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并网逆变器最大功率转换追踪控制仿真,并网,逆变器,最大,功率,转换,追踪,控制,仿真
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杭州电子科技大学信息工程学院毕业设计（论文）任务书系自动控制系专 业杨桥桥班 级06093111学生姓名杨桥桥指导教师吴秋轩学 号06093033一、题目并网逆变器最大功率转换追踪控制仿真二、内容和要求（理、工科类：包括需达到的技术指标、规定阅读的文献、应完成的图纸和说明书等；经管类：包括实习期间应收集的实际材料、论文要求解决的问题及重点、规定阅读的文献等） 利用simpowersystem工具箱构建DC-DC，DC-AC的框架模型，太阳能电池阵列模型，在DC-DC部分实现最大功率转换跟踪控制仿真。DCAC部分实现220V，50Hz的交流输出。主要技术指标为：太阳能电池板额定直流电压为100V170V。逆变器输出和电网电压同频同相。实现simulink的仿真。在课题研究中，应阅读的文献如下：1陈杰，Matlab宝典M,北京：电子工业出版社，20082车孝轩著.太阳能光伏系统概论M.武汉大学出版社，20063周延，PWM光伏逆变电源DC-DC电路及最大功率点跟踪技术的研究学位论文，山东，山东大学，2006年6月4陈进美，陈峦，光伏发电最大功率跟踪方法的研究。科学技术与工程，2009年9月，第9卷第17期，P4940-P4945 5Trishan Esram，Patrick L.Chapman，Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking TechniquesJ, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION,VOL.22,NO.2,JUNE 2007在研究过程当中，必须详细描述以下内容：1. 光伏阵列、DC-DC电路、DC-AC电路的仿真方法以及仿真过程，以及仿真结果和仿真结果评价。2. 在最大功率上采用的最大功率跟踪算法，实现的效果评价。3. 搭建光伏并网系统的方法以及最后的输出结果分析。三、起止日期及进度安排起止日期：2009年9月17日 至2010年6月14日进度安排：序号时间内容12009.9-2010.2工程训练与生产实习22010.3.10-2010.3.15搜集与课题相关的文献，做好文献综述与外文翻译工作32010.3.15-2010.3.25研究太阳能光伏阵列的物理特性与数学模型42010.3.25-2010.4.5研究最大功率控制算法52010.4.5-2010.4.15研究DC-DC，DC-AC的框架模型62010.4.15-2010.5.12研究Matlab仿真模块simulink72010.5.12-2010.5.22实现最大功率追踪控制算法仿真，并使得达到主要技术指标要求82010.5.22-2010.5.26撰写论文92010.5.26-2010.6.3对论文再次修订，完稿10指导教师（签名）年月日四、教研室审查意见：教研室主任（签名）年月日系批准人（签名）年月日杭州电子科技大学信息工程学院毕业设计（论文）外文文献翻译毕业设计（论文）题目并网逆变器最大功率转换追踪控制仿真翻译题目关于单相光伏并网逆变器的研究系自动控制系专 业电气工程与自动化姓 名杨桥桥班 级06093111学 号06093033指导教师吴秋轩摘要此次研究的重点是连接光伏阵列（PV）与单相电网的逆变器技术。逆变器可以从一下四个方面考虑：1 传递能量的级联数量2 光伏阵列与单相电网之间的去耦电源类型3 是否采用了变压器（无论是线路变压器还是高频变压器）4 并网电网功率大小级别同时对各种逆变器的各种拓扑结构进行介绍，并对于它们的适用条件，寿命，额定部件及成本进行比较，最终，我们可以分析出一种最佳的逆变器拓扑结构应用在单级光伏并网逆变器及或是多级光伏并网逆变器。关键词： AC模块，光伏（PV）发电系统，单相并网逆变器。1.引言伴随着世界用电需求量的不断增加，通过光伏（PV)将功率输送到公用电网变得越来越重要1。在电网中，考虑到与传统能源例如石油、天然气、煤、核能、氢能、风能等相比，光伏系统成本过高，所以采用的并不多。固态逆变器已经被证明使光伏系统接入电网变为可能的技术。在过去，光伏系统的主要成本在于光伏组件上。现在由于在光伏组件生产量的大幅增加，使得光伏组件的价格趋于一种下降的趋势。举个例子，在1992年，每瓦光伏组件的价格为4.4美元到7.9美元之间，现在则降到2.6美元到3.5美元之间2。所以，并网逆变器的成本在光伏系统中变得越来显而易见。所以，每降低每瓦特逆变器的成本，均会使得光伏发电变得更加具有吸引力4。所以重点是，在考虑到高度多样性的逆变器及新的系统配置，就得必须提出一种新的、成本低的、创新的逆变器解决方案。本文从逆变器的要求出发，由公用电网，光伏组件，以及操作者三个部分组成。这将从历史的研究出发，了解这些要求是怎么在过去实现达到的，在现在又是怎么样达到的，以及将来又将是怎么样实现的。接下来再讨论现在已经存在并用于光伏阵列连接到电网的逆变器的拓扑结构。这些工作是用来进一步讨论和评价在未来的时候，在光伏逆变器中，怎样的拓扑结构才是最合适的。最终，本文给出最终的结论。2. 规格，要求和标准用于连接光伏组件与电网的逆变器主要存在两个任务。一是要确保光伏组件工作在最大功率点上（MPP)。另外一个任务是要输入相同正弦电流到电网中。这些任务将会在本节进行系统的研究。2.1由电网规定的要求由于逆变器连接到电网上，所以必须服从公用事业提供的标准。特别是，未来的国际标准（仍然是由委员会草案投票）IEC61727和现在例如EN61000-3-24，IEEE15475和美国国家电气法规（NEC)6906)均值得考虑。这些标准是用来规定电能的质量标准，孤岛效应的检测，接地等等方面。具体可以见表1. 表1 关于光伏系统连接到电网情况的国际主要标准介绍 正如表1所反映的，现在的欧洲标准（在欧洲使用）与相应的IEEE与IEC标准更容易解决电流的谐波问题。这也反映在所选逆变器的拓扑结构上，即从具有大型可控硅的并网逆变器到规模较小的由绝缘栅双极晶体管（IGBT）/ MOSFET组成的并网逆变器。逆变器必须能够检测到孤岛效应，并采取合理的措施去保护使用者及设备7.当因为事故或是损坏情况下，电网必须移去时，逆变器仍应该能够继续对孤岛效应进行检测。换句话说，当电网脱离逆变器时，就应该仅仅当做负载而存在。通常可行的检测方法被分为两种：主动式和被动式。被动式的检测方法对电能质量不会产生任何影响，因为它仅仅监测电网的参数。主动式检测方法在电网中引入一个干扰量，然后观察其引起的效应，这可能会影响电能的质量，同时在多台逆变器与电网进行并网时会存在很多问题78。IEEE5和IEC3标准限制了最大被允许输入电网的电流。限制输入电流的主要目的是避免分散的变压器过于饱和7。但是，有关限制显得相当小（0.5和1.0额定输出电流），而这么小的输入值是的很难精确测量逆变器内部的电流情况。这可以通过提高测量电路或是逆变器与电网之间的高频变压器的方法得以改善。有些逆变器可以在高频DC-DC变换器上嵌入一个变压器用来隔离光伏模块与电网。这虽然不能够解决直流输入问题，但是可以使得光伏模块接地变得更加容易。NEC 6906标准要求当光伏组件的最大输出电压达到某个程度时，例如50V6,7,26.光伏组件应该能够检测到接地系统的故障。接地系统必须保证光伏阵列的正（负）终端连接到地上。这为给很多大功率的变压器系统带来很多问题，因为以中性到线的方式连接到电网的单相逆变器已经是对电网侧接地系统。其他的电力协议只规定光伏组件设备必须要防止没被隔离7,9。设备外壳接地必须防止起火及其他金属设备部分接地。假设无论是是电网的电压和电流都仅仅包括最基本的组成部分，在同相位的时候，瞬时注入电网的功率可以用如下方程来描述： (1) 其中代表是输入平均功率，代表的是角频率，及代表的时间。2.2由光伏组件规定的要求光伏电池模型可以由图1（a）描述，其电力特性曲线可以由图1（b）描述。目前最常见的光伏技术是单晶硅，多晶硅及硅模块，这些技术陈旧，昂贵，同时涉及了微电子生产工艺1。正常情况下，这些光伏组件的最大功率点电压在23到38V之间变动，其功率基本在160W上下，它们的开路电压低于45V. 图1.光伏电池的电路及特性图.(a)由电流和电压定义的电路模型(b)在给定温度下的光照情况下，光伏阵列的特性图。如图所示，光伏组件终端有纹波跟没纹波比较时，会发现当发电功率较低时，会出现纹波现象。然而，新技术像薄层硅，无定形硅，胡图电化学（PEC）正在研发中1,10.这些光伏组件正在经历着越来越便宜的变化之中。这意味着新的电池组件已经看到未来曙光。在每几百安培的单位电池上，这些电池/组件电压变动稳定在0.5V-1.0V上11-13.逆变器必须保证这些光伏组件工作在最大功率点，使得吸收最大可能的太阳能。这就是所谓的最大功率跟踪控制算法。这同时要使得光伏组件的纹波足够的小，使得最大功率点不要有太大的波动。分析图1（a)电路图，可发现电压纹波波动幅度与利用率关系14可以用下式描述： (2)其中，是电压纹波的幅度，和是最大功率点下的功率和电压； 是二阶泰勒公式下近似描述电流的参数，而利用率由理论上最大功率下点的平均发电功率给出。相关参数可以计算如下： (3) (4) (5) (6) (7)通过计算可以发现，要想达到利用率98%，那就必须使得在最大功率点下的电压纹波幅度低于8.5%。举例说明，一个最大功率点下的电压为35V光伏组件的电压纹波不应该高于3V(幅度），只有这样才能使得利用率达到98%。正如前面部分所讲的，输入电网的功率是以正弦波的形式输入，产生了二次谐波，所以在逆变器当中必须要包括一个去耦装置。2.3由经营者规定的要求经营者（业主）也有话讲一下。首先，逆变器必须符合成本效益，这是很容易的，因为这些在今天可以通过类似于单相功率因数校正（PFC）电路和变速驱动器（变速驱动）电路实现。但是，对于输入电压和输入功在非常大的范围内变动情况下，使太阳能辐射及环境温度作用下保持较高的效率，用户同样起了作用。图2表示了正常情况下丹麦年平均照射（欧洲的西北部）15.该图表明大部分照射下的潜在能量在50到1000W/m之间。图2.气象数据(a)丹麦一年的太阳辐射量分布（b)丹麦一年的太阳能分布。辐射的全部时间为4686一年。全部估计能源大概为15此外，该逆变器必须高度可靠（运行寿命长），因为大多数光伏组件制造商提供80的初始效率的25年保修，以及材料和工艺的5年保修27。在逆变器中，最重要的限制因素是用于在光伏组件和单相电网之间对功率去耦的电解电容。其可运行的年份可以由下式描述20： (8)其中，是运行时间，是在温度下的热点温度寿命，是热点温度，是温度上升后，又两者相差引起的使工作寿命减少的参数。但是，该方程假设温度是恒定的，而这种情况只有逆变器在及忽略电容内的功率损失才可能近似达到，同时当逆变器与光伏的组成是交流组件时，该方程就失效了。在不同温度情况下的，可以在方程（8）采用均值的形式，确定工作寿命20。3. 光伏逆变器的评价 3.1过去的集中式逆变器如同图3（a)所示，过去的逆变器是将很多个光伏组件与集中后的逆变器相连接然后接入电网25.光伏组件被分为一系列连接（称为串接），每一组件均产生足够大的电压来避免进一步放大。这些组件以串接的形式进行并接，通过串接二极管，达到足够大功率水平。这些集中式逆变器存在一些限制因素，例如光伏组件与逆变器之间的高压直流电缆，由集中式的最大功率跟踪控制所造成的功率损失，光伏组件之间不匹配所造成的损失，串接二极管造成的损失，以及在大规模生产中难以设计更高的效应收入方案。电网连接部分的换行方式通常通过晶闸管实现，不过存在着电流谐波过多和电能质量过差的缺点。当新的逆变器结构和系统布局出现时，为了应付包括电能质量在内即将出现的要求，使得大量的谐波出现。3.2现在的支路逆变器与交流组件当今的技术包括了支路逆变器与交流模块25.如图3（b)所示，支路逆变器的规模要比集中式逆变器的规模要小，逆变器只连接单个串行光伏组件7.输入电压足够大，这样可以不用再使对电压进行放大。在欧洲使用的系统中，这大概需要16块光伏组件组成。全部16块光伏组件的开路电压可能达到720V,这就要求需要额定电压为1000V的MOSFET/IGBT 来实现半导体达到75%电压的标准。但是，正常的工作电压可以低到450V-510V. 图3.关于过去的光伏逆变器概述（a)过去的集中式技术（b）现在的支路技术(c)现在及将来的多支路技术（d)现在及将来的AC组件与AC电池技术)当然，使用更少的光伏组件也是可能的，这就需要DC-DC变换器或是行频变压器用来实现电压放大。串接二极管和独立的最大功率跟踪控制的功率损失问题就不用考虑到每个连接之中。从大规模生产角度出发，这种连接方式与集中式逆变器相比，其整理效率有所提高，而价格却有所降低。如图3(d)所描述的，AC组件是逆变器与光伏组件之间的一个电气设备7。，因为它只包括单个光伏组件，所以它消除了由于光伏组件不匹配所造成的功率损失。同样对于光伏组件及逆变器之间提供一种优化调整方案，所以可以由独立的最大功率跟踪算法。通过采用模块化的机构，它使得系统的扩大变为了可能。这就相当于一个“插入插头，进行运行”的设备，任何一个人即使对于电气设备没有丁点知识，都可以进行使用，这就是它一个固有特点。另外一方面，考虑到更加复杂的电路拓扑结构，必要的高电压放大设备使得整体效率降低，同样使得单位瓦特的价格升高。还有就是，通过大量生产AC组件可以使得生产成本降低以及零售价格降低。目前的解决方案通常通过IGBT或是MOSFET等自换向的DC-AC逆变器，涉及了高标准的质量要求。3.3.未来的多支路逆变器，AC组件，以及AC电池如图3（c)所示,多支路逆变器时支路逆变器的发展趋势，即通过很多支路与自身带有的DC-DC逆变器连接然后共同连接到同一个DC-AC逆变器上7,28.考虑到每个支路都可以独立地被操作，所以这与集中式系统经济得多。所以，经营者首先应该从少数组件开始自己的光伏发电计划。进一步扩大发电就变得很容易达到，因为只需将新的DC-DC逆变器支路搭建到已经存在的平台上。一个高效率而言灵活的设计就能得以实现。最终，交流电池逆变电源就是一个光伏电源连接到DC-AC变换器的一种情况11-13。最大挑战是，设计者必须设计出一个能够将很低的电压（即每平方米0.5-1.0V,功率100W）放大到电网合适的程度，同时达到较高的效率。所以基于同样的原因，全新的变换器方案也就很有必要去研究了。4逆变器拓扑的分类下面是对不同逆变器拓扑结构的分类。根据能量传递过程的级数，功率去耦电容的位置，以及是否采用变压器和电网的连接类型可以对逆变器拓扑结构进行分类。4.1能量处理的级数在这里，能量处理的级数是首先要考虑的。图4介绍了三种单级及多级逆变器的情况。图4（a)是单级逆变器，它通过自身来实现所有功能，即最大功率跟踪，电网电流控制以及可能对电压进行放大。这是一个典型的集中式逆变器结构，有着其相关的缺点。根据图（1）逆变器的设计必须能够处理比额定功率大两倍的峰值功率。图4（b）描述了一个双极逆变器。在DC-DC变换器上实现最大功率跟踪控制（同时可能对电压进行放大）通过控制DC-AC逆变器，从DC-DC逆变器输出的可以是无纹波的交流电压（DC-DC变换器只被设计来处理额定功率)，或是DC-DC变换器输出的电流经过调制使得精确地服从正弦波(DC-DC变换器可以处理两倍于额定功率的峰值功率）。DC-AC逆变器在过去控制方法是通过脉宽调制(PWM）实现或是继电控制。对于后者，DC-AC逆变器通过改变线路频率，对电流进行全波整流使其变为全波正弦，同时DC-DC变换器对于电流进行控制。当额定功率低的时候，后者将会达到较高的效率。另一方面，当额定功率高的时候，显然用PWM模式来控制并网逆变器更明智。图4.三种逆变器类型。请注意，光伏组件可以被理解成一个单独的光伏组件，或是多个光伏组件以串联/并联的形式连接。(a)单级能量处理包括了最大功率跟踪，电压放大，以及电网电流控制。（b)两级能量处理中，DC-DC部分处理最大功率跟踪，DC-AC实现电网电流控制，电压放大可以在这部分同时实现。（c)两级式逆变器，每个光伏组件或是支路都在特定的DC-DC部分，但是连接到相同的DC/AC部分。在最后，图4(c)是多级逆变器的方案。它只要求各个DC-DC变换器实现最大功率跟踪及对电压放大的可能。DC-DC逆变器与实现电网电流控制的DC-AC逆变器直流环节相连接。通过更好地控制各个光伏组件/阵列以及可能基于VSD技术标准的普通DC-AC逆变器，使得效果更加明显。4.2.功率解耦一般通过一个电解电容可以实现功率解耦。在较早的时候，该组件是主要限制因素是其使用年限。因此，应使其保持尽可能小，最好用薄膜电容器替代。电容应该以并联的方式与光伏组件或是与逆变器之间的直流环节连接，这可以通过图（5）来解释。去耦电容的大小可以表示为： (9)其中是光伏组件的额定功率；是通过电容的平均电压；是纹波的幅度。方程（9）基于一个事实，当是恒定的时候，则来自光伏组件的电流是纯粹的直流，而来自并网逆变器的电流却是服从波形。将把（2）的结果代入方程(9)中，那就需要把2.4mf的电容以并联的方式与光伏组件连接。在另外一方面，如果将电容置于直流环节，在380V及纹波幅度20V的光伏组件情况中，那就可以采用33uf电容，其效果是一样的。图5.不同情况下的功率去耦电容。(a)单级逆变器时，去耦电容与光伏组件并联(b)多级逆变器时，去耦电容与光伏组件及直流环节并联4.3变压器和连接方式 在较早的时候，一些逆变器在高频DC-DC变换器和DC-AC逆变器之间嵌入了变压器，另外一些则使用行频变压器连接到电网上，还有最后一些逆变器不包括变压器（如图6）。由于增加了逆变器的规模，重量以及价格，行频变压器被认为是一个较差的部件。现在使用的逆变器通常使用高频变压器，这是由全新的设计例如印刷电路板（PCB)的集成磁性部件所带来的36。在光伏逆变器中，变压器是一个很难处理的部分。在早先时候，只要最大输出电压低于50V，就可以不用考虑光伏组件的接地系统。在另一方面，当输入电压在23至45V之间，很难再没有变压器的情况下，对高频电压进行放大。还有就是，当变压器输入够高时，变压器就成为多余的部件了。当逆变器的输入与输出均接地时，一个正常的全桥逆变器就不能当作并网的接口。此外，大部分光伏组件都包括容量为0.1nf到1nf的电容组件用于接地25。这也导致了光伏组件（阵列）之间在电路中严重的电感震荡。只有少数高压输入无变压器拓扑结构可以在使输入和输出还未知道的情况下，使其同时接地。其中一种框架如图7所示。图6.逆变器嵌入变压器的几个例子(a)在电网和逆变器之间放置行频变压器(LFT)用来解决直流电流输送电网的问题(b)在并网逆变器的高频环节中放置高频变压器(c)在并网光伏组件DC-DC变换器中放置高频变压器 图7.基于单相共模（CM）和差模（DM）的EMI滤波及无变压器的高电压输入的逆变器4.4电网接口类型由于光伏逆变器其中一个目的是将正弦电流输入到电网中，所以当逆变器工作在电流源时才可以进行分类。如图8所示的四种以及可能更多的并网逆变器。图8(a)和8(b)逆变器的拓扑结构是行频换向电流源逆变器（CSIs).通过调整/控制电流输入阶段使其成跟随正弦波的形式，其任务是使电路重新形成正弦波输入电网。该电路采用零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），因此，由半导体造成的损失依旧存在。图8.并网逆变器级数.（a)和(b)线路换频的频率是开关频率的两倍。(c)和（d)在脉宽调制及继电模式下的高频自换向开关频率的电压源逆变器（VSI)由于在另一个阶段才对电流进行调整，同时根据(1)以及电源去耦必须通过一个电容以并联的方式与光伏组件连接实现，所以另一个阶段的峰值功率必须是额定功率的两倍。图8（a)变换器的形式是单一的次级绕组变压器推挽式，而图8(b)的电路是二次绕组反激式电路。图8（c)的拓扑结构式是标准的全桥三电平逆变器VSI,可以通过通过应用正/负直流链路或零电压产生正弦电网电流，输入到电网及并网电感中。通过电网和电感的电压通常要进行脉宽调制，但是也可以使用滞后（继电式）电流控制。图8（c)另外一种拓扑结构是半桥二电平逆变器VSI,只能产生两个不同的电压，同时需要双倍的直流电压和双切换频率，才能获得为全桥相同的性能。图8（d)的拓扑结构是半桥二极管钳位三电平逆变器VSI，是很多不同复合逆变器中的一种，可以在电网和电感中产生3,5,6中不同的电压。由于可以降低不同晶体管的开关频率，这使得平均时间及电能质量都可以得到保证。CSI中的晶体管的控制信号以及电网电流波形的基准都是通过测量电网电压或过零检测实现的。这可能会导致电能质量严重下降以及出现不应该出现的错误。根据文献8,这些问题出现的主要原因是背景（电压）谐波及设计错误。由于逆变器电流的正反馈或是过零检测造成的干扰信号，使得在电网周围的放置电容器（例如冰箱），这些谐波可能引发一系列谐波共振。解决该问题的一个方案可以是通过使用锁相回路（PLL)固定电流波形作为高质量的标准。5.AC组件AC组件将一个光伏组件与并网逆变器连接在一起如图3(d)。根据以上讨论，逆变器型号应该是嵌入高频变压器的双极式。通过研究文献25-35中的AC组件部分，可以知道一些经典的关于AC组件方案，文献中整理出的结果见表格2. 表2.AC组件的概述，在效率一栏中，M表示最大效率，E代表欧洲效率，N表示正常情况下的效率图9展现的是100W的反激式逆变器拓扑结构。电路由一个环绕着的单晶体反激式变换器和中心抽头变压器组成。变压器的两个输出通过两个MOSFET、两个二极管和一个共同的滤波电路与电网相连接（一次输入一次信号）37。反激式逆变器可以通过这种方式同时产生一个正极和一个负极的输出电流。 图9.100W的反激式逆变器拓扑结构图10展现的105W的反激式Buck-Boost逆变器拓扑结构38.为了在反激式逆变器中省略Buck-Boost变换器，可以加入一个大型号的去耦电容。变压器中漏电感由尖峰电压通过正在关断中的图10中所标记的晶体管所引起的。由以前的拓扑结构知道，RCD耗散钳位可以用来防止正常情况下的过电压。但是，RCD耗散钳位电路会与Buck-Boost电路产生很强的交互使用，使得逆变器出现故障。在下节中，可以通过调整Shimizu拓扑结构来解决39。进而储能电容必须承受起整个电流负载，即提高对电流纹波容量的要求。图10.105W的反激式Buck-Boost逆变器拓扑结构 图11.拓扑结构加以改进后结构图39图11中的额定功率为160W的逆变器是将过去的拓扑结构加以改进后研制出来的。其最大的改进地方就是通过两个反激式晶体管变换器代替了反激式单晶体变换器，从而克服了过电压问题。图12.两级式双晶体管反激式逆变器40图12中160w的逆变器拓扑结构是Buck-Boost结构，同样有部分能量存储在漏电感中。这些能量通过体二极管即晶体管和得以恢复。在另一个方面，二极管阻止能量的恢复，而在文献40中没有给出所使用的上拉电路更加具体的信息。图13.150w反激式DC-DC变换器连接行频交换变压器结构41图13的拓扑结构是150w反激式DC-DC变换器连接行频交换变压器结构41.在文献42中，除了在电网直流环节部分没有滤波组件之外，其拓扑结构是一致，不过文献42中是100W逆变器。行频DC-AC逆变器均装了晶闸管，使得其开通变得很麻烦，因为这必须要其终端输入电流才能进行控制。图14.100W反激式DC-DC变换器与一个PWM DC-AC逆变器相连接43,44图14逆变器的拓扑结构是一个100W反激式DC-DC变换器与一个PWM DC-AC逆变器相连接的形式43,44.其输出阶段由四个高频率切换的晶体管组成。电网电流通过在内通过直流环节到电感的电压正极或是负极交替变换（电压连续通过），以及在（是占空比，是开关周期）的零电压实现控制。图15.串联谐振DC-DC变换器连接继电型DC-AC逆变器36,45图15逆变器的结构是110W的串联谐振DC-DC变换器和高频逆变器连接到电网36,而在文献45中则是250W.在这里的串联谐振逆变器是首次出现的谐振逆变器。从电网这侧看，不能通过使用整理器对逆变器连接到电网部分进行调整，但是可以通过额外二极管做到。这样做的优点在于逆变器首次连接到电网时，不会出现浪涌电流。图16.Mastervolt Soladin 120 商用逆变器14如图16的拓扑结构，型号为Mastervolt Soladin 120 的商用逆变器是“即插即用”逆变器。，在电压为20到40V时，额定输入功率为90W, 但是使其峰值功率达到120W还是有可能的。型号为 Soladin 120逆变器采用了双极无固定功率去耦装置拓扑结构。由于电容以并联的方式与光伏组件相连接，所以其容量很大（在50V时为21000mf)足以用来能量缓冲器。根据部分2,B.在全额发电下，光伏利用系数0.984到0.993时相应的小信号幅度在1.8到3V变动。6.支路及多支路逆变器支路及多支路系统由与并网逆变器相连接的一个或是几个光伏组件组成具体见图3（b)和(c).根据以上的讨论，逆变器的类型应该是带有或不带有高频变压器的单级或是多级结构。下面介绍关于支路与多支路逆变器比较经典的方案。图17的逆变器结构是带有变压器的半桥二极管钳位三电平逆变器25,47开通和可以产生正极电压输出，开通和可以产生过零电压，开通和可以产生负极电压。两个光伏阵列中均要接并网地线或是中线，这样可以使接地电容电流减少，同时逆变器可以轻松地达到NEC690标准。根据添加更多的晶体管，和光伏支路可以进一步地将逆变器分成五个等级。但是，这就要求对外面的支路(例如图17中的位于#0和#1的支路并未给以说明）严格设计，因为它们的负载与支路#1和#2并不一致。另外的严重的缺点是只有在并网电压处于正极时，支路#1才投入工作。反过来对于支路#2也是一样的。这就要求去耦电容在与第四节部分比较要有一个更大的近似参数。这使得成本或是工作寿命处于劣势。图17.带有变压器的半桥二极管钳位三电平逆变器25,47图18所示的逆变器是一个连接两个光伏支路的二电平逆变器48,49.该逆变器只能产生两级输出电压，所以开关频率必须是前面提到的逆变器的两倍，只有这样才能与相应并网电感匹配。该拓扑结构与原先提到的拓扑结构最大的不同之处在于：通过晶体管和以及电感实现电路的发电控制(GCC),让每个光伏支路成为独立的负载。实际上，即使移去其中一条光伏支路，电流还是能够以正弦波的形式输入到电网中。由于独立的最大功率跟踪控制算法能够应用在不同的光伏支路上，这使得电路的发电控制变得很有优势。通过给另外的光伏支路增加晶体管、电容、和电感使得系统的进一步扩展变得相当容易。这种拓扑结构以及图17所给出的拓扑结构的缺点在于降压的特性：最低输入电压必须高于电网的最高电压。例如，电网的最高电压近似于，而通过光伏组件的最大电压为23V-3V(最大功率点下的电压在通过光伏组件时还会受100Hz的纹波影响).所以，在前者拓扑结构中各有最小18块组件的支路会在后者的拓扑结构中要求为由最小9块组件组成。图18.公用光伏交换发电控制48,49如图19中的商用逆变器(SMA Sunny Boy 5000TL33,50)的规格如下：有三条光伏支路，其中每条支路的额定功率为2200W,其工作电压在125V到750V之间，各自采用了独立的最大功率跟踪控制算法。该电路的光伏支路的接口是标准的升压变换器，其优点如下：变换器终端输出的高频电流纹波可以较好的由薄膜电容器进行滤波。并网DC-AC逆变器是二电平逆变器。由此指出一点，该光伏支路显然不能系统接地时，所以逆变器不符合美国的NEC690标准。图19.商用逆变器(SMA Sunny Boy 5000TL33,50)最后，如图20中原始设备制造商（OEM)的逆变器（PowerLynx Powerlink PV 4.5 kW51,52)同样有三条光伏支路，每条支路的输入电压为200V到500V，额定功率为1500W。DC-DC变换器由电流源全桥逆变器及高频变压器和整流器组成。由于逆变器中对光伏支路与电网之间进行了隔离，所以光伏支路可以进行系统接地，满足了NEC690的标准。再者，由于不用考虑滤波电容，这使得电流源的输出阶段变得更具优势。此外，二极管整流器的电流换向涉及了二极管反向恢复能力以及低电压的承受能力。并网DC-AC逆变器是三相电平逆变器。图20.原始设备制造商（OEM)的逆变器（PowerLynx Powerlink PV 4.5 kW51,52)7.综合讨论7.1方法文献14对逆变器组件从额定构件、相对成本、工作寿命、以及在欧洲运行时的效率角度作了系统的评价。具体结果可以见表3.半导体的评价等级是在衰减因数0.23(峰值电压的衰减因数为0.75以及平均或是均方根电流的衰减因数为0.30)下,由平均或是均方根电流和不得不承受的峰值电压决定。例如，图16逆变器中的光伏侧的晶体管必须能够承受90V的峰值电压以及7.6A的均方根电流，所以，它们的评级为每3.0KVA.变压器的规格由固定的几何中心线圈确定： (10)其中，是绕组电阻，是线圈上的外加伏秒，是线圈上总电流，是关断频率，是铜的导电系数，是变压器中损失的总功率，而则是作为最大磁通密度和频率下的铁芯能量损失的参数。使铁心上损失的全部能量限定在一个值上，可以保证环境和铁心表面最大的差异温度不超过40度.相对的成本可以通过对不同供应商的产品进行线性回归分析，然后给出评价等级。通过下面的关系我们可以确定相对成本如下： 针对电容 (11） 针对磁性元件 (12) 针对光伏侧的MOSFETs (13) 针对电网侧的MOSFETs （14） 针对整流二极管 (15）其中是储存在电容中的能量，和用来评价半导体的级别。工作寿命是根据去耦电容的规模以及所承受大电流大小给出的，电容中由高电流导致的高功率损失，使得电容内产生了热点，以及温度的升高都是影响工作寿命的主要因素。根据从元件研究得到“标准”元件，每个逆变器的效率可以从工作的六个不同角度进行评价。由欧洲的效率定义，可以知道单独的效率方程如下： (16)该指数值等于额定功率的百分比32。这是为了在部分负荷下，对逆变器进行一个合理的比较。表3对于AC组件的七种逆变器拓扑结构评价7.2AC逆变器组件像图8(a)和8(b)电路的双极CSI必须要有功率较大电解去耦电容，而电平逆变器的去耦则可以通过一个较小的电解电容实现。考虑到法案规定了工作寿命的标准的优点，所以电解电容变成为了逆变器主要的限制元件。当研究欧洲逆变器效率时，图11和图16的逆变器电路与其它电路截然不同。图11逆变器由于光伏侧半导体要求高电压规格，同时电路中有大电流通过，所以其效率较低。图16的推免式逆变器较其它逆变器而言有较高的效率。在光伏侧的逆变器，由于只有两个晶体管承载电路，所以导电性良好，使得其效率较高。另外一方面，两个晶体管的电压应力是其它逆变器的两倍（除了图11中的一种）。这样同样被认为该逆变器半导体的标准比其它逆变器要高。所以基于这样的比较，图16的推免逆变器值得大家选择，它效率高，价格相对便宜，当然，对于它最薄弱的地方即去耦电容，也得加以考虑。7.3支路与多支路逆变器在本文中，支路与多支路逆变器是最新的研究成果。此类逆变器具体可见表4。 表4.对四种支路与多支路逆变器拓扑结构的评价。去耦电容率根据(9)来计算，每条支路的光伏组件数量根据额定功率和电压变化范围确定多层次双极HBDC逆变器也是不错的选择，但是如图17所示，由于它只能承担并网的一半负载，这就使去耦电容设计变得相当困难。一种解决方案应当考虑到类似于图18中的发电控制平衡回路的平衡回路。本文所研究的两种拓扑结构（见图18和19)使用了双极脉宽调制开关的形式连接到电网中。对于图18的GCC逆变器确实有利，但是对于图19的拓扑结构就不是如此，因为这要求较高的直流环节电压以及用两个去耦电容串联创建一个中点。除此之外，图19的逆变器由于不能系统接地使得其达不到NEC690的标准，而且由于光伏组件电容的接地，使得光伏组件的端口产生了共模电磁噪声导致接地电流过大。最后提到拓扑结构是：每个个光伏支路由电流驱动的全桥DC-DC逆变器连接高频变压器组成。该方案与前面提到的逆变器相比，要求更多的组件，同时它的规格更低，但是容易实现大规模生产，而且作为商用逆变器有着较高的效率和并网表现。8.结论本研究考虑到了光伏逆变器一些标准，以及确保并网的实现情况下，把重点放在了电能的质量，直流电流输入电网情况，孤岛效应的检测，以及系统的接地上。同样光伏组件的要求进行了研究，特别是对于光伏组件与电网之间的功率去耦的作用进行了深入研究。其中一个重要的发现是，为了使全额发电的效率达到98%，必须将通过光伏组件的纹波幅度控制在3.0V以内。此外，对于经营者的需要进行了讨论，即怎样使成本更低，怎样使效率更高以及怎样运行时间更长方面接下来的部分对于过去所采用的方案做了一个历史性总结，即通过集中式逆变器将很多个光伏组件连接到电网之中。与支路逆变器相比，集中式逆变器存在很多的不足。通过增加更多的支路连接到共同的DC-AC逆变器上，而且每条支路有着独立的DC-DC变换器及最大功率跟踪控制算法，使得多支路逆变器的出现变成了可能。这被认为将来的一种逆变器方案。在这个领域里，另外一种趋势就是AC组件的发展，即每个光伏组件可以通过自身的DC-AC逆变器输入到电网中。对于过去的逆变器，可以从以下角度研究：能量处理的级数、光伏组件与电网之间功率去耦的类型、变压器及其连接方式以及并网的方式。关于分类的结果如下：1） 除非输入电压足够大，使得不用继续在电路中进行放大，大规模集中式单级逆变器就不应该被考虑使用。由于二级两级式逆变器需要对电压进行放大，所以可以在AC组件和AC电池中使用。另外，如果需要多条支路连入到电网中，多支路方案显然是最好的选择。2） 当光伏组件通过串联的方式连接达到较高电压输送到逆变器时，把逆变器直流环节部分的去耦电容移去后，对结果不会有太大的影响。另一方面，在AC组件及AC电池情况下，电容最合适的位置是直流环节，因为该位置电压的高低及波动大小对于系统利用率没有太大的影响。为了增加可靠性，可以考虑用薄膜电容来替换电解电容，不过这使得成本变得更高，尤其在高功率逆变器需要容量更大的电容时。还有就是，高度的可靠性也是评价成本的一个主要依据。3） 在AC组件和AC电池的设计中，应该要将高频变压器应用到电压放大上。在较大的系统中引入一个高频变压器可以避免光伏组件与主电路中的电感发生电磁共振。但是，一种能够让输入及输出端同时接地的逆变器拓扑结构也是可以减少共振的产生。在美国，当光伏开路电压高于50V时，就得计划进行双重接地，而在欧洲和日本就不用考虑这些4） 行频变压器适合例如AC组件等功率较低的情况。另一方面，高频变压器VSI同时适合小功率和大功率系统，即在AC组件，单支路和多支路情况下的逆变器系统通过本文，确定关于逆变器的选择规则，同时对于七种AC组件逆变器和四种多支路逆变器进行了研究。这可以归纳到各自的拓扑结构中。文献14所研究出的160WAC组件逆变器最适合应用在图16中但是，文献14中逆变器却难以应用在单支路及多支路光伏系统中，不过通过本文研究，可以利用图18和20中的逆变器来应对。参考文献1 J. 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