（电力电子与电力传动专业论文）两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt w o - - s t a g ep v g r i d - - c o n n e c t e di n v e r t e r a n d p o w e ra e c o u p h n g - a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g w a n gc h o n g a d v i s e db y p r o f e s s o rx i n gy a n s u b m i a e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 吣9旧洲1 i1 l， iim，j0，叭帅，)imt叭4，洲8删y 一lr l 11l 一一一 卜 ， 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工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，也不包含为获得南京航 空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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，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承诺书) 一ll。 |p卜气 i 一 ， 一一 一 卜 k 稳态跟踪精度之间的矛盾。 在两级式的并网逆变器中，由于并网逆变器的输出功率存在一个两倍于工频的功率波动， 所以其直流母线上通常需要大量的电解电容来减小母线电压的波动，实现输入恒定功率和输出 波动功率之间的解耦。而大量的电解电容必将增加系统的成本，同时使得整机的寿命下降。本 文分析了两级式并网逆变器母线电容电压纹波产生的原因，并定量地推导出母线电容电压纹波 与功率等级、母线电压平均值之间的关系；在此基础上，引入解耦变换器的概念，分析了使用 该解耦变换器对于减小并网逆变器母线电容体积提高整机寿命有着显著的作用；深入研究了该 变换器拓扑和控制原理：从电流角度分析了母线电容电压纹波产生的机理，揭示了解耦变换器 与并联型有源电力滤波器的相似之处，给出了直流有源滤波器的概念；搭建了带功率解耦变换 器的两级式并网逆变器的仿真模型，该模型证实了理论分析的正确性。 设计了基于d s pt m s 3 2 0 f 2 8 0 8 的实验样机，验证了分析设计的正确性和可行性。 关键词：逆变器，并网逆变器，光伏发电，新能源发电，最大功率点跟踪，功率解耦 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 a b s t r a c t t h et w o - s t a g ep vi n v e r t e ri sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ft h et w o s t a g ep v i n v e r t e ri sp r e s e n ti nd e t a i l e d t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fv a r i o u sm p p tm e t h o d sa r e c o m p a r e d t h ep & o - b a s e dm p p tm e t h o di sc h o s e na si t i s t h em o s tw i d e l yu s e d t h e nt h e d i s a d v a n t a g eo ft h em e t h o db a s e do nc u r r e n to p t i m a lm p p tc o n t r o li sd i s c u s s e d a na d a p t i v em p p t m e t h o dw i t hv a r i a b l es t e p - s i z ei sa d o p t e d ，t h ec o n f l i c tb e t w e e nt r a c k i n gr a t ea n dp r e c i s i o no fs t e a d y s t a t ei sr e s o l v e dw i t ht h i sm e t h o d i ti sw e l lk n o w nt h a tt h e r ee x i s t ss e c o n d - o r d e rh a r m o n i cc u r r e n ta n dc o r r e s p o n d i n gr i p p l ev o l t a g e o nd cb u sf o rt w o s t a g ei n v e r t e r t h el o wf r e q u e n c yh a r m o n i cc u r r e n ti sn o r m a l l yf i l t e r e du s i n ga b u l kc a p a c i t o ri nt h eb u sw h i c hi su s e dt oi m p l e m e n tp o w e rd e c o u p l i n g b u t , t h ec o s to ft h es y s t e m w i l lb ei n c r e a s e dw i mv o l u m e so fc a p a c i t o r s ，a n dt h el i f eo ft h ep vs y s t e mw i l ld e c r e a s e s y n c h r o n o u s l y t h er e a s o no ft h ev o l t a g er i p p l eo nd cb u sf o rt w o s t a g ei n v e r t e ri sd e s c r i b e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h ev a l u eo fc a p a c i t o ra n dt h ev o l t a g er i p p l eo fd cb u sa n dt h ep o w e rr a t ea n dt h e a v e r a g ev o l t a g eo fd cb u sa r ea n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h e nad e c o u p l i n gc o n v e r t e ri d e ai s d e d v e d t h ed c l i n kc a p a c i t o rc a nb er e d u c e dm a s s i v e l yw i t ht h i sc o n v e r t e rs y n c h r o n o u s l y ，t h el i f e o ft h es y s t e mc a r lb ei n c r e a s e d t h et o p o l o g ya n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec o n v e r t e ra r er e s e a r c h e d d e e p l y t h e nt h em e c h a n i s mo ft h ev o l t a g er i p p l e0 nd c b u sf o rt w o - s t a g ei n v e r t e ri sa n a l y z e di nt h e v i e w p o i n to f c u r r e n t ，t h es f l m ep o i n t so ft h ed e c o u p l i n gc o n v e r t e ra n dt h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a r er e v e a l e d 。ac o n c e p to f “d ca p f ，i sg i v e no u t t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h i sd e c o u p l i n gc o n v e r t e r i sb u i l tu p t h ea c a d e m i ca n a l y s e sa r ep r o v e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s 。 alk wp r o t o t y p eb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 0 8i sb u i l tu p n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r er e c e i v e d b a s e do nt h i sp r o t o t y p e t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ea n a l y s i sa r ep r o v e d k e y w o r d s ：i n v e r t e r ，g d d c o n n e c ti n v e r t e r , p vg e n e r a t i o n ，n e we n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n ，m p p t , p o w e rd e c o u p l i n g j _ 一 、 1 1 2 1 2 1 功率变换拓扑与系统结构2 1 2 2 控制技术3 1 3 并网变换器中的耦合电容4 1 4 本文主要内容6 第二章两级式光伏并网逆变器结构与控制8 2 1 系统结构和工作原理8 2 2 系统控制原理8 2 2 1 两级式变换控制策略8 2 2 2 控制环路设计1 1 2 3 最大功率点跟踪。15 2 4 本章小结18 第三章前后级功率解耦研究1 9 3 1 直流母线电容电压纹波分析1 9 3 2 功率解耦变换器原理及意义分析。2 3 3 3 功率解耦变换器拓扑与控制2 6 3 。4 直流有源滤波器2 8 3 5 仿真结果与分析3 0 3 6 本章小结3 2 第四章样机的设计与实现3 3 4 1 设计指标3 3 4 2 系统的总体结构3 3 4 3 功率电路设计。3 4 4 3 1d c d c 变换器3 4 4 3 2 逆变器3 5 4 3 3 解耦变换器3 6 4 4 控制电路设计3 7 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 4 4 1 采样调理电路3 7 4 4 2 驱动电路3 7 4 4 3 过零捕获电路3 8 4 5 实验结果及分析。3 8 4 5 1 并网运行3 8 4 5 2m p p t 4 0 4 5 3 孤岛保护4 2 4 5 4 功率解耦4 2 4 6 本章小结4 4 第五章总结与展望4 5 5 1 全文工作总结4 5 5 2 后续工作的展望4 5 参考文献。4 6 致谢5 0 在学期间的研究成果及发表的学术论文。5 1 t 、 i | 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 i 高频隔离两级式并网逆变器。2 图1 2 反激式并网逆变器3 图1 3 光伏发电系统按架构分类3 图1 4 减小解耦电容的一种拓扑5 图1 5 反激逆变器中的解耦装置6 图1 6 改进的反激逆变器中的解耦装置6 图1 7p f c 中的解耦装置。6 图2 1 两级式并网逆变器系统结构8 图2 2 两级式并网逆变器拓扑结构9 图2 3 并网工作时的等效电路和电压电流矢量图9 图2 4 两级式并网逆变器控制结构图。l0 图2 5 单极性倍频调制原理l o 图2 6 锁相原理图。11 图2 7b o o s t 变换器主电路小信号模型1 1 图2 8b o o s t 变换器电流环的阶跃响应。12 图2 9b o o s t 变换器闭环控制框图1 3 图2 10 逆变器电流环控制框图l3 图2 1 l 电压环控制框图1 5 图2 1 2 扰动观察法跟踪示意图1 6 图2 1 3 太阳能电池在不同光照条件下的特征曲线1 7 图2 1 4 变步长扰动观察法的算法流程1 8 图3 1 两级式并网逆变器示意图。1 9 图3 2 母线电容电压理论曲线。2 0 图3 3 母线电容纹波电压仿真与理论计算结果对比曲线2 l 图3 4 快速跟踪模式与平均跟踪模式2 2 图3 5 带有功率解耦变换器的两级式并网逆变器结构图2 3 图3 6 功率解耦变换器工作示意图2 3 图3 7 加解耦变换器前后电容容值对比。2 4 图3 8 常用的双向d c d c 变换器拓扑2 6 图3 9 解耦变换器开环控制框图一2 7 图3 1 0 另一侧电容电压波形2 8 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 图3 1 1 解耦变换器电压闭环控制框图2 8 图3 1 2 有源电力滤波器与解耦变换器2 9 图3 1 3i x ：a p f 电流控制框图3 0 图3 1 4 另一侧电容电压的控制3 0 图3 1 5 母线电容电压波形3 l 图3 1 6 加解耦变换器的稳态波形3 1 图3 1 7 加大p l 、p 2 值仿真波形。3 1 图3 1 8 减小另一侧电容仿真波形3 l 图3 1 9 解耦变换器电压型闭环控制仿真3l 图3 2 0d c - a p f 电流型控制仿真31 图3 2 1d c a p f 电流波形与逆变器输入电流波形3 2 图4 1 带解耦变换器的两级式光伏并网逆变器控制系统结构图3 3 图4 2 调理电路原理图3 7 图4 3 驱动电路原理图3 7 图4 4 过零捕获电路原理图3 8 图4 5 母线电压缓起波形3 9 图4 6 入网电流缓起波形。3 9 图4 75 0 0 w 实验波形3 9 图4 8 满载实验波形3 9 图4 9 不同输出功率下入网电流的p f 与t h d 曲线4 0 图4 1 0 太阳能输出功率变化过程，天气：晴朗4 0 图4 1 1 太阳能输出功率变化过程，天气：多云4 l 图4 1 2 太阳能输出功率变化过程，天气：阴转阵雨4 l 图4 1 3 孤岛保护实验接线示意图4 2 图4 1 4 电压孤岛实验波形4 2 图4 1 5 开启解耦变换器动态波形4 3 图4 16 加解耦变换器实验波形( c k _ 2 2 0 心) 4 3 图4 17 加解耦变换器实验波形( c n c = 4 7 9 f ) 4 3 表2 1m p p t 方法的基本原理及其优缺点和应用比较1 5 表3 1 两级式并网逆变器参数一2 4 表3 2 电容参数比较2 5 表3 3 加解耦变换器前后电容价格体积比较。2 5 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 4 解耦变换器拓扑比较2 7 表4 1 太阳能电池组件电气规格。3 8 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 1 、缩略词及其全称 注释表 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 a p fa c t i v ep o w e rf i l t e r p f cp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n s p w m s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h dt o h a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n p f p o w e rf a c t o r l p fl o wp a s sf i l t e r p l lp h a s el o c k e dl o o p u p s u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y 2 、基本符号及说明 光伏阵列与b o o s t 耦合电容 b o o s t 开关管 母线耦合电容 输入电压最大值、最小值 b o o s t 电流给定 母线平均电压 b o o s t 电流环采样系数 b o o s t 调制波放大系数 逆变器开关管 并网滤波电容 电网电压 b o o s t 输出电流 b o o s t 电压给定 逆变器入网电流给定 母线电压给定 逆变器的输入电流 最大功率点跟踪 有源滤波器 功率因数校正 正弦脉冲宽度调制 数字信号处理器 总谐波含量 功率因数 低通滤波器 锁相环 不间断电源 b o o s t 电感 b o o s 二极管 b o o s t 输入电压 b o o s t 输入电流 b o o s t 等效负载 b o o s t 开环传递函数 b o o s t 电流环调节器系数 b o o s t 开关频率 。 并网滤波电感 电感和线路的等效串联电阻 l 逆变器入网电流 母线电压调节器的输出 母线电压环路中的系数 逆变器电感电压 逆变器桥臂电压 逆变器开关频率 工厶r一知匆魁，董肠睨 呦丘 ( 铆一锄帆9k梳 麒 t p 光伏阵列输出功率 变步长速度因子 b o o s t 变换器输出功率 母线电容电压 逆变器电感电流 另一侧电容电压平均值 母线电容电流 解耦变换器电感 解耦变换器开关频率 逆变器效率 b o o s t 输入电流最大值 b o o s t 电感电流纹波峰峰值 b o o s t 开关管电流峰值 b o o s t 二极管电压峰值 逆变器电感电流频率 逆变器开关管电流峰值 解耦变换器输入电流最大值 另一侧电容电压最大值 解耦变换器开关管电流峰值 m p p t 跟踪时电压给定 逆变器输出功率 逆变器输入功率 母线电容电压峰峰值 解耦变换器另一侧电容 另一侧电容电压纹波峰峰值 解耦变换器输入电流 解耦变换器开关管 b o o s t 效率 解耦变换器效率 b o o s t 输出电流最大值 b o o s t 开关管电压峰值 b o o s t 二极管电压峰值 逆变器电感电流纹波峰峰值 逆变器开关管电压峰值 解耦变换器功率 解耦变换器电感电流纹波 解耦变换器开关管电压峰值 电网电压过零捕获信号 w跏刃挑。吨啊川叭吣k 一 一崎p坼kw跏刃挑。吨誓一叭吣k一p坼 q 刀毋吻如易届吡梳一办k如帆铀 境造成了严重的破坏，日前被广泛关注的全球变暖就是一个例子。如何解决好能源、环境与发 展之间的关系己成为全球的热点问题，也只有解决了这一难题，才能实现经济和社会的可持续 发展，造福人类。 人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步大规模地开发利用可再生绿色 能源，包括太阳能在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类社会 基础能源的重点2 1 。由于太阳能具有普遍性、巨大性、清洁性与可再生性等独特的优势h - 5 1 ， 全球能源专家们一致认定：太阳能将成为2 1 世纪最重要的能源之一。据欧洲联合研究中一l , ( j o i n t r e s e a r c hc e n t e r ，j r c ) 的预测，到未来的2 1 0 0 年，太阳能在整个能源结构中将占6 8 的份额。 目前国际上对太阳能资源十分重视，促使太阳能开发利用技术发展很快1 6 】，自2 0 世纪5 0 年代太阳能光伏集成建筑的兴起，世界范围内的太阳能利用技术已经走过了半个多世纪的历史， 特别是上世纪7 0 年代爆发的世界性的石油危机有力的促进了太阳能的开发利用。当前国际上对 光伏发电的研究主要有两个方向，一个是光伏电池的研究，光伏电池的发电原理是当太阳光线 照射到光伏电池的表面时，一部分光子被硅材料吸收而转换成电能。光伏电池主要以半导体材 料为基础，研究不同材料电池板的发电效率，力求找到一种价格低、转换效率高的太阳能电池 板材料；另一个研究热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集 成应用系统等方面。在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起了大规模的国家光伏发 电计划和太阳能屋顶计划，在它们的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均4 0 以上的高 速增长，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同的高性能逆交器，并网光伏发电已经成为 光伏发电领域研究和发展的最新亮点。进入2 l 世纪后，世界光伏发电系统更是得到了前所未有 的发展，2 0 0 8 年装机总量已达到5 9 5 0 m w ，是2 0 0 4 年的近6 倍，是全球发展最快的新能源。 即使在全球金融危机的影响下，全球光伏装机总量仍然保持一定的增长速度，特别是德国即将 启动4 0 0 0 亿欧元光伏项目，年均装机等于2 0 0 8 年全球总量。 我国于1 9 5 8 年开始研制太阳能电池，1 9 5 9 年第一个有使用价值的太阳能电池诞生，在1 9 7 1 年发射的第二颗人造卫星上首次应用太阳能电池：1 9 7 9 年开始生产单晶硅电池；8 0 年代以后， 国家开始对光伏发电和光伏市场的发展给以支持，经过二十多年的努力，我国光伏发电技术有 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 了很大的发展【7 1 ，光伏电池技术不断进步，已成为世界太阳电池的制造大国。2 0 0 8 年我国太阳 电池产量达2 2 6 0 m w ，占全球总量的3 3 。并且涌现出一批国际化竞争力的企业，如无锡尚德、 保定天威、南京中电电气等。同时，并网逆变器也拥有了一些自主的品牌，如合肥阳光、南京 冠亚等。并且2 0 0 8 年国内光伏装机总量也达到了1 4 0 m w ，建立了诸如上海临港新城1 2 m w 光伏并网发电站、敦煌1 0 m w 光伏并网发电站等一批光伏项目。但是相比于全球装机总量，国 内只占到2 6 ，所以国内光伏市场存在巨大的潜力。为促进光伏产业在国内发展，一些鼓励性 的国家以及地方政策相继出台，如2 0 0 6 年颁布了可再生能源法；2 0 0 9 年3 月，财政部颁布 了扶持太阳能发电建筑的意见和办法；2 0 0 9 年6 月，上海市经信委正式发布 o ，最大功率点的右侧d p d v o 时，电压的给定是变大的，d p d v p 2 ，此时d c d c 变换器提供逆变器所需功率，同时给母线电容充电， 母线电容电压纹波分量v c 上升。到1 8 t 时刻，充电电流逐渐减小为零，母线电容电压v b u s 上 升到最大值； 【1 8 t , 1 4 z 时刻，刃 ， ：t 么 ：卜、一 图3 2 母线电容电压理论曲线 通过工作模态的分析可以看出功率解耦的实质：电容作为一个存储能量的介质，当光伏阵 列的输出功率大于并网逆变器的输出功率时，将多余的能量存储起来，反之，释放能量。可以 把母线电容称之为解耦电容。 下面从定量的角度计算解耦电容纹波与功率、电容平均电压、电容容值之间的关系。在 3 t s ，5 t 8 时间段内，母线电容充入的能量e 为： e ；5 t f i l l 【p i p ：( f ) 】d t ：互已 e = if p i p 2 ( f ) 1 = 二丝 3 赢 同时，e 可以表示为： 触：昙( 吃一) 2 “、“4 ” ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 其中圪嘣，胁分别表示母线电容电压的最大值与最小值。 联立式( 3 - 4 ) 、式( 3 5 ) 可得： c k = o j a l v y 抽( 3 - 6 ) 其中淞即为母线电容电压的平均值，圪表示电容纹波电压的峰峰值。 由式( 3 - 6 ) 可以看出纹波电压的幅值与两级式并网逆变器的功率、母线电压的平均值和母线 电容的容值大小有关。且与母线电压平均值和母线电容容值大小成反比，与输出功率成正比。 这也跟实际的经验相吻合。 2 0 南京航空航天大学硕士学位论文 这也跟实际的经验相吻合。 为验证式( 3 - 6 ) 的正确性，搭建了两级式并网逆变器的仿真电路。图3 3 ( a ) 为在功率为l k w 、 母线电压幅值为4 0 0 v 条件下，电容纹波电压与电容容值大小关系的理论计算结果与仿真得到 结果的对比曲线。图3 3 ( b ) 为母线电压幅值4 0 0 v 、母线电容容值4 7 0 u f 条件下，电容纹波电压 与功率等级关系的对比曲线。可以看出仿真结果与理论计算结果是基本吻合的。 ( a ) 纹波电压与电容容值大小关系( b ) 纹波电压与功率等级关系 图3 3 母线电容纹波电压仿真与理论计算结果对比曲线 ( 2 ) 母线电容电压纹波对逆变器输出的影响 并网逆变器将输入的直流电压通过s p w m 调制，得到满足要求的正弦波。如果输入的直流 电压过低，那么并网逆变器将不能正常工作，入网电流波形严重失真，即波形削项。可以理论 推导并网逆变器正常输出所需的最小直流母线电压。设当前并网逆变器输出功率为p ，其电感 电流大小为： p 0 ( f ) = 吾s i n 国f ( 3 - 7 ) ，j 由图2 3 ( b ) 并网电压电流相位图可知，此时桥臂电压： ( f ) = s i n ( w t + 口) 式中一a r c t 孤等 为了保证稳态时逆变器能够正常工作，要求直流母线电压： ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 由上文分析可知，直流母线电压除了直流分量外，还包含较大的低频纹波。当低频纹波分 量较大时，导致使得式( 3 9 ) 不满足，从而逆变器入网电流畸变，谐波分量增大，功率因数降低。 2 l 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 特别是在光伏阵列输出功率突然降低的情况下，由于2 2 2 节所述的母线电压控制，此时直流母 线电压会有一定幅度的跌落，同时叠加较大的电压纹波时，可能较长时间内不满足( 3 7 ) 式，导 致并网逆变器入网电流波形畸变，动态特性变差。另外母线电压大幅度的波动对后级逆变器的 稳定性也会造成一定的影响。 ( 3 ) 减小母线电容电压纹波的途径 由式( 3 - 6 ) 可知，减小直流母线电压纹波一个直接的方法是在逆变器输入侧并联较大的电容。 但是，较大的电容降低了变换器的动态响应速度，同时也增大了系统的体积、重量和价格。另 外也可以增加母线电压的平均值，即增大d c f d c 交换器的输出电压，这会导致d c d c 变换器 的器件电压应力增大，尤其是副边整流二极管的电压应力，不利于器件的选取和变换器的可靠 性，而且逆变器直流母线高，调制比小，会影响系统的效率。 文献【4 9 】提出了一种快速跟踪模式与慢速跟踪模式的概念，如图3 4 ，通过改变d c d c 变 换器的控制实现电压纹波的减小。文中指出当d c d c 变换器输出侧电流快速地跟踪逆变器输 入侧电流的变化时，母线电容电压纹波的幅度相对较小。其实际机理也可以通过图3 2 分析， 当d c d c 变换器输出侧电流快速地跟踪逆变器输入侧电流时，相当于p j 的功率也在较大幅度 的波动着，所以在l 8 r 周期内，p l - p 2 的绝对值较小，直流母线电容所需要存储( 或释放) 的能量 也随之减少，自然母线电容电压的纹波也降低了。但这种方法使用在两级式光伏并网逆变器上 是没有优势的，前文也提到了，这种情况下前级d c d c 变换器与光伏阵列之间仍然需要一个 比较大的电容来完成功率解耦。 氐哆 o n 图3 1 5 母线电容电压波形 埯 、 i n i 。+ 一。一。 5 0 m s | d i v t 图3 1 7 加大p l 、p 2 值仿真波形 | 耋瓣糯瓣 | | | 蝴觥黼删 萋 图3 1 7 为开环电压型控制条件下加大p l 、p 2 值的仿真波形。其p l 、p 2 值为4 ，图3 1 6 所对应的p l 、p 2 值为2 ，由波形可以看出母线纹波电压下降到了1 2 v 。证实了开环条件下加大 p l 、p 2 值，加大补偿效果。图3 1 8 为减小另一侧电容的仿真波形，另一侧电容减小到3 0 心， p 1 、p 2 值为2 ，另一侧电容电压最低值6 6 2 v 。可以看出母线电压纹波幅度基本不变，其功 场经计算相对图3 1 7 提高了。图3 1 9 为母线电容与另一侧电容均为5 0 心条件下电压型闭环 3 l 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 仿真，给定参考电压对应的纹波电压为1 0 v ，由仿真波形可以看出其纹波电压v c 维持在1 0 v ， 证实了电压闭环控制方法的有效性。图3 2 0 为母线电容与另一侧电容均为5 0 肛条件下，解耦 变换器采用电流型控制策略的仿真波形。母线电压纹波a 叼为1 9 v ，另一侧电容电压平均值吻 稳定在所给定的参考电压6 0 0 v 。图3 2 1 为电流型控制下逆变器输入侧电流的1 0 0 t i z 分量 波形与d c - a p f 电感电流的1 0 0 h z 分量波形，可以看出与的交流分量方向基本相反， 由于此时未能实现完全的补偿，即母线上仍然有电容电压的纹波，所以与梳大小上仍然有 所差别。 3 6 本章小结 毽 叼 。 图3 2 1d c - a p f 电流波形与逆变器输入电流波形 本章分析了两级式并网逆变器母线电容电压纹波产生的原因，定量推导出母线电容电压纹 波与功率等级、母线电压平均值以及母线电容容值大小之间的关系，阐述了母线电容电压纹波 的影响以及减小纹波的方法。分析了解耦交换器的工作原理与意义，指出了解耦变换器对于减 小并网逆变器的体积或提高并网逆变器的寿命具有显著的意义。深入研究了解耦变换器拓扑和 控制原理；并从电流角度分析了母线电容纹波电压产生的机理，揭示了解耦变换器与并联型有 源电力滤波器的相似之处，给出了直流有源滤波器的概念：搭建了带功率解耦变换器的两级式 并网逆变器的仿真模型，该模型证实了理论分析的正确性。 3 2 4 1 设计指标 第四章样机的设计与实现 输入直流电压v m - 15 0 v - 3 5 0 vd c ； 电网电压范围：1 8 0 v - 2 6 0 v 额定2 2 0 v a c ： 输出功率p o 埘：1 0 0 0 w ； 频率孤岛保护范围正4 9 3 h z 一5 0 5 h z ； 并网电流t h d ： 0 9 ； 其它功能：开机缓起，过压过流保护，最大功率跟踪，孤岛检测与保护，功率解耦。 4 2 系统的总体结构 图4 1 带解耦变换器的两级式光伏并网逆变器控制系统结构图 样机总体结构如图4 1 所示。采用一块t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 d s p 实现全数字控制，集 3 3 两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究 成并网控制、最大功率跟踪和孤岛检测与保护功能，采用电压型扰动观察法，逆变器采用s p w m 控制。采样光伏阵列输出电压、电流、电网电压、入网电流、母线电压经电压电流传感器送到 调理电路，调理到适合d s p 处理的范围内，然后d s p 对调理后的各信号进行计算处理，产生 p w m 信号，经驱动电路控制后分别送给前级b o o s t 变换器与后级全桥逆变器。图中，方框部分 为解耦变换器电路，本系统采用开环电压型控制，验证解耦变换器的有效性。其驱动由母线电 压调理后瞬时电压信号与周期平均信号经比较计算处理后经驱动电路产生，另一侧电容电压经 采样调理送入d s p 做过压保护。 4 3 功率电路设计 4 3 1d c d c 变换器 设计b o o s t 变换器工作在电感电流连续状态下。母线电压即b o o s t 变换器输出电压考虑 2 左右的纹波，矽名埘保持在3 9 0 v - 4 1 0 v 之间。b o o s t 变换器开关频率石取5 0 k h z ，假设b o o s t 变换器效率r ll - - - 9 5 ，逆变器效率r i2 - - - 0 5 。 计算最大和最小占空比d ： 4 是小祟一o 6 3 4 ( 4 - 1 ) 。斗恚小翥一o 。3 ( 4 2 ) 输入电压变化时，满载输入电流平均值的最大值： j h m = 生 ： ! ! ! ! ：7 3 9 a 仍仍l l i i n 0 9 5 x 0 9 5 x 1 5 0 输出电流最大值： 厶：j 釜一：j 唑一：2 7 0 a 一仍一i 。0 9 5 x 3 9 0 。 取“。产3 a ，则b o o s t 变换器电感感值为( d ：0 5 时五最大) ： 坠掣：_410 x05x(1-05)：6833岬 虬一z l 3 x 5 x 1 0 4 实际取l = l m h 。选取江西大有铁基非晶磁芯材料。规格为d y f s 0 3 2 2 0 q r ， 不加解耦变换器时，母线解耦电容根据式( 3 6 ) 计算得： = 砸k 3 1 4 x 4 0 0 x 4 x 4 0 0 = 4 9 7 6 汀 ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) ( 4 - 5 ) 绕线8 0 匝。 实际由于e s r 的存在，选取两个4 7 0 p f 4 5 0 v 电解电容并联做为母线电容。同时并联一个 0 4 7 t l f 6 3 0 v c b b 吸收高频分量。 由于大量母线电容承担功率解耦功能，光伏阵列输出侧电容可以取的很小，实际采用 0 4 7 t t f 6 3 0 v c b b 。 3 4 南京航空航天大学硕士学位论文 b o o s t 变换器开关管电压、电流峰值： k ，一= 。= 4 1 0 v ( 4 7 ) k 一= 厶。+ 竽以0 2 + 三- 8 5 2 a ( 4 - 8 ) 考虑一定的裕量，选取i n f i n e o n 公司的c o o lm o s ，型号s p w 4 7 n 6 0 c 3 ( 6 5 0 v ，3 0 a ) b o o s t 变换器二极管电压、电流有效值： 咖。= 一= 4 1 0 v ( 4 9 ) 厶m 。厶一l d 晌= 7 0 2 x 圻- 0 1 0 3 = 6 6 5 a ( 4 - 1 0 ) 考虑一定的裕量，选取c r e e 公司的碳化硅二极管，型号c 3 d 2 0 0 6 0 d ( 6 0 0 v , 2 0 a ) 4 3 2 逆变器 逆变器开关频率局取2 0 k h z ，采用l c 滤波。设定电感电流纹波峰峰值的最大值a 锄。是 满功率输出时正弦电流峰峰值的1 0 ，按电网最低电压设计，即： 屹= 1 0 x - - 等- o h 百4 2 x 1 0 0 0 一o