光伏并网微型逆变器（共7篇）
光伏并网微型逆变器 篇1
光伏并网微型逆变器(简称微逆)是将单一的光伏电池组件输出的直流电直接转化为交流电,并能在较宽功率范围跟踪最大功率点,避免局部阴影造成整个光伏发电系统的发电量大幅下降问题[1,2,3,4,5],因此微逆的应用前景非常广阔。
但微逆输出功率中含有2倍工频频率的功率脉动,所以微逆的瞬间输入功率和输出功率不平衡,需要在光伏组件输出侧并联大容量电解电容抑制瞬时功率波动。但因电解电容寿命较短,远低于微逆寿命要求,所以影响微逆寿命和稳定性。近年来,国内外学者研究了多种功率解耦技术[6,7,8,9,10,11],使得微逆的解耦电容容量大大减小,从而将寿命较短的电解电容用小容量、长寿命的薄膜电容代替,以提高微逆的可靠性和使用寿命。
通过区别电路中解耦电容的加入位置,可以将解耦电路类型分为4类:光伏组件输出侧解耦、逆变器直流母线侧解耦、三端口电路解耦以及电网侧解耦[8,9,10,11]。对于光伏组件输出侧解耦的方法[4],解耦电路可以与光伏组件串联和并联。总体而言,电路结构简单,解耦电容电压低,使用元器件较少,电路中的开关管电压应力小。解耦电路并联连接好于串联连接,因为解耦电路并联连接时,只须处理电路中的脉动功率。而解耦电路串联连接时,光伏组件输出的全部功率都要经过解耦电路,这样会使得整个电路效率降低,而且开关管上的电流应力也会增加。对于逆变器直流母线侧解耦,通过DC/DC变换可以升高逆变器直流母线电压,从而达到降低电容容值的目的[12,13],但须协调控制直流母线电压,否则在输入功率和输出功率瞬时不平衡时会引起母线电压陡升或突降,不利系统稳定。对于3端口电路解耦,1个端口实现MPPT功能,1个端口完成DC/AC逆变器逆变功能,还有1个端口用于实现功率解耦。解耦电路与光伏组件隔离,因此解耦电容上的大电压纹波不会影响到光伏组件的输出特性。但是控制相对复杂,电路成本偏高。对于电网侧解耦,在电网和逆变器之间增加1个连接解耦电容的辅助桥臂,通过控制解耦电容两端的电压来实现功率解耦。其缺点是需要使用双向开关,控制复杂,成本高。
上述共讨论了4种不同的解耦方法,它们在控制方法以及硬件实现上各有优缺点。本文从功率解耦原理出发,分析了不同功率解耦技术,并对一种双向半桥式DC/DC解耦电路进行深入研究。
1 双向半桥式DC/DC解耦电路
本文在有源钳位反激式并网微型逆变器的基础上,采用如图1所示的双向半桥式DC/DC变换器在光伏电池输出侧并联解耦电路的方法来进行功率解耦,本节具体分析所采用的双向半桥式DC/DC变换器解耦电路。
1.1 工作原理
如图1所示,双向半桥式DC/DC变换器解耦电路主要由1个Boost升压电路和1个Buck降压电路有机组合而成。
有源钳位反激式微型逆变器的具体工作过程与上述中分析的相同,因此不再赘述,本节着重分析反激变换器和功率解耦电路两者的工作状态。根据光伏电池组件的输出功率Ppv即反激变换器的输入功率与反激变换器的输出功率Pac(t)的比较,可以看成是两种工作模式,如图2所示。模式1:当逆变器输入功率Ppv大于输出功率Pac(t)时,此时多余的能量经过解耦电路储存在解耦电容上;模式2:当输入功率Ppv小于输出功率Pac(t)时,解耦电容放电以满足并网能量需要。
1.2 电路工作模态分析
PWM控制方法有两种方式:1)采用互补PWM控制时,开关管S7和S8互补导通,这种控制实现简单,但是在解耦电路中,当功率流动方向不变时,解耦电路中的电感电流单方向流动,因此1个功率开关管开关完全满足该情况;2)开关管互补导通时,控制方式相对较为复杂,为防止同一桥臂2个开关管直通须加入死区。本课题解耦电路开关管采用独立PWM控制,当S7工作于PWM方式时,S8始终关断;当开关管S8工作于PWM方式时,开关管S7始终关断。
非隔离双向半桥DC/DC变换器有两种工作模式:
1)Buck降压模式。在光伏组件输出功率Ppv大于Pac(t)时,开关管S7工作,S8截止,D8为续流二极管,电路为Buck电路,光伏组件输出功率多余的能量通过解耦电路向解耦电容充电,如图3所示,能量由Vdc流向Vsc,吸收能量。此工作模式下,若电感电流连续,则输入电压与输出电压的关系为
式中:D1为Buck电路工作时的占空比。
2)Boost升压模式。当Ppv小于Pac(t)时,此时解耦电容通过解耦电路向光伏组件输出侧释放能量,开关管S8工作,S7截止,D7为续流二极管。电路为Boost电路,如图4所示,能量由Vsc流向Vdc,释放能量。此工作模式下,若电感电流连续,则输入电压与输出电压的关系为
式中:D2为Boost电路工作时的占空比。
1.3 解耦电容设计
光伏组件输出功率Ppv为
式中:Vpv,ipv分别为光伏组件的输出电压与电流。
在单位功率因数条件下注入电网的正弦电流以及电网电压分别由下式表示:
式中:ω为电网电压的角频率。
因此,微逆的瞬时输出功率Pac(t)可表示为
在理想情况下,假设逆变器损耗为零,逆变器并网输出功率Pac(t)的平均值是恒定的,与光伏电池组件的输出功率相等。因此Pac(t)中的另一个分量,100 Hz的脉动就是要通过一定方法来抑制的解耦功率Pd(t),表示为
电解电容常被用作电路中的解耦元件。当Ppv大于Pac(t)时,Pd(t)为正,瞬时过程中Pd(t)这部分功率存储在解耦电容中;而当Ppv小于Pac(t)时,Pd(t)为负,此时解耦电容又通过释放能量以补充输出所需要的功率。输出电流、电压以及相关的功率波形如图5所示。其中,Tac为工频周期。
下面计算解耦电容和解耦功率的关系。现假定解耦电容上的电压由2个分量组成:电压纹波ΔV和平均电压Vac。在0到Tac/8的时间内,对解耦功率积分,得到其对应的能量Ed,可以表示为
其中,Ed是1个常量,与积分时间无关,仅与电网的50 Hz工频周期与逆变器的功率相关。而从电容存储能量角度出发,一样大小的能量可用电容电压变化的形式表示,即:
由Ed=Ec,可以得出解耦电容Cd与解耦能量的关系:
可见,在固定的电网频率和一定的输出功率下,逆变器解耦电容容值的大小取决于电压纹波以及电容上的电压平均值。最常用的解耦方法是在光伏电池组件的输出侧并联大的电解电容,达到解耦效果,这样Vav=Vpv。同时解耦电容上的电压纹波需在2%以内波动,这样才能使光伏电池组件的寿命得到保证。因此解耦电容的容值需要很大才能满足上面的限制条件,解耦电容只能选用电解电容。
由式(10)可知,如果增加电容电压纹波ΔV和解耦电容的电压平均值Vav,则会使解耦电容值明显减小。当电容容值减小到一定程度时,就可以使用薄膜电容作为解耦电容,将会消除电解电容作为解耦元件时对逆变器寿命的影响。
由式(10)可以得到电容电压纹波ΔV与电容电压平均值Vav之间的关系:
电容的最低电压VL=Vav-ΔV应该大于光伏电池组件的输出电压Vpv。如果VL=Vpv,则可以得出下面公式:
由上面的推论可看到,解耦电容电压纹波值ΔV和电容电压平均值Vav与解耦电容Cd的关系与电路拓扑无关,仅与电网频率和逆变器输入电压、输出功率有关。假设逆变器输出功率Ppv=100 W,光伏组件输入电压40 V,电网频率50 Hz。根据式(11)和式(12)可以绘出Vav,ΔV与Cd的关系,如图6所示。
由图6可以看出,解耦电容的容值随电容电压纹波ΔV和电容电压平均值Vav的增大而减小。
由图5可知,解耦电容存储的瞬时能量可以计算为
即
可以得到解耦电容的瞬时电压为
由以上分析可知,在一定的电网频率和输出功率下,解耦电容的容值大小与其电容上的电压与纹波有关,提高电容电压或者纹波都可以减小功率解耦电容的容值。
2 仿真分析
仿真参数为:光伏输入电压Vin=25~45 V,输出电压Vg=220 V/50 Hz,额定输出功率Po=100 W,开关频率fs=40 k Hz,高频变压器的匝比N=Np/Ns=1∶6,钳位电容Cc=0.1μF,滤波电感Lf1=1 m H,滤波电容Cg=0.22μF。
图7a是电网电压为220 V下仿真电流并网电流波形及光伏电池输入功率、光伏电池输入电压、电流波形。由图7a可以看出并网电流幅值为0.48 A左右,功率计算出来为100 W;图7b为并网电压220 V时的并网电压、电流波形,并网电流的幅值按比例增加200倍。可以看到,电网电压与电流同频同相,在双环控制下,并网电流达到给定0.48 A,无静差,并网电流正弦度很好;图7c中THD=3.36%,满足并网要求;图7d为Buck-boost电路抑制功率脉动的仿真波形,其中直流母线解耦电容由原来的8 800μF变为220μF,0.05 s直流母线接入Buck-boost电路进行脉动抑制,由仿真可以看到Vpv波动由34~38 V变为35.5~37 V,Ppv由0~200 W波动变为80~160 W。
图8所示为主开关管S5有源钳位实现零电压开通的仿真波形。可以看到,当主开关管S5的漏源极电压Vds降到接近零伏以后,主开关管S5的驱动脉冲到达使之开通,有效实现了零电压开通。
3 实验验证
搭建了一台以英飞凌XE162FL单片机为控制核心的100 W单相光伏并网逆变器样机,采用电流双闭环控制方法,对系统电路的工作原理、电路参数进行了实验验证,样机具体参数如下:光伏输入电压Vpv=25~45 V,额定输出功率Po=100 W,开关频率fs=40 k Hz,最大占空比Dmax=0.45,直流滤波电容Cin=4×2 200μF/63 V,钳位电容Cc=0.1μF,滤波电感Lf1=1 m H,滤波电容Cg=0.22μF。变压器:磁芯为TDK PC40,型号为ETD29,原副边匝比为6∶36,原边的励磁电感量Lp1=Lp2=57μH,原边漏感Lσ1=Lσ2=0.7μH。开关器件:S5—IRFS4321;S6—16N25C;S1,S3—SCRS8008D;S2,S4—60R190C6。
图9a为并网逆变器在输出功率为100 W时的直流输入电压Vpv、输入电流ipv、并网电流iac、电网电压Vac波形。从图中可以看出,直流输入电压和直流输入电流均存在100 Hz脉动,并网电流波形正弦度较好,与电网电压同频、同相,并网电流THD为4.42%,满足国家标准。图9b为有源钳位电路实现主开关管零电压开通的波形。
图10是验证解耦电路部分的实验,其中直流母线解耦电容由8 800μF降低至2 200μF。图10a、图10b分别为解耦电路未工作和工作时的光伏板输出电压Vpv、输出电流ipv、输出功率Ppv波形,可以看出在解耦电路工作后输入功率的波动由15 W降低至5 W,在一定程度上抑制了功率波动。
4 结论
本文研究了带功率解耦电路的有源钳位反激式光伏并网微型逆变器的电路拓扑、工作原理电路以及关键参数设计。采取解耦电路与并联微型逆变器并联的方案。通过PSIM仿真验证了有源钳位以及功率电路方案的可行性。设计并研制的100 W具有功率解耦电路的有源钳位反激型微型光伏并网逆变器样机达到预期目标。
光伏并网微型逆变器 篇2
随着人类工业的发展, 对能源的需求增加, 传统的能源正逐渐减少, 不可恢复, 同时大量使用煤等化石燃料造成了严重的环境污染问题。为了让我们的生活质量和生活水平得到提高, 开发利用像太阳能、风能、潮汐能等绿色能源是目前必须采取的措施。太阳能光伏发电技术在世界范围内全速发展, 我国的太阳能光伏发电的科研水平也在逐渐提升, 争取慢慢赶上国际先进的水平。而并网逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件, 其性能、效率直接影响整个太阳能光伏发电系统的效率和性能。
2 基于推免电路的光伏并网发电微型逆变器的原理
2.1 原理框图
如图1所示, 主要由前级“推挽电路”和后级“逆变电路”级联而成, 其中:前级“推挽电路”以光伏电池板作为低压电源输入, 通过推挽正激电路和高频变压器进行升压, 升高的电压作为后级“逆变电路”的输入, 后级“逆变电路”的输出接电网, 进行并网。
前级“推挽电路”通过光伏电池板进行最大功率点跟踪, 形成触发信号对其开关管进行触发控制, 而后级“逆变电路”的触发信号由“双闭环控制”实现的。
2.2 电路组成
如图2所示, 为基于推挽电路的光伏并网微型逆变器的主要电路图, 其中高频变压器由4端子变压器将副边两端子相连而成。
3 前级推免电路的设计
3.1 推挽正激电路原理
推挽正激电路实现了两个功能, 一个是电气隔离, 另一个是升压的功能。一个开关周期内, 一共有七种变换器的工作状态:包括S1的三种状态, 导通瞬间、稳定导通的时候以及关断瞬间状态、以及S2的三种状态, 导通的瞬间、稳定导通期间和关断的瞬间状态、以及S1, S2都截止的时候。如下图3所示推挽正激变换的电路。
4 后级逆变电路设计
4.1 电压型逆变电路原理图
如图4所示, 电压型单相逆变电路, 直流端为直流电源, 并联电容, 经过IGBT桥臂和滤波电感、电容并在电网上。
5 逆变器并网仿真主要波形图
如图5所示, 包括并网的电压波形、外环稳压波形以及电流同频同相的波形。并网功率因数为0.9978;如图6所示, 为放大的并网电压、电流同频同相、外环稳压波形。
6 结语
在本设计的研究过程中, 首先便是根据需要进行仿真电路的设计, 这个过程包括了推挽电路设计、高频变压器参数设计、光伏电池板参数设计、逆变电路控制设计等等。该系统的设计较好的满足了光伏并网发电系统的最大跟踪问题, 具有并网电流质量高, 动态特性好, 最大功率点跟踪精确、效率高、稳定性高等优点。
参考文献
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单相光伏并网逆变器的研制 篇3
1 光伏并网系统结构及单相并网逆变器并网控制方法
1.1 光伏并网系统结构分析
光伏并网系统的结构方面其主要是通过并网逆变器以及光伏阵列等继电保护装置所构成, 并网逆变器主要是把光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入到电网当中, 而电压型的逆变器则是通过电力电子开关器件连接电感所构成, 并且是通过脉宽调制形式来向电网进行送电的。其中的光伏列阵构成要素则是在并网系统当中比较重要的部件, 主要就是把光能转换成电能;除此之外还有控制器以及继电保护装置, 前者是光伏发电系统的核心部件, 控制器主要是对光伏电池最大功率点跟踪控制, 保证电能间的平衡, 而后者则是对光伏系统以及电力网安全性的保证。
1.2 单相并网逆变器并网控制方法探究
为能够将并网逆变器的性能得到有效提升, 对并网控制的方法主要就是电流跟踪控制方法, 在这一方法中的电流滞环控制法是较为常用的。在电流滞环控制方法的原理上主要就是把实际电流信号和所需给定指令电流信号加以比较, 如果是输出电流处在正弦波上半周期电流信号比滞环电流限定上限大, 就可通过T2、T3管进行导通, 这样就能够使得电流信号由此而减小。滞环电流的控制系统主要就是双闭环结构, 其外环是直流电压控制环, 而内环则是交流电流控制环, 滞环电流控制核心就是通过电流差值进行控制开关管的占空比, 所以在实时性方面就能够有讲好的呈现。
再有就是固定开关频率法, 这一控制方法主要是将所给定正弦参考电流信号和实测电流信号进行比较, 在得到的误差经过电流控制器进行处理之后和固定频率三角波信号实施比对, 产生谐波的频率在固定开关频率控制作用下是固定的, 可通过设计对某频段滤波器使其频段谐波能够最大化衰减, 这一方法功率管开关的消耗也相对较少。虽然这一控制方法有着一定的缺陷但经过优化就能够解决实际的问题, 主要是在之前的基础上进行添加电压前馈, 从而来让电流无差时保持输出的状态, 最终产生所需要的信号。
2 系统总体设计方法及单相光伏并网逆变器控制策略
2.1 系统总体设计方法分析
对系统的总体设计过程中要能够从多方面进行考虑, 首先在并网逆变器的选择过程中要能重视, 按照逆变器主电路拓扑结构的分类就有全桥逆变器以及半桥逆变器等, 推挽式的逆变器拓扑的结构是通过两个共负极功率开关元件和单个初级带有中心抽头升压变压器所构成, 在结构上相对比较简单化, 这一类型逆变器主要是适用于直流母线电压相对比较低的场合。另外在并网逆变器回路方式上主要有高频变压器绝缘方式以及工频变压器绝缘方式等, 以工频变压器绝缘方式为例进行说明, 其自身有着较好的抗雷击以及对尖波消除良好性能, 同时在电路方面也相对比较简单化, 变换也只有一级所以有着很高的效率。
此次的方案设计主要就是通过无变压器两级结构, 在前级DC/DC变换器方面能够有多种形式可供选择, 在考虑到输入电压较低的基础上, 倘若是采取半桥式那么在开关管的电流方面就会随之而增大, 在输出的电压上就会相对比较低。所以通过BOOST形式的升压电路就有着较好的效果, 其能够根据电网电压大小在不同天气条件下来输入电压达到适合的水平, 系统能够保障并网逆变器输出正弦电流和电网相同电压同频同相。
2.2 单相光伏并网逆变器控制策略
对单相光伏并网逆变器的控制要能够按照相应的策略进行实施, 首先在并网逆变器控制目标方面要能够明确化, 控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波, 还要能够和电网电压同频同相。在并网逆变器控制方式上并网系统要求在逆变器输出侧实现功率因数为1, 波形为正弦波, 在输出的电流和网压同频同相, 此次所采用的是正弦脉宽调制 (称SPWM) 方式, 通过控制开关管Tl—T4的导通或关断的时间, 实现能量从逆变器向电网传送, 巨交流输出侧的功率因数为1。
另外就是通过对正弦脉宽调制技术方面, 在三角波和正弦波相交过程中, 可通过交点进行对开关通断进行有效控制, 这样就能获取等幅脉冲成正比于正弦曲线函数值的矩形波, 在实际的调制方式上主要就是双电压极性调制以及单电压极性调制。单极性调制主要是4个开关管采取4个不同信号控制, 单极性调制优点就是谐波的分量相对比较小比较容易消除, 所以在开关管方面受到到的开关应力也就相应比较小。要想能够成功的实现并网就要通过电流型PWM的控制方法进行实现。
3 结语
综上所述, 对单相光伏并网逆变器的分析探究还有诸多的层面没有涉及, 逆变器作为是光伏并网发电系统及电网接口的主要设备, 在控制技术方面也愈来愈重要。当前对其理论的研究为实践操作发展能够提供理论支持, 由于本文的篇幅限制不能进一步深化探究, 希望此次理论研究能起到抛砖引玉的作用。
参考文献
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光伏并网逆变器控制和仿真 篇4
近年来,应用于可再生能源的并网变换技术在电力电子技术领域形成研究热点。并网变换器在太阳能光伏、风力发电等可再生能源分布式能源系统中具有广阔发展前景。太阳能、风能发电的重要应用模式是并网发电,并网逆变技术是太阳能光伏并网发电的关键技术。在光伏并网发电系统中所用到的逆变器主要基于以下技术特点:具有宽的直流输入范围;具有最大功率跟踪(MPPT)功能;并网逆变器输出电流的相位、频率与电网电压同步,波形畸变小,满足电网质量要求;具有孤岛检测保护功能;逆变效率高达92%以上,可并机运行。逆变器的主电路拓扑直接决定其整体性能。因此,开发出简洁、高效、高性价比的电路拓扑至关重要。
1 逆变器原理
该设计为大型光伏并网发电系统,据文献[1]所述,一般选用工频隔离型光伏并网逆变器结构,如图1所示。光伏阵列输出的直流电由逆变器逆变为交流电,经过变压器升压和隔离后并入电网。光伏并网发电系统的核心是逆变器,而电力电子器件是逆变器的基础,虽然电力电子器件的工艺水平已经得到很大的发展,但是要生产能够满足尽量高频、高压和低EMI的大功率逆变器时仍有很大困难。所以对大容量逆变器拓扑进行研究是一种具有代表性的解决方案。作为太阳能光伏阵列和交流电网系统之间的能量变换器,其安全性,可靠性,逆变效率,制造成本等因素对于光伏逆变器的发展有着举足轻重的作用,决定着光伏发电系统的投资和收益。市场主流光伏变换器大都采用电压源型变换器,因为光伏电池的电流源输出特性,所以为满足光伏电池的直流端电压可能大幅度变化的特性,都采用二级变换的技术方案,这导致变换效率的降低。大功率电流源变换技术因为强迫断流缓冲电容的高价,低可靠性,使电流源型变换器的应用受到限制。注入式电流源型变换器的直流侧电流电压全控特性,使光伏电池发出的直流电仅经一级变换就可以完成,这一的特性使电流源型变换器有可能成为高效的光伏变换技术方案。
1.1 两电平逆变器
传统的逆变器通常也称为两电平变换器,并网逆变器一般使用桥式电路,这种拓扑结构比较简单。太阳能光电池具有电流源型特性,光伏阵列串联大电感后相当于电流源,以这种方式并接入电网,称为电流源并网。为改善并网电流,在交流侧需要加滤波电容器,光伏电池要串联电感才能接在相应的直流母线上。由于大电感的存在,使直流回路电流不易变化,在逆变器开关动作时,如果不能保证逆变器输入电流稳定,则易产生很高的di/dt,影响逆变器的安全运行。
1.2 多级注入式电流源型逆变器
将谐波注入的概念用在功率变换器已经有半个多世纪的历史。但是将谐波注入用于功率变换器中作为减少谐波含量的一种方法。多级注入电流幅度与工作条件相匹配,通过附加晶闸管触发控制和利用纹波电压实现自然换相,注入电流的频率和相位与供给电源取得同步。建立在直流电流和注入电流的固定幅值关系上,各种工作条件下的最优的谐波抑制得到保证,交流电流波形和直流电压波形质量进一步提高。在文献[2-8]中,提出了一种新的直流电流注入的概念,并且发现了6倍基频的注入电流用在12 脉冲电流源变换器能够起到完全抑制谐波的效果。其中非常规系统的研究方法来寻找注入电流波形的幅值,从而达到最小谐波畸变率的目的。并且经过严格的数学分析概括总结了这种思想,导出了能够完全消除标准12 脉波电流源变换器交流测输出波形谐波的理想注入波形。12 脉波电流源变换器,主电路的工作模式和普通三相全控桥式变换器相同,每个桥中的6个晶闸管间隔60°依序触发导通,每个主桥开关导通120°。这样,对两个并联的三相全控桥而言,每隔30°触发一支桥臂上的开关,任意时刻都有两只开关导通。它不需要交流系统提供换相电压,与交流系统同步连接可以作为整流器运行也可作为逆变器运行。当有功功率从交流系统向直流系统输送时,该装置工作在整流状态,当有功功率从直流系统向交流系统输送时,此装置工作在逆变状态。多级注入式电流源型逆变器(MLCR-CSC)的直流电压可正可负,变换器需要采用具有对称特性的开关器件,即具有双向电压阻断能力和单向电流流通能力的器件。所以IGBT不可以直接用于MLCR-CSC,二极管与IGBT串联可以满足这种性能要求,但是器件串联又会引起额外的功率损耗。由于MLCR-CSC的相对较低的开关频率,晶闸管适用于大功率的MLCR-CSC。由于直流侧电感的存在,使得直流电流单向流动,而直流电压极性可能瞬时改变,所以多级注入式电流源变换器需要的开关器件应具有双向电压阻断能力和单向电流流通能力。
2 实验仿真
2.1 太阳能电池模型搭建
根据文献[9]原理光伏电池的等效电路见图2。在此基础上搭建输出0～450 V的直流电源在PSCAD中,模型如图2所示。该仿真模型选取的是典型光伏参数,组件选用型号为 YL85(17)1010×660,主要参数为:输出峰值功率85 W、峰值电压 17.5 V、峰值电流 4.9 A、开路电压22 V、短路电流5.3 A。要求光伏阵列输出5 000 W,可推算光伏组件连接方式为20串3并。
由图3的光伏阵列的仿真模型,得出I-U 特性曲线和P-U特性曲线如4所示。
通过计算得出的最大功率为 5.1 kW,与模型输出的功率基本吻合,输入量的其他参数也基本吻合,故可以在工程实践中使用。
2.2 逆变器拓扑电路
在该拓扑结构(见图5)中主控桥采用由两组并联的三相全桥串联组成一个12脉波电流源变换器。主桥由24个换流阀组成,每一个开关阀由一个晶闸管组成。其交流侧通过变压器串联而成。变压器分别采用Y/Y和Y/△连接,变比分别为Kn∶1和
图6下主桥注入电流波形上部与下部对应三相桥输出直流电流大小相等,相位差为15°,电感支路电流为叠加少量纹波的直流,各支路电流平均值为IDC/6。交流电压、电流波形见图7。多电平电流波形的正弦度较好,电压波形有明显的毛刺,这是由开关切换时电感能量转移引起的,各开关器件引入阻容吸收回路后,可使电压毛剌明显减少。
图8中,CH1是A相电压波形;CH2是B相电压波形;CH3是C相电压波形。结论是三相电压正弦波形上叠加一些毛刺,与仿真相吻合。
3 实验结论
各注入支路电力电子开关最佳组合控制方案的确定。多个注入支路具有多种开关组合方案,如何以较低复杂程度的开关组合方案实现变换要求,是研究的主要技术难点之一。在仿真中,使用PSCAD 做了6级电流注入的研究,证明了该系统无需加设滤波器以及采用PWM技术,就能得到理想的输出波形。正是由于该装置具有非常低的谐波畸变率以及低的开关损耗,因此该装置很适合应用于大功率的应用场合。
摘要：为了达到提高光伏逆变器的容量和性能目的,采用并联型注入变换技术。根据逆变器结构以及光伏发电阵电流源输出的特点,选用工频隔离型光伏并网逆变器结构,并在仿真软件PSCAD中搭建光伏电池和逆变器模型,最后通过仿真与实验验证了理论的正确性和控制策略的可行性。
关键词：太阳能光伏发电系统,太阳能电池组件,并网变换器,PSCAD
参考文献
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小功率光伏并网逆变器的研究 篇5
太阳能是一种清洁高效新能源, 且其利用关系到能源可持续发展战略的推进, 它的开发已经引起了社会各界的广泛关注。并网发电是太阳能规模化发电的必然方向, 逆变器是光伏并网发电系统的核心部件。太阳能利用和发展促进光伏并网系统的发展, 促使太阳能发电并网供电。
1 光伏并网逆变器
1.1 逆变器的原理
逆变器是光伏并网系统的重要环节, 实现了光伏电池输出的直流电到三相交流电的转化, 且满足交流电能与连接的电网电压同频同相。逆变器输出交流电的调节与其控制有关, 光伏系统的并网需要保证并网电流的相位与连接电网的电压同步, 且通过控制并网电流实现系统有功和无功输出的调节。
1.2 光伏并网逆变器的分类及拓扑结构
光伏并网系统使用的逆变器多种多样, 其拓扑结构主要是全桥结构。并网逆变器根据设计选用隔离变压器, 可分为低频环节并网逆变及高频环节并网逆变。
(1) 低频环节并网逆变器
由于科技发展的限制, 我国早期使用的逆变器为低频环节并网逆变器。其拥有多种使用优点, 结构简单, 高工作效率, 且运行易控制。但高成本、低集成化、及大噪声限制其的使用。其电路结构见图1。
(2) 高频环节并网逆变技术
高频环节并网逆变器的研发推进了逆变器的发展, 高频变压器的采用实现了系统可靠隔离, 变比调节电压增益实现了最大功率的优化跟踪, 且满足系统直流电的变化范围。其实现了逆变电路的高度集成, 电路结构见图2。
2 控制器控制策略与分析
光伏发电系统并网使用的逆变器控制中心环节包括电流和功率的监测控制。其输出电流主要通过采用各种优化控制策略, 以跟踪控制给定的电流, 文章采用PWM电流优化控制方法。逆变器的功率跟踪控制则通过跟踪最大功率点实现。
2.1 最大功率跟踪MPPT
当前光伏发电系统广泛采用最大功率点跟踪作为系统功率点控制方式, 且实践证明系统运行稳定, 功率跟踪效果好。光伏电池是一种非线性元件, 因此光伏阵列的输出特性也是非线性的, 且电池输出易受环境影响, 如周围温度及光照强度。理论分析光伏电池可以在不同的输出电压下可靠工作, 但其只在某一输出电压下出现, 光伏电池处于最大输出功率的工作点就是光伏电源系统的最大功率点。电池实际运行中跟踪最大功率点 (MPPT) 是十分必要的, 其不仅有助于发挥光伏电池的效能, 也提高光伏并网系统的整体运行效率。MPPT控制实质是通过一定优化控制算法实时检测光伏系统的输出功率, 以实现最大功率工作点实时跟踪, 达到最大功率输出效果。
2.2并网控制
目前, 逆变器交流输出的控制方法可分为:电压控制方法和电流控制方法。电流控制可以同时保证系统的响应速度和稳定性要求, 按输出电流的控制方式分类可以分为:
(1) 电流滞环跟踪方式
电流跟踪控制器的PWM逆变器中最常用的为电流滞环跟踪控制方式。电流滞环跟踪比较方式实时控制, 响应较快, 无需斩波, 输出的电压不含特定频率的谐波。
(2) 定时控制的电流滞环跟踪方式
定时控制的电流滞环跟踪方式可以有效的避免电力电子开关器件的开关频率过高, 其缺点为补偿电流跟随的误差是不固定的。
(3) 实时电流的三角波比较方式
实时电流的三角波比较方式跟随电流误差较大, 输出的电压中含有谐波, 并且放大器增益受限, 电流响应相对于电流滞环跟踪控制较慢。
目前普遍选用电流滞环跟踪方式对DC/AC逆变器进行控制, 因为这种控制硬件电路简单, 而却属实时控制方式, 电流响应快, 并且不需要利用载波, 所以输出的电压波形中不含特定频率的谐波分量, 稳定性也较好。
3孤岛效应的检测及控制
分布式电源系统普遍存在孤岛效应问题, 光伏发电项目同样如此。孤岛效应是指供电网络正常供电时突然发生故障事故或需要停电维修, 系统自动跳闸, 且各分布式并网电源未能即时监测到停电状态及做出措施而导致电源脱离市电网络而自身独立运行, 最终形成由其向周围小区域的负载供电的状态, 这就是分布式电源摆脱电力公司掌控而形成自给孤岛供电。从用电安全与电能质量考虑, 孤岛效应是不允许出现的孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器, 由此引出了对于孤岛效应进行检测控制的研究。
基于有功功率扰动的反孤岛控制策略, 实现了逆变器输出电流的周期性控制, 且在电网系统故障停电时检测功率的不平衡, 检测系统超出过/欠电压保护阈值, 从而检测出光伏系统的孤岛效应。
4 仿真实验
利用了MATLAB2010中simlink的Sim Power Systems功能模块建立了电压型光伏并网系统逆变器及其控制的仿真模型, 完成额定功率2k W的光伏并网实验装置。系统的输入电压范围为100-300V, 输出功率约为1.5k W, 交流电频率为50Hz。小功率光伏并网的电流与连接电网的电压同相同频, 系统的运行功率因数为0.95。
5 结束语
文章研究了小功率光伏并网逆变器。介绍了光伏并网逆变器的原理和分类, 且系统运行时设计采用最大功率跟踪控制及反孤岛效应的控制实现。利用MATLAB仿真了小功率光伏并网逆变器的运行情况, 显示研究系统具有较好的动态响应及并网效率。实验证明该设计系统具备良好的运行性能, 且系统运行稳定可靠。
参考文献
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光伏并网逆变器的分析与研究 篇6
在当今的世界经济发展格局下,人类对能源的需求在不断增长,能源的可持续发展越来越得到人们的重视,逆变技术作为开发新能源的关键技术,它将太阳能电池的电能变换成交流电能与电网并网发电。并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置,在新能源的开发和利用中有着至关重要的作用,光伏产业将在21世纪有着强劲的发展势头。现代逆变技术为光伏逆变提供了强有力的理论支持,半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制(PWM)技术为并网逆变的研究提供了技术支持。目前光伏发电系统中的逆变器大多采用工作在SPWM状态的全桥式逆变方案。如何提高逆变器的性能,提高开关频率,提高逆变器的功率密度,同时满足电能质量要求成为近年研究的热点,逆变器正朝着高功率密度,高变换效率,高可靠性,智能化的方向发展。
本文从性能技术指标、工作原理和控制手段几方面对光伏并网逆变器进行了详细阐述,并对逆变器的发展、拓扑结构进行了分析。在对并网的控制策略以及现今存在的问题作出了归纳,展望了光伏并网发电系统中的逆变器朝着高性能、高效率、智能化的方向发展的趋势。
2 逆变器的技术要求
2.1 一般性指标
并网逆变器作为光伏发电系统的专用部件,兼有逆变器的一般性技术指标。首先,由于光伏电池输出电压受光照强度的影响而出现较大范围的波动,对逆变器直流侧要求有一定的输入电压范围,它取决于功率开关管工作时所能承受的最高电压和逆变器的输出电压范围。其次,要求有比较高的变换效率,它直接影响着整个光伏发电系统的效率,效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要影响,所以要尽量降低自身功率损耗,不宜采取过多的开关管和损耗高的开关管。再次,要有一定的额定输出容量和输出电压稳定度,提高向负载供电的能力,使系统保持较高的可靠性。最后,需要较强的抑制谐波能力,减少对电力系统的配电线的影响,一般体现在总谐波畸变度(THD)和畸变因数(DF)上,这对输出电压波形的质量非常重要。
2.2 电网对逆变器的要求
1)必须保证逆变器输出的电量和电网电量保持同步,在相位、频率上严格一致,输出逆变器所能提供的最大输出功率,功率因数逼近于1;2)满足电网电能质量的要求,逆变器应输出失真度小的正弦波;3)具有对孤岛检测的功能,防止孤岛效应的发生,避免对用电设备和人身造成危害;4)为了保证电网和逆变器安全可靠运行,二者之间的有效隔离及接地技术也非常重要,电气隔离一般采用变压器[1]。
此外,整个逆变环节要有较好的动态响应特性,保持输出电压、频率的精度,及时跟踪电网变化,同时具有最大功率跟踪功能和各种保护功能。
3 工作原理
逆变器由IGBT等功率开关器件构成,控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断,使输出电压极性正负交替,将直流输入转换为交流输出。光伏发电系统中逆变器一般使用脉冲宽度调制PWM方式来实现,将矩形波的交流电转换为正弦波交流电。图1为并网逆变器的主电路拓扑结构,由于太阳能电池一般是电压源,因此逆变器的主电路采用电压型,在与外电网相联时,为电压型电流控制方式。系统通常是两级功率结构:直流变换环节、逆变环节构成。前级是DC-DC变换器(升压斩波器),根据电网电压的大小用来提升光伏阵列的电压以达到一个合适的水平,将光伏阵列输出的直流电压变为适用于逆变环节的直流形式,同时实现光伏电池输出最大功率点跟踪功能,使光伏模块稳定地工作在最大功率点;MPPT采用BUCK BOOST组合电路。后级是DC-AC逆变环节,通常采用桥式电路结构,其输出经过电感滤波,通过工频隔离变压器产生220 V/50 Hz的工频交流电,送入电网[2]。逆变环节的核心是通过电力电子开关的导通与关断,来完成逆变的功能,它需要控制回路来完成,通常采取电压外环,电流内环的双环控制模式[3],控制信号经过单片机或数字信号处理芯片来完成对主电路的控制。逆变环节输出和电网之间的电感起PWM波形的平滑电抗器的作用,用于滤除高次谐波电流,平衡逆变器和电网之间的电压差[4]。
4 逆变器的发展
根据采用隔离变压器的类型,并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变[5]。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口,因此存在体积和重量大、音频噪音大的缺点;而非隔离型并网在一些国家禁止使用,因此现在普遍采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器[6]。
4.1 低频链逆变器
比较早期的光伏发电系统采用低频链逆变器,如图2所示,是一个单级逆变系统,它首先把直流电逆变成工频低压交流电;再通过工频变压器升压成220 V,50 Hz的交流电并入电网或供负载使用。按输出波形可以分为方波型、梯形波合成型、PWM调制型[5]。为获得正弦波的输出电压,低频链逆变器一般选用PWM调制型,它综合了前两种形式的优点,克服了两者的不足,既电路结构简单,输出电压又有较小的THD。变压器为工频变压器,给定了电压比来调节符合电网要求的电压增益,并使输入与输出绝缘,其工作频率等于输出电压频率。
它的优点是,电路结构紧凑,所用元器件少,使得损耗减小,转换效率得到了提升,控制也就更容易。但是也存在着一些缺陷,系统需要较高的直流输入,提高了系统成本;对于最大功率点的跟踪没有设立独立的控制操作,使得系统可靠性降低;工频变压器体积大、重量重、效率低、音频噪音大。
由于电路拓扑简单、技术成熟,目前仍有广泛的应用,但是低频链逆变器的体积大、重量重、成本高、音频噪声很大,注定被高频逆变器所取代。
4.2 高频链逆变器[5,7,8]
图3是高频链逆变器结构拓扑,采用高频升压变换,向着更高功率密度逆变。采用高频变压器使输入和输出绝缘,体积小、重量轻;主电路分为高频逆变和工频逆变,系统比较复杂。按功率变换器的类型可分为电压源型和电流源型,按功率的传输方向可分为单向型和双向型,并网中广泛采用单向电压源型电流控制高频逆变器。电压源型逆变器中储能元件电容与电流型逆变器中储能元件电感相比,储能效率和储能器件体积、价格等都具有明显的优势,从而制约了电流型并网逆变器的应用和研究。它的直流侧并上大电容,相当一个恒压源,具有单向或双向功率流,可以做到大功率输出,输出电压波纹小,效率高。逆变器的输出电流波形在电感滤波的情形下按正弦规律变化,从而易于实现电流控制。系统由高频逆变器、高频变压器、高频整流滤波电路和PWM逆变器构成。直流电经过高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电,经高频整流滤波电路得到高压直流电,再由工频电路实现逆变。从图3分析得出,主要包括两大部分:前级视为一个直流变换电路,后级是工频逆变环节。直流变换电路主要将光伏阵列输出的直流电压变换成较高直流电压,同时完成光伏电池输出最大功率点跟踪功能。工频逆变环节用来实现获得工频交流电的逆变,并入电网。该电路采用了高频变压器隔离方式,体积小,重量轻,除了将输入/输出隔离以外,通过变比调节电压增益,以达到网侧电压的要求,能够满足最大功率的跟踪和直流电压输入范围的要求,但有高频逆变和工频逆变两个逆变,电路比较复杂。
5 控制策略
光伏并网发电系统中的逆变器需要对电流和功率进行控制,逆变器输出电流主要采用各种优化的PWM控制策略,对给定的电流波形进行跟踪;功率的控制则是通过对太阳能电池最大功率点的跟踪实现。
5.1 最大功率跟踪MPPT[1,7]
最大功率点跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。从对光伏电池的分析可以看出,光伏阵列输出特性具有非线性特征,并且其输出受环境温度、光照强度的影响。在一定的外部条件下,光伏电池可以工作在不同的输出电压,但只有在某一电压值下,输出功率才能达到最大值,这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。为了充分发挥光伏电池的效能,提高系统的整体效率,对光伏电池的输出进行最大功率点跟踪就十分必要。MPPT的实质是通过实时检测光伏阵列的输出功率,采用一定的控制算法,以跟踪光伏阵列最大功率工作点,实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式,动态性能较好,较传统的CVT控制策略可获得更大的功率,但稳定端电压能力较差。可以在MPPT控制的外环增加一个稳压控制环节,来改善这一缺陷,从而提高系统的稳定性。目前MPPT控制有很多的实现方式,如扰动观测法、导纳增量法、最优梯度法、模糊逻辑控制方法、神经元网络控制法等,它们实现MPPT控制的基本原理都是类似的,但算法各有差异。
5.2 并网控制
逆变器并网运行的主要控制目标是逆变器输出正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步,并且能实时跟踪电网参数的变化,且电流的总畸变失真要低,以减小对电网的谐波影响,使并网系统的有功功率输出达到最大,功率因数近似为1。目前,逆变器交流输出的控制方法可分为:电压控制方法和电流控制方法。由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求,所以其控制通常采取电流控制方式。电流控制方式又可分为间接电流控制和直接电流控制。
5.2.1 间接电流控制
间接电流控制以电压矢量图为基础,基波电压向量可由图4表示,它表示出了逆变器的输出电压Us、输出电流IN以及电网电压UN之间的关系。利用控制手段使逆变器的输出电流IN始终和电网电压UN同向,使输出功率因数为1。对输出电流的控制包括幅值控制和相位控制,设逆变器输出功率为P,由图4的三角函数关系可知
可见在电感数值和电网电压确定的条件下,依据给定的功率,可以确定超前角度β,即可以确定逆变器控制信号的相位。输出电压满足
对于SPWM逆变器来说,输出电压基波满足
从而调制比可得
通过实时改变调制比m,根据式(4)可以达到控制输出电压Us幅值,并最终调整并网电流iN的目的[4]。
5.2.2 直接电流控制
直接电流控制是一种电流跟踪控制方式,通常采用电压外环、电流内环的双环控制模式,这类电流型控制技术是检测并将电感电流或功率开关电流作为电流内环的反馈信号与电压外环的输出信号(电流给定)经比较器比较后,去控制功率开关的占空比,使功率开关的峰值或谷值电流直接跟随电压反馈回路中误差放大器输出信号的变化。它具有电流波形好,动态响应速度快,稳定性好,调节性能好等优点。目前有多种控制方式,它们都是PWM非线性控制方法,主要有瞬时值滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式[7]。
图5所示的瞬时值滞环比较方式,把电流参考值与实际输出电流相比较,偏差经过滞环比较产生控制逆变桥各开关管通断的PWM信号,去触发或关断主电路功率开关器件,使输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化,从而控制电流的变化。这种方式硬件电路简单,具有电流跟踪精度高,响应速度快、鲁棒性强等优点。如果逆变器的开关器件有足够的开关频率,则逆变器的输出电流就能很快地调节其幅值和相位,使逆变器的输出电流得到高品质的动态控制。但是缺点也很明显,即电力半导体开关频率是变化的,使滤波器设计困难。尤其是当电流变化范围较大时,一方面,在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误差过大;另一方面,在电流值大的时候,固定的滞环宽度会使跟踪误差增大或使器件的开关频率过高,甚至会超过器件允许的最高工作频率而导致器件损坏和逆变器工作失效。解决此问题可以采用滞环宽度跟踪电流增量的变化而自动调节,但会使电路结构变得复杂[5]。滞环调制方式又分两态调制和三态调制两种。两态调制只有输入能量和回馈能量两个状态;而三态调制除了输入能量和回馈能量两个状态外,另有续流状态,在相同开关频率下电流脉动比两态调制时小[9]。
定时比较方式是利用一个定时控制的比较器,每个时钟周期对电流误差判断一次,PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次,器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半[7]。缺点是电流跟随误差是不固定的。
图6所示的三角波比较方式[5],将指令信号与反馈信号比较后得到的电流误差,经过放大器A之后,与三角波进行比较,目的是将电流误差控制为最小。放大器经常采用PI调节器。这种方法可以视为SPWM法和瞬时值滞环比较法的组合,综合了二者的优点。但该方法跟踪误差较大,开关频率固定,跟踪速度较慢,输出含有与三角波相同频率的谐波,电路结构比较复杂。
目前,在逆变控制技术中,模拟控制技术还占有相当重要的地位。但是,随着微处理器和数字信号处理器的发展,数字电路硬件成本的不断降低,出现了许多新的控制方法,数字化PWM控制方式具有更加广泛的应用前景,相继出现了无拍差PWM技术,滑模变结构控制法,重复控制方式,瞬时值反馈控制技术[7],它们在传统方法上有了很大进步,有着各自的优势,但同样有各自的局限性。
5.3 反孤岛控制[10~12]
孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时,光伏并网逆变器仍然向电网输送电能,从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛,称之为“孤岛效应”。光伏并网发电系统中孤岛的发生会产生严重的后果,对用户的用电设备和检修人员的安全造成重大危害。孤岛发生时,若孤岛中的电压和频率超出允许的范围,可能会对用户的设备造成损坏;电网的掉电可能使光伏发电系统过载运行,易被烧毁;与光伏发电系统相连的线路仍然带电,对检修人员造成危险。所以当电网停电后,必须立刻中止系统对电网的供电,防止孤岛效应的发生。
反孤岛效应的关键是电网断电的检测,且检测时间越短效果越好。一般采取被动检测法和主动检测法。被动检测法是实时检测电网电压的频率和相位,通过频率和相位的异常来判断电网是否失电。采用被动的孤岛检测方法不足以在负载匹配的情况下有效检测出孤岛现象,为此,必须采用主动式的检测方法。主动检测法是通过实时对电网参数发出干扰信号,通过检测反馈信号来判断电网是否失电。常见的方法有主动频率偏移法、滑模频率偏移法和输出功率扰动检测法等。
6 结束语
推挽式微型并网逆变器的设计研究 篇7
关键词：逆变器,比例谐振,最大功率跟踪
引言
并网逆变器是分布式发电系统的关键部分, 其承担着将直流电能转化为交流电能的重要作用。光伏系统的效率提高所面临着效率低下的问题, 采用直接与光伏组件匹配工作的微型并网逆变器是提高效率的有效方法之一。由于每一块光伏组件直接与逆变器相连, 当发生阳光遮挡时仍可进行单块光伏组件的最大功率跟踪, 由此可避免因遮挡等问题带来的发电量下降的问题, 同时还可避免因单块电池板失效带来的总体失效隐患。
微型并网逆变器由于模块化, 故其对并网电流的波形具有更高的要求, 需要采取合适的控制策略以获得良好的并网电流波形。本文采用变步长的扰动观察法以获得良好的最大功率跟踪性能, 并采用比例谐振控制器以使并网电流具有良好的稳态性能、动态性能和抗干扰性能。
1 微型逆变器拓扑与控制
1.1 微型逆变器拓扑[1]
因推挽式拓扑为电压型高频链拓扑具有结构简单, 控制容易实现等优点故本文选用推挽式电路拓扑作为微型并网逆变器的主电路拓扑。推挽式微型逆变器采用两级式结构, 前级为推挽DC-DC变换电路, 将光伏组件输出的直流电升压至满足并网要求的交流电能馈送给后级。后级则是将前级的直流电逆变为交流电能, 经过L滤波器后输出给电网。
推挽式微型逆变器电路中的各元件及设计参数如下所示:光伏组件输出电压范围Vpv=24-36.7V, 光伏组件输出功率Ppv=430W, 直流母线电压Vdc=400V, 逆变器输出电压为230Vrms/50Hz, 推挽电路输入电容CPV=470uF, 推挽变压器原副边匝数比1:N=1:20, 推挽电路和全桥电路的开关频率均为20kHz, 直流母线电容Cdc=1mF, 逆变器输出电感L=3mH。
1.2 微型逆变器控制策略
微型逆变器前后级独立控制。
前级实现最大功率跟踪控制, 由最大功率跟踪算法获得输入电压的参考信号, 与实际光伏组件输出电压比较得到, 输入电压的误差信号, 该误差信号经比例积分控制器获得调制信号, 经PWM调制产生驱动信号对DC-DC变换器的开关管进行驱动。
后级采用双环控制, 电压外环的指令信号与输入电压的误差信号经电压控制器获得并网电流的指令信号的幅值, 加入锁相的角度信息后得到并网电流的指令信号与并网电流比较获得并网电流的误差信号, 经电流控制器调节输出调制信号, 采用PWM调制获得的驱动信号可对全桥电路开关管进行驱动, 从而实现对并网电流的控制。
1.2.1 最大功率跟踪算法[2,3,4,5]
本文采用改进型的变步长扰动观察法作为最大功率跟踪的方法, 不仅可以解决寻优振荡的问题, 同时还可以保证稳态无振荡损耗, 还具有较强的环境适应性[2]单相非隔离型并网光伏逆变器研制。给定一个扰动, 通过扰动前后电压和功率的变化情况以确定下个扰动的步长和方向, 如此逐渐向最大功率点逼近最终实现最大功率跟踪的效果。详细的控制框图参见文献[5], 此处不再赘述。
1.2.2 并网电流环控制器设计[7,8,9,10]
为了获得与电网电压同频同相的正弦并网电流, 本文设计并网电流控制器为比例-谐振控制器以进行并网电流的控制。首先由于逆变器的开关频率 (20kHz) 远远大于电网的工频频率 (50Hz) , 故为分析方便, 忽略开关动作对系统产生的影响, 将逆变器单元近似为一比例系数K。由此总结电流内环控制思想如下:由电压外环经PI控制器得到并网电流的参考信号Iref, 与并网电流IL比较得到并网电流的误差信号, 经过系统控制器的传递函数G (s) 与桥路增益K输出为逆变器输出电压, 逆变器输出经L滤波器与电网相连接。
由上述系统模型可推出微型并网逆变器的并网电流的传递函数如式所示, 其中G (s) 为比例谐振控制器的传递函数, 参考文献[10]选用基于余弦函数的谐振控制器结构, 表示为式。
比例谐振控制器的传递函数
由式（2）可见，控制器在基波频率w0处的增益为，其值趋近于无穷大，由此代入式，第一项近似等于Iref，第二项趋于零。既是Iref=IL，并网电流实现了无静差的跟踪指令信号，同时具有良好的抵抗电网电压干扰的能力。而鉴于实际系统中比例谐振控制器的实现存在一定的问题，故采用一种易实现的准比例谐振控制器，表示其传递函数如式所示。
2 仿真与实验验证
本文采用前文所述的控制方法对推挽式微型并网逆变器进行仿真和实验研究。仿真中给定电流峰值为2.46A, 参数沿用2.1节的电路参数, 所得并网电流与电网电压同频同相, 且为标准的正弦波形。且具有很小的谐波畸变率 (仅为1.62%) 满足光伏并网逆变器的并网标准。表明在比例谐振控制下的并网电流具有良好的稳态性能, 最后搭建了一台400W的微型并网逆变器, 实验结果表明并网电流能良好的跟踪电网电压且具有优异的抗干扰能力和谐波畸变率 (约为1.8%) , 能很好的满足标准中对并网电流的要求。在指令信号阶跃时, 并网电流4-6个周期即可快速的跟踪上指令信号, 具有良好的动态性能。
3 结束语
本文设计了一种电压型的微型并网逆变器, 采用推挽式拓扑, 以改进型变步长扰动观察法作为最大功率的算法并将比例谐振控制用于并网电流的控制。详细叙述了控制的原理。在Matlab/simulink仿真并搭设硬件平台对理论分析予以验证。仿真和实验结果表明将本文所提的控制策略用于推挽式微型并网逆变器具有良好的性能。
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【光伏并网微型逆变器】推荐阅读：
单相光伏发电并网07-02
光伏发电并网技术09-10
光伏并网发电09-14
光伏并网发电工程08-31
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