性得以增强；而不隔离型太阳能并网逆 变器则在效率、体积和性价比等方面有突出优势。图1 - 1 是中小功率光伏并网逆变器结构 图，逆变器主电路分别有升压电路和逆变电路构成，两级中间通过电容连接。由于升压电 路的存在，逆变器产品输入电压范围变宽，增强了产品的实用性，因此得到大量应用。 防雷设备投切开关 图2 - 1 并网逆变器结构 f i g u r e2 - 1b l o c kd i a g r a mo fi n v e r t e r 4 2 3 并网逆变器技术要求 并网逆变器是太阳能并网发电系统中重要的组件，要求其工作稳定，高效，安全并向 电网输入无污染的电能。我国日前没有出台太阳能并网装置的具体技术要求。从国内外收 集到的现有产品资料看来，中小功率太阳能并网逆变器一般满足下面一些技术要求。 表2 - 1 输入参数 t a b l e2 1i n p u tp a r a m e t e r 直流输入 电压输入范围( d c ) 1 2 5 v 6 0 0 v m p 玎电压范围( d c ) 2 0 0 v 4 5 0 v 输入电流范围 、 1 5 a 表2 - 2 输出参数 t a b l e2 - 2o u t p u tp a r a m e t e r 交流输出 电网电压允许变动范围 + 1 5 总谐波含量( t h d ) = 5 功率冈数( p f ) 0 9 8 逆变效率 9 4 隔离方式 变压器隔离不隔离 表2 - 3 其他参数 t a b l e2 - 3o t h e rp a r a m e t e r 保护功能 系统过电压系统久电压 联网保护功能 系统过频率系统欠频率 “孤岛”检测主动方式被动方式 过热保护交流过电流漏电流保护直流欠电压直 其他保护功能 流过电压直流过电湔 防护等级i p 5 5 i p 6 5 从这些技术要求可以看出，中小功率逆变器具有很宽的电压输入范围，从而增大了太 阳能电池板安装的灵活度。逆变器输出电能的谐波含量很低，目的在于做到真正的绿色能 源。逆变器的效率都很高，这和逆变器r t 作在高电压低电流工况有关，如果是直接并网系 统，效率更高，s b 2 1 0 0 t l 就是代表，其效率可以达到9 6 。 5 j b 塞窒适太堂题堂位途塞态田建羞塑筮电丕统班嚣 2 4 太阳能电池板特性及最大功率点跟踪 太阳能电池是利用光伏效应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有 许多种，主要有单晶硅，多晶硅，非晶硅等。 太阳能电池和二极管类似，可用p n 结来建立简单模型。电池单元是光电转换的最小 单元，一般不单独作为电源使用，而是将太阳能单元进行串、并联并封装后就成为太阳能 电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多太阳能电池组件需要再进行串、并 联后形成太阳能电池阵列。 太阳能电池板主要有以下几个基本参数： 1 1 ，、 开路电压v w ，：指在给定日照强度和温度情况下的最大输出电压。 短路电流v ”，：指在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 最大功率点功率v m ，：在给定日照和温度下太阳能电池阵列可能输出的最大功 率。 r、 最大功率点电流vm ，：值在给定日照强度和温度下相应于最大功率点处电流。 最大功率点电压vm 夕：指在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 l i 譬 上m 图2 2 太阳能电池的输出特性 f i 9 2 - 2t h eo u t p u tc h a r a c t e ro fs o l a ra r r a y 太阳能电池板有其有其特殊的伏安特性。图2 - 2 是在恒定光强，恒定温度下典型太阳 能电池板外特性。太阳能电池板端电压有开路电压y o c 降到m 过程中，随着输出电流的增 大端电压降低，具有恒压源特性。在端电压由7 m 降到零的过程中，电流几乎保持不变， 具有恒流源的特性。在恒压源与恒流源交汇处，具有最大功率。 太阳能阵列的开路电压和短路电流与光照有直接关系，由于光照条件的不确定，尤其 是多云天气，太阳能电池板性能状况会有大的波动，从而要求系统具备跟太阳能电池阵列 6 j 匕塞窒塑太堂亟堂僮淦塞态团能羞圈筮鱼丕统鲤壅 最大功率的功能，才能保证光伏发电系统高的效率。最大功率点跟踪实质是一个自寻优过 程。当负载特性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电压吃之左时，最大功 率点跟踪控制作用是使太阳电池工作电压升高，而当交点在阵列最大功率点相应电压屹之 右时，最大功率点跟踪控制作用是使太阳电池工作电压下吲引。 2 5 孤岛检测技术 所谓孤岛效应是分布式发电系统中必须解决的一个问题。根据美国s a n d i a 国家实验 室( s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 提供的报告中给出的定义：孤岛是指由于电气故障、误操 作或自然因素等原因造成电网中断供电时，各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运 行的现象。在这种情况下，局部电网负载完全依靠光伏发电系统电源支配运行，就形成了 与主电网隔离的“孤岛”状态【1 1 l 。 当孤岛发生时，由于并网逆变器持续供电，相连的电网将处于带电状态，则可能危及 电网线路维护人员的生命安全。同时会干扰电网的正常合闸过程，在合闸瞬间产生的浪涌 电流可能会损坏负载或并网逆变器装置。 孤岛检测方法一般可以分为被动式和主动式两类【2 i 【4 】。被动式检测方法通过监测市电 状态，如电压、频率和相位是否偏离正常范围，以此作为孤岛检测依据。主动式检测方法 的基本原理是，在并网逆变器的输出中加入较小的电流、频率或相位扰动信号，然后检测 线路上检测点的电压、频率或相位。如果并网逆变器仍与主电网相连，不处于孤岛运行状 态，在电网的等效无穷大电压源效应下，这些扰动是无法检测出来的；如果并网逆变器已 经与主电网断开，处于孤岛运行状态，扰动信号的作用就会在线路上体现。通过同一方向 的不断扰动，当输出变化超出规定的门限值时就能检测出孤岛运行状态。被动式检测方法 在本地负载功率和并网逆变器发出功率不平衡时具有其有效性，但是，在本地负载和并网 逆变器输出功率达到平衡时，被动式检测方法就会失效。主动式在检测上存在检测“死区”， 即扰动量累积在达到允许阀值之前，若系统达到稳定状态，则孤岛检测失效【2 l 【4 】。 7 第3 章非隔离型并网逆变器关键技术研究 由前级升压电路和后级逆变电路两级构成的非隔离型并网逆变器足中小功率等级的 太阳能并网逆变器主流结构，本章就是针对这种结构的逆变器部分技术做深入分析。 3 1 两级协调控制策略 太阳能并网逆变器是把太阳能电池板发出的直流电能逆变成交流电，然后把能量输出 到电网的电力电子装置。作为一个系统，并网逆变器输入量是太阳能电池板的电压和电流， 输出量是并入电网的有功功率。电网电压相对固定，因此并网逆变器控制的输出量就是输 入电网的电流。 7 u l 、 i 匕漉 太闭能i u 池扳 l 毡瀛 并刚逆交器 l 毡网 图3 1 光伏系统物理结构 f i 9 3 1p h y s i c a lb l o c kd i a g r a mo fp h o t o v o l t a i cs y s t e m 太阳能并网逆变器最大的特点是必须包含最大功率电跟踪控制逻辑，因此从控制角度 上来看，并网逆变器结构如图3 2 所示： 图3 - 2 光伏系统逻辑结构 f i 9 3 2lo g i cb l o c kd i a g r a mo fp h o t o v o l t a i cs y s t e m 中小型太阳能并网逆变器通常采用前级升压后级全桥逆变的两级主电路结构。b o o s t 升压电路拓扑是电流输入型的，在输入输出相对恒定条件下，输入电流随着主电路中开关 管占空比的增大而增大，对于太阳能电池板来说，随着电流的增大，输入电压减小。太阳 能电池板输入电流随占空比变化趋势呈现同向的趋势，因而可以实现m p p t 控制。在这种 控制模式下，系统控制结构如图3 - 3 所示。 8 j e 壅盆逼太堂亟：! ：堂位途塞韭匾壅型羞幽堂变遂苤毽蕉丕丛塞 图3 3 光伏系统两级控；刨 f i 9 3 - 3p h o t o v o l t a i cs y s t e mc o n t r o ld i a g r a m 在这种控制模式下，前级b o o s t 电路专门用来控制跟踪太阳能电池板最大功率点，将 输入功率传递到母线电容上。后级逆变器为典型电流内环电压外环的双闭环系统，稳定母 线电压，通过中间母线电容使前后两级从控制上相对独立开来。 基于这种控制模式的逆变器，前级和后级技术都相对成熟，只要m p p t 算法合适，系 统设计、调试都相对容易。但是，这种逆变器存在一个问题。对于单相非隔离型并网逆变 器来说，电网电压相对恒定，因而所需母线电压不需要很高。前级升压电路作为m p p t 跟踪控制环节，则在工作范同内，升压电路将一直工作。当太阳能电池板输入电压较低时， 系统正常工作：当输入电压很高时，足以满足后级逆变器工作的基本要求，m p p t 的工作 会使母线电压更高，从而对后级逆变器器件，滤波电感等要求提高，同时，由于升压电路 的工作，系统效率会有所下降。 当输入电压足以保证逆变器正常工作时，前级升压电路停止工作，由后级逆变器完成 太阳能电池板最大功率点跟踪控制，同时控制输出电流。这种模式才是更为合理的控制模 式。在这种控制模式下，m p p t 跟踪控制的执行机构会随着输入电压变化而变化，因此这 种模式控制上更复杂些。 图3 - 4 光伏系统综合控制 f i 9 3 - 4p h o t o v o l t a i cs y s t e mc o n t r o ld i a g r a m 图3 _ 4 是这种控制模式下系统结构图，m p p t 仍然放在最前端，但是，m p p t 只是一 个逻辑上的环节，它的计算输出通过控制环节的分配，最后由b o o s t 电路或者逆变器实现。 逆变器仍然采用电压外环电流内环的双闭环控制结构，只要能保证逆变器安全运行( 输入 电压不低于逆变器工作的最低值，且不高于安全允许的最大值) ，电压外环不会自动更新 9 内环电流环的指令电流，逆变器输出不会自动发生变化。当需要降低太阳能电池板输入电 压时，如果逆变器前端母线电容的电压高于逆变器输入电压设定值，则扩大逆变器输出电 流，降低母线电压，最终降低太阳能电池板输入电压；如果母线电压等于或小于逆变器输 入电压设定值，则通过增大b o o s t 升压电路占空比，从而减小太阳能电池板工作电压。当 需要增大太阳能电池板输入电压时，若b o o s t 升压电路开关管占空比可以减小，则减小其 占空比，从而增大太阳能电池板下作电压，若b o o s t 升压电路开关管占空比已经为o ，则 减少逆变器输出电流，提高母线电压，从向提高太阳能电池板工作电压。 3 2 电流跟踪环节设计 电流控制跟踪环节是并网逆变器最重要的一个组成部分，直接决定了并网逆变器性 能。并网逆变器的输出是直接接入电网的，要求逆变器尽可能输出与网压同相位的正弦电 流。若把上述的并网逆变器主电路简化丸图3 5 所示，则有下面的基本的矢量关系式： un2u s 一) n l nin ( 、1 、 从图3 - 5 中可以清楚地看到，并网逆变器输出电流基波分量- p ) 、网压m u ，与逆 变器交流侧电压基波分量“s l l 、t ) 三者之间的相量与相位关系。只要在实际控制中满足这种 相位关系，就可以成功实现输出电流与网压同频同相。 一 八 图3 - 5 简化主电路及逆变器基波相量图 f i g u r e 3 - 5m a i nc i r c u i ta n df o u n d a t i o nc o n t e n tv e c t o rd i a g r a mo ft h ei n v e r t e r 为了提高并网逆变器性能，通常采用电流型p w m 控制方法，且常用的电流控制方法 主要有两种，即电流滞环控制和固定开关频率控制【2 1 1 。 ( 1 ) 滞环电流控制 滞环电流控制系统是一个双闭环结构，其外环是直流电压控制环，内环是交流电流控 制环。系统由电压外环调节器处理后，得到内环电流环指令。由于内环电流环的输出是一 个交流量，所以内环的指令电流也为交流信号，同时电压外环保证改指令信号与电网同频 同相。系统实时检测交流输出电流，将它与指令电流信号进行比较，再经过带滞环的误差 比较器后产生的开关信号去开通或关断整流器的相应开关器件，使实际电流追踪指定的电 流的变化。滞环电流控制核心是通过电流的差值去控制开关管的展开比，因此具有很高的 控制速度，并且在系统增益比较大时，可以做到很好的控制精度。但是滞环电流控制由于 1 0 开关频率不固定，有时会出现很窄的脉冲和很大的电流尖峰，给驱动保护电路以及主电路 的设计带来困难，对系统性能也有所影响，而且开关频率不固定，滤波困难，对外界的电 磁干扰也比较大。 ( 2 ) 固定开关频率 这种控制是将给定的正弦参考电流信号与实测电流信号的误差，经电流控制器处理后 在与一个同定频率的三角波信号相比较，在本质上，经电流控制器处理后的电流误差信口 就足调制信号，而三角波信号就是载波信号。如果给定电流信号比实测的电流信口更大， 误差信号为正，经过调制信号与三角波相比较后，使实际电流增加，反之，则使实际电流 减少。 这种控制方法有一个固定开关频率，很少产生噪声同时开关消耗也较少，而且系统的 动态性能也很好。但是这种控制方法的缺点在于，给定电流与实际电流在理论上就必须存 在偏差，才能产生p w m 波。 3 3 单周数字控制电流跟踪环节设计 单周控制方法是一种p w m 的控制方法，这种控制方法的核心是通过控制p w m 占空 比，使被控制量的平均值严格正比于参考量。单周控制方法具有良好的控制性能，突出表 现在动态响应快，开关频率固定，鲁棒性强等【1 8 l1 1 9 | 。单周控制输入量是控制量和参考量 的平均值，其数值通常是通过积分器测量。因此，为了获得每个周期的平均值，需要积分 器在每个周期开始瞬时复位，但这个复位在硬件上是不可能实现的。虽然很多集成单周控 制：占片可以做的很好，但随着频率增加，该问题仍然存在。通过软件间接获得被控制量的 平均值，就可以提高系统的工作频率，同时保留单周控制的优点。 光伏并网逆变器输出侧通常接有电感，采用电流源并网方式，电感中的电流为折线， 通过数学分析可以知道，这个周期的平均值等于折线中点处的瞬时值1 2 0 1 。通过使用高性能 的d s p 芯片，完全可以用软件实时测量开关周期内电流的平均值，用单周控制方式来控 制并网逆变器工作。 ，由于光照的不确定性，尤其是多云天气情况下，逆变器需要具备快速的动态响应，同 时，为了跟踪太阳能电池板的最大功率点，逆变器需要灵活的控制输出的有功功率。单周 控制方法能很好的满足这些要求，由于单周控制可以很好的跟随给定，所以可以根据需要 灵活的控制给定，达到控制无功，控制多谐波输出等。 3 3 1 主电路结构 电网可以视为是容量无穷大的电压源，因此在输出控制上采用电流源并联方式较为容 易。光伏系统要求动态响应快，因此电压源输入电流源输出的主电路结构，是光伏并网系 统中最通用的电路结构。光伏并网逆变器的结构方式如图3 - 6 。 t i l j k i 移一 举i j l _ l c 一c k ，： c 1 u a； n 云 释 圣 j j 整j 图3 - 6 电压源电流控制逆变器主电路结构 f i g u r e3 - 6m a i nc i r c u i to fv o l t a g er e s o u r c ea n dc u r r e n c yc o n t r o lt y p ei n v e r t e r 图3 - 6 中u 代表电网电压，u d 为输入直流母线电压，n 是逆变器输出电流。并网逆 变器控制的基本目标是： ( 1 ) 逆变器输出电流i 为正弦波。 ( 2 ) 逆变器输出电流与电网同频，相位相差1 8 0 度。 3 3 2 逆变器单周数学模型 a ) r 1 秉1 i 4 譬通b ) t 2 幕i t 3 导通 图3 7 逆变器单周模型 f i g u r e3 - 7p w mm o d e lo fi n v e r t e r 逆变器的单周开关数学模型是单周控制算法的基础。下面以双极性p w m 调制方法为 例，分析图3 - 6 所示逆变器单周数学模型。设p w m 开关周期固定为t ，1 和上。导通时间 为f 1 ，则瓦和互导通时间为t 一。设占空比d ：厂r 。由于开关器件工作频率较高( 设计 中，开关频率为1 6 k h z ) ，在一个开关周期内，可以将直流侧电压和交流侧电压均等效为 一个恒定电压。在互和五导通期间，等效电路为图3 - 7 a ，r e 和五导通期间，等效电路为 图3 7 1 0 。 在工，和上导通期间，电感电流增量表达式为： a i 旷1 - - - - ( 巩啪d ? ( 3 - 2 ) 在乏和瓦导通期间，电感电流增量表达式为： 锄= 瓦1 ( 一巩一) ( 1 一。) 丁 在一个开关周期内，并网电流增量为： i = i m + 血尬 = 专( 2 巩d 一巩哪 那么，当瓯为已知量时，p w m 调制占空比表达式为： o ：! + 盟+ a t , x g 2 2 巩醵x t 3 3 3 电流测量方法 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 单周控制方法需要准确测量一个开关周期内电流的平均值。在逆变器工作过程中，图 10 0 i g , 感l n 的电流波形可由图3 - 8 近似表示。在图3 - 8 中，p w m 调制方式为中心对齐方 式，通过数学分析可知，在一个周期中点处的电流值就是这个周期内电流平均值。 d s p 5 6 f 8 0 3 芯片具有a d 转换模块与p w m 硬件同步的功能，通过适当设置，可以将a d 采样点刚好放到一个周期中心点处 2 0 1 。 电感电流 电感电豫 删问( d 图3 - 8 电感电压和电流波形 f i g u r e3 - 8w a v e f o r mo fc u r r e n tv s v o l t a g ea b o u tt h ei n d u c t a n c e 3 3 4 单周控制方法 并网逆变器输出侧为电流跟踪控制，电流给定为正弦波电流，频率等同电网周期。以 同定频率p w m 控制逆变器输出时，就是控制每个p w m 周期的占空比，从而使每个p w m 周期内的输出电流跟随给定。电流给定为正弦波，以p w m 周期为一个单位，将一个周期 内的指令电流离散成许多点，形成个指令电流正弦表，电流跟踪控制目的就是通过控制 p w m 来控制输出电流，使输出电流跟随指令电流正弦表中相应的数值。p w m 频率越高， 控制的效果越好，但是对控制芯片处理速度的要求也越高。 电网周期约为5 0 h z ，以固定频率为1 6 k h z 的p w m 进行控制时，指令电流正弦表长 度为3 2 0 。程序中需要建立一个指令电流正弦表的索引变量，并且要与电网同步。为了使 索引变量与电网保持同步，系统通常含有硬件构成的同步信号获取电路，在处理同步信号 程序中，最主要的工作就是初始化电流正弦表的索引变量。 在图3 8 中，在采样点a d 转换完成以后，产生中断。在中断程序中，需要快速计算 下一个开关周期的占空比，并且在p w m 加载点之前写入p w m 加载寄存器。在a d 转换 完中断程序中，已经得到了电流平均值，电网电压和母线电压，通过电流指令的索引值可 以得到下一个周期电流指令值，与当前电流平均值比较，可以得到电流变化量，然后 通过等式( 3 5 ) 算出下个开关周期占空比。a d 转换完成中断程序中，还需要将电流索 引变量加1 。 a d 转换完成中断程序是控制算法最核心的部分，需要尽可能的快，一定要在p w m 加载之前把结果写入p w m 加载寄存器中。d s p 5 6 f 8 0 3 的总线工作频率为3 6 m h z ，a ，d 中断程序大概时间为2 0 u s ，在p w m 为 1 6 k h z 情况下，其开关周期一半的时间为3 1 2 5 u s ， 可以达到控制要求。 3 3 5 单周控制方法的改进 基于单周控制设计的电流跟踪环节，控制目标是每一个p w m 周期内，控制输出电流 跟随指令电流。从一个电网周期来说，它由若干个p w m 周期构成，因而宏观上说，保证 着电流跟随直流电流，构成了电流闭环控制。但是具体到每一个p w m 控制周期内，控制 却是开环控制，并且控制方法是： d ：! + 盟+ 必 ( 3 6 ) 2 2 ? 利用上式控制过程中，l 为并网侧电感量，具有很大的离散性。t 为p w m 周期， u 为电网电压瞬时值，u d 为直流母线电压瞬时值，由于硬件测量电路器件的离散性， 其值均具有离散性，因而给控制带来一定的影响。此外，死区时间也是一个很重要的因素。 1 4 死区时间是为了防止逆变器逆变桥上下贯穿短路而插入的。当逆交器逆变桥某个开关管断 开的时候，若电流很大，可以保证死区时间内断开的这个开关管的反并联二极管持续续流， 那么可以用固定的时间来补偿死去时间的出入而带来的影响。若断开时电流比较小，续流 二极管中间断续，那么就不能用固定的时间来补偿。考虑到上面诸多因素，在控制上引入 一个积分环节，该积分环节由控制p w m 周期内电流增量指令和实际电流增量差值构成， 从而增强系统的稳定性。添加积分项后，系统控制方式为： d ：一1 + 粤- i - 而a i n x l , 矿+ 7 - 1 墨汹- l 一血知) 3 引 2 2 玩x t 智一”1 “ 其中，峨4 为上个p w m 周期给定电流增量，f 0 一为上个周期实际检测到电流增量。 3 4 系统测量与处理 太阳能并网逆变器都需要做最大功率点跟踪控制，以3 k w 逆变器来说，若m p p t 跟 踪效率可达9 9 ，即允许的偏差仅为1 5 w 。对于6 0 0 v 输入系统来说，其电流仅为2 5 m a 。 对于6 0 0 v 的直流母线电压，用基于为3 v 的a d 进行测量，其增益高达2 0 0 倍。因此在 设计电路时，要充分重视电磁兼容问题，对于交流信号处理中，要保证各个测量点阻抗恒 定。 第4 章非隔离型并网逆变器设计 从经济和建筑实际来讲，在阳光屋顶计划推广中，单个居民装配装机容量在l k w - 3 k w 之间最为合适。这章主要讲述了基于f r e e s c a l e 公司d s p 5 6 f 8 0 3 的3 k w 非隔离型并网逆变 器设计过程，介绍了软硬件的实现方法。 4 1 并网逆变器的基本要求 输入电压：1 2 5 v - 6 0 0 v 输入电流：0 1 4 a m p p t 范围：2 2 5 - 4 2 0 v 额定输出功率：3 0 0 0 w 输出电流波形：正弦波 输出电压：2 2 0v a c 2 0 输出频率：5 0h z 2 输出电流谐波：t h d 4 5 。 输出功率因数： 0 9 8 系统效率：9 4 4 2 系统整体框架和拓扑结构 3 k w 太阳能光伏并网逆变器的系统整体框图如图4 1 所示。光伏并网逆变器主要由两 部分组成，前级的d c d c 变换器和后级的d c a c 逆变器。系统的控制部分都由以 d s p ( d s p 5 6 f 8 0 3 ) 为核心的控制：毽= 片完成，通过l e d 灯指示系统工作状态，并且通过异步 串行口将系统运行相关数据发送到液晶显示部分，通过液晶显示。液晶板同时负责人际交 互接口，用于设置系统相关信息。另外系统设计了辅助电源为控制电路提供电源，辅助电 源为反激变换器，多路输出，控制芯片采用h v 9 1 2 0 。反激电源直接从母线取电，有较宽 的电压输入范围和较高的电压值。 1 6 太阳能输入 l 电网 图4 1 系统结构图 f i g u r e 4 - 1b l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 系统驱动采用不隔离带自举电容驱动功能的专用上下桥臂驱动芯片构成，控制板与主 电路不隔离，直流侧电压测量均采用电阻分压方式。 暑 ，￥ _ f _ 圭 a ? ，t 漤 卜 i 石零o 聿 幻 ，；三 - - ! = b jj 1r t 矗 盐 - _ _ 。 一 图4 2 主电路结构 f i g u r e4 - 2m a i nc i r c u i t 图4 2 为光伏并网逆变器的主回路拓扑结构。其中d c d c 变换器部分为b o o s t 拓 扑结构，主要由电感、。二极管和m o s f e t 开关管组成。利用m o s f e t 导通电阻正的温度 系数，采用双管并联的方式。 中间的支撑电容是由高电压大容量点解电容串并联后构成，支撑中间直流母线电压。 支撑电容连接d c d c 变换器和d c a c 逆变器，并实现功率传递。d c - a c 逆变器主电路采 1 7 用全桥式结构，由四个带反并联二极管的i g b t 开关管构成，d c - a c 逆变器的控制部分 主要完成维持母线电压处于安全范围之内，控制恒定正弦波电流输出，并间接参与m p p t 控制。 4 3 主电路器件参数选择与设计 4 3 1 系统频率选择 太阳能光伏并网逆变器采用p w m 控制，p w m 工作频率是整个逆变器装置设计的基 础。p w m 频率越高，系统的感性和容性器件容量可以减小，电流波形畸变和谐波理论上 都可以控制的很小，但是频率越高，对控制系统，尤其是d s p 控制芯片的要求越高，同 时，对开关器件，对于驱动电路，对于检测电路来说，难度都会加大。而p w m 频率太低 的话，系统感性和容性器件的容量会增大，电流畸变和谐波增加。因此，p w m 频率折中 的选择了1 6 k h z 。 对于5 0 i - i z 电网来说，1 6 k h z 的调整频率刚好由3 2 0 个p w m 周期构成。全桥逆变器 采用双极性p w m 控制。 4 3 2 交流侧电感设计 交流侧电感是系统重要的组成部分，在开关周期内直接承担着直流母线电压和电网瞬 时值之差。电感量越大，电流纹波越小，系统越稳定安全，系统动态相应越慢，要求直流 侧母线电压升高，才能提高功率输出，系统成本提高。电感量越小，系统动态相应快，电 流纹波大，对直流侧母线电压要求低。 在本设计中，单相p w m 逆变器采用双极性控制，图4 3 是开关周期模型，y 口6 为逆 变桥输出电压，v 如为直流母线电压，电压y 4 6 总是在叫d c 与v d c 间切换。巳为电网电压 瞬时值。 l 图4 - 3 逆变器开关模型 f i g u r e4 - 3s w i t c h i n gm o d e lo f i n v e r t e r 首先，p w m 整流器必须满足快速电流跟踪要求，即系统动