光伏发电系统逆变器的设计

光伏发电系统逆变器的设计 摘 要 本文根据光伏电池阵列和逆变电路的特点 研究比较了常见的光伏逆变器拓扑结构 本文针对光伏发 电系统 设计了一种并网逆变器 选择由前级 DC DC 电路 和后级 DC AC 电路组成的双极式系统 比较分析了各种 DC DC 电路最终选择了 Boost 电路作为升压电路 后级的 DC AC 电路采用了基本全桥逆变器 在设计光伏并网逆变器的 基础上 利用 Matlab 对系统的各个控制环节以及主电路进 行了仿真 最终验证了控制的正确定性 关键词 Boost 电路 电流跟踪 逆变器 1 逆变器或电源控制器 PCU 在并网太阳能发电系统 中起着非常重要的作用 PCU 的主要作用就是将发电系统中产生的直流电转换为 可以入网的标准交流电 当供电部门中止供电的时候 PCU 会自动切断电源 当太阳能光伏发电系统输出的电能超过 系统负载实际所需的电量时 将多余的电量传输给公共电 网 在阴雨天或者夜晚 太阳能光伏发电系统输出的电能 小于系统负荷实际所需的电能 可通过公共电网补充系统 负载所需要的电能 同时也要保证在公共电网故障或者维 修的时候 太阳能光伏发电系统将不会把电能亏送到公共 电网上 以使系统运行稳定可靠 如图 1 所示 2 Boost 电路工作原理 为了满足并网的要求 升压电路需要将光伏阵列的输 出电压上升为比电网峰值更高的直流电压 图 2 为 Boost 的 电路结构 其中 US 为输入电压 VT 为开关管 C 为储能电 容 L 为升压电感 VT 为快速开关管 使用 PWM 控制 根据升压电感电流的连续与否 Boost 有两种工作方式 连续和断续状态 为了保证电能质量 光伏并网系统中要 求 Boost 必须工作在连续状态 这样才能保证输出电流不为 脉冲状态 Boost 电路有两个工作过程 储能和放电 我们 选择 Boost 变换器为二级非隔离型逆变器的 DC DC 环节变换 器 选择全桥逆变器为 DC AC 电路 其主电路结构如下 采用的光伏并网系统主电路如图 3 所示 并网逆变器 选用两级式非隔离型 本系统中的前级 DC DC 升压电路选 择 Boost 电路 后级为全桥逆变电路 我们选择开关频率为 fs 12 8kHz 所以逆变器输出电压 的实际载频率为 2fs 25 6kHz 我们采用 DSP 作为实现控制 的硬件结构 使用 TMS320LF2407DSP 芯片作为本文控制系 统核心 3 基于 DSP 的并网控制系统 并网系统的整体硬件结构框图如图 4 所示 逆变器数字并网控制系统以 TMS320LF2407 芯片为控制 核心 充分利用了 DSP 的硬件资源 如全比较单元 PWM1 2 PWM3 4 捕获口 CAP2 A D 采样 以及外部中 断 XINT1 等 LF2407 芯片采集外部电压 电流信号并进行 A D 转换 通过 DSP 内部的控制算法计算 PWM 脉宽 控制 逆变器桥臂开关开通或关断 锁定电网电压的频率和相位 控制输出电流单位功率因数并网 4 全桥逆变器控制方式和 PI 整定 我们采用三角波比较的方式对逆变器进行控制 并利 用 PI 整定作为放大器 PI 的参数决定了三角波控制方式的 跟踪特性 三角波载波的频率越高 输出波形谐波更易滤 除 加入 PI 整定环节后的三角波控制方式如图 5 本文将光伏系统设置为二阶系统 其目的是提高光伏 发电系统的动态性能 提高响应速度 并利用最佳的二阶 系统工程方式对 PI 参数进行整定 PI 参数整定后光伏发电系统开环传递函数为 加入 PI 调节能大幅度提升动态性性能 系统响应速度 加快 其中 Tpwm 78us 我们选择了单极性调制作为逆变器的调制方式 那么 必须获得逆变器的输出参考电流才能对系统进行调制 逆 变器的参考电流由电网电压和系统的输出功率等条件获得 参考电流的获取过程原理如图 6 Upv 光伏发电系统 Boost 输出直流电压 Ipv 光伏发电 系统 Boost 输出直流电流 Ugird 是电网电压的有效值 Ppv 是光伏器件的输出功率 其中 Ppv Upv Ipv 在不考虑电 路损耗的情况下 IERF Ppv Ugird 光伏电池的最大功率输出 保持在 3200W 左右 与电网电压平均幅值 220v 相除 得 到逆变器输出电流的幅值 幅值乘以正弦 即得到给定电 流 5 仿真结果 我们利用 Matlab 对控制方式和电路进行了仿真 电流采样仿真如图 7 所示 电流采样的结果如图 8 其中上幅为采样电流 下幅为 d q 转换后的 dv 和电压波形对比 逆变器仿真 逆变器的仿真结构如图 9 逆变器仿真结果如 10 所示 图 10 中第一层示出采样电流波形 第二层示出逆变器 的电流 第三幅为电网电压波形 由图可以看出 逆变转 变后的电流波形与电网电压同相 6 结论 本文针对光伏发电系统设计了一种并网逆变器 重点 选择和研究了主电路和控制方法 选择了主电路的拓扑结 构 设计了前级的 Boost 和后级的全桥逆变电路 分析了主 电路各个部分的工作原理 并对主电路各个器件参数进行 了计算 参考文献 1 王爱超 光伏发电系统中单相并网逆变器的研究 D 曲 阜 曲阜师范大学 2012 96 105 2 日本光发电协会编 刘树民 宏伟译 太阳能光伏发 电系统的设计与施工 M 北京 科学出版社 2006 58 72 3 赵争鸣 陈剑 孙晓瑛 太阳能光伏发电最大功率点 跟踪系统 M 北京 电子工业出版社 2011 389 400 作者