单相并网逆变器（共7篇）
单相并网逆变器 篇1
当前人类对电力能源的需求量愈来愈大, 对电力能源的问题进行解决就成了重要的内容, 在光伏发电这一重要的新能源发展过程中就成了发展的亮点。太阳能光伏发电系统的运行方式能够分为离网运行以及并网运行两个重要的类型, 并网型的太阳能光伏发电系统又能够分为集中式大型并网光伏系统以及分散式小型并网光伏系统。通过对单相光伏并网逆变器进行理论研究对实际的系统操作运行效率提升就有着指导意义。
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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单相光伏并网逆变器控制的研究 篇2
资源有限, 污染严重的传统石化能源正日渐减少, 人们逐渐认识到走可持续发展道路, 大力开发和利用可再生能源的必要性。而资源量最大、分布最普遍的可再生能源莫过于太阳能, 并且它已经全球性地由“补充能源”的角色被认可为下一代的“替代能源”。而太阳能用于发电在光伏市场中需要求最大。根据统计, 2003年, 在光伏市场中份额达到55.5%的为光伏并网发电方面的使用, 占据了光伏市场的主导地位[1]。
太阳能发电有离网和并网两种工作方式。过去, 由于太阳能电池的成本很高, 光伏发电大多被用于偏远的无电地区, 并且以村庄用和户用的中小系统占大多数, 这些均属于离网型用户。可是这几年来, 光伏市场和产业发生了很大的变化, 逐渐开始了由边远的农村地区向城市并网发电、光伏建筑集成的方向迅速迈进。光伏并网发电系统的优势在于其不需要用蓄电池中间储能, 这样可以节省投资, 还可以使得系统简化, 更易于维护。
2 单相并网逆变器结构与原理
光伏并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电, 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。它把太阳能转化为电能, 直接通过并网逆变器, 把电能送上电网。光伏并网发电系统主要由电子元器件构成, 不涉及机械部件, 所以, 光伏发电设备极为精炼, 可靠稳定寿命长、安装维护简便。如图1所示为光伏并网发电系统框图[2,3]。
由图1可知, 将太阳能电池阵列产生的直流电馈送给交流电网, 其间的能量传递与变换需要通过逆变器的作用。逆变器在整个系统并网过程中起着核心器件的作用。逆变器以电流源为输入的, 它的直流侧就需要串联一个大电感, 用来提供一个较稳定的直流电流输入, 电流源输出的控制方式。如图2所示为以IGBT开关管构成的电压源电流控制型单相并网逆变器的主电路原理图[4]。
图2中T1-T4是IGBT开关管, D1-D4是反相并联二极管, 起续流的作用;Cdc是直流侧支撑电容, 也叫平波电容;LN是交流侧电感, 也叫缓冲电感, 可以抑制输出电流的过分波动, 同时起到滤波的作用, 将开关动作所产生的高频电流成分滤除。uN (t) 是电网的正弦波电压, Ud是输入的恒定的直流电压, uo (t) 是逆变器的输出电压, iN (t) 是从逆变器输出到电网的电流。单相光伏并网逆变器有四种开关模式, 使得该器件处于不同的工作状态:若功率器件T1、T4导通, 直流侧的能量送入电网, 并网的电流增加, 电感的储能也增加;若功率器件T2、T4导通, 电感储能除了通过反并联二极管D2和D3的组成回路送入电网之外, 还可以通过D2和D3与直流侧能量一起对直流侧电容充电, 并网的电流减小, 电感的储能也减小;若功率器件T1、T3导通, 直流侧的电容充电, 交流侧的电感储能通过T1和D3的组成回路送入电网, 并网的电流减小, 电感的储能也减小;若功率器件T2、T4导通, 直流侧的电容充电, 交流侧的电感储能通过T4和D2的组成回路送入电网, 并网的电流减小, 电感的储能也减小。
3 并网逆变器的控制实现
光伏并网逆变系统的控制采用电流瞬时值闭环控制的方法, 要求并网电流的正弦波给定值与实际并网电流相比较后得到的误差信号, 经控制器处理后, 产生相应的SPWM信号, 控制功率器件工作, 使并网电流波形为正弦波[5,6]。
4 结语
通过建立逆变器电压控制的模型, 并对逆变器的结构和原理进行分析, 根据并网逆变器的控制目标, 建立单相并网逆变器的结构框图, 为系统的理论分析提供基础。
参考文献
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浅论单相双级式光伏并网逆变器 篇3
1 单箱双极式光伏并网系统
为了让太阳能电池实现最大化的效率, 能将太阳能转化成电能, 就必须对其进行MPPT。其中, 光照强度、环境温度等都是不可控的条件, 并且变化周期比较长, 因此对MPPT的控制有很多不便之处。怎样能模拟太阳能电池的输出特性, 能够使其简化研究中一些过程, 还要控制其工作点来实现大功率输出是现在需要解决的一个问题。
以TMS320LF2407为例, 由光伏阵列, DC/AC逆变环节, DC/DC变换环节, 隔离变压器还有负载构成系统。DC/DC用来完成光伏阵列MPPT控制, DC/AC完成直流逆变为交流。随后还要完成系统并网运行。Boost升压电路用在前级DC/DC中, 由二极管, 开关管, 电感和电容所组成。当开关通时, 二极管反偏, 阵列向电感储存一定的电能, 电感电流增大。开关关闭时, 二极管导通, 电感和阵列一起供给能量给电容, 电感电流变小。电池阵列输出电流, 要根据输入的电压开关所占空比。后级DC/AC逆变器用了全桥逆变, 能够反向续流。可以在主电路配有工频变压器来保障与电网电压的匹配, 并且和发电系统隔离开。
在整个系统里, 太阳能电池可以输出额定50~100V的直流电压, 并通过DC/DC转换成400V的直流电, 再通过DC/AC得到220V的交流电, 这样和电网电压就同频同相了。
2 太阳能电池特征和模拟电路
太阳能板是由许多电池板组成的, 每个电池都是P-N截面的半导体, 可以直接转换光能。当其电池输出电压最大的时候, 功率很小, 在特定光强和环境温度下, 必须使其在特定电压或者电流之下才可以输出最大功率。
对太阳能电池进行MPPT实验, 用直流电和可变电阻模拟其输出特性的曲线, 电压来模拟太阳能电池输出电压, 设置功率变换电路, DC/DC变换器用Boost变换器。对光伏发电系统来说, 如果阵列输出电流不能连续, 就会造成能量的部分损失。并且, 大多光伏阵列输出电压比较低, 而负载则需要在较高电压下工作, 所以需要电压提升和输入电流要连续工作的Boost电路才能完成这个光伏系统的MPPT控制器。
3 MPPT和变换器的控制
可以用一种变步长的占空比扰动法来实现此项MPPT的功能, 其工作原理为:对太阳能电池在不同工作地点进行检测其输出功率, 然后对比, 找出其确定日照与温度条件下输出最大功率的时候所相对的占空比。方法有两种:
3.1 让电池在某个确定占空比工作, 检测输出功率, 以定步长L1扰动PWM信号的占空比。
将输出功率铅华和扰动前的进行对比, 如果值变大, 表示扰动的方向无误, 如果值减小, 则把反方向L1为步长再次扰动。直到功率得出最大值。
3.2 设置一个功率Px作为一个起始值, 然后选择较小的步长L2, 搜索的方法与1相同, 直到找出最大值 (最大功率点) 。
以此类推, 等到步长减小为最小单位的时候则可以找到最大功率点Py。
此外需要注意, 如果Pn=Pn-1, 就是二者是最先搜出的最大功率点, 需要停止搜索, 然后进行下一轮。与传统占空比扰动法比起来不同之处为, 每当找到最大功率点Pm之后, 不能进行扰动了, 则是要停止。这样可以避免浪费能源, 提高系统的效率。
在扰动停止之后, 检测系统输出功率然后和Pm进行比对, 若相同则是最大功率点, 不同则继续寻找。
4 实现并网控制
4.1 电流控制
为了保证系统能够正常和稳定的运行, 首先要采用调整逆变器输出电压大小还有相位控制系统有功和无功的输出问题, 用锁相控制技术来与市电进行同步。但是又因为锁相回路响应慢, 这样就不容易精确控制其输出电压了。因此要采用电流控制, 先要控制逆变器的输出电流, 跟踪电网的电压, 使其相同。这样可以保持系统功率因数是1, 可以和电压源并联运行。这个方法是运用较多, 控制方法也比较简单的。
4.2 电压电流双闭环控制
让其逆变器输出的电流跟踪电网电压, 保证频率和相位与其一致。太阳能光伏并网系统用双闭环控制策略, 双闭环的外环是直流电压控制的, 这样能控制并网逆变器直流输入端的电容电压更稳定。内环则是并网电流控制的, 这样能控制并网逆变器的输出电流还有电网电压能够相同一致。外环电压值为MPPT输出值, 反馈值是阵列输出电压值, 二者间进行误差调节。
4.3 实现同步锁相环
同步锁相环可以保证并网电流和电压严格同频和同相, 因此在发电系统中是非常重要的。其功能是调节逆变器来输出电流, 让其与电网电压慢慢达到同步锁定的状态, 这个系统中的锁相控制的环节是由硬件和软件的部分来实现的。
进行这个过程的同时, 需要F2407来采集电网电压信号的准确相位, 并要有硬件电路的辅助, 把电网正弦波的电压信号进行过滤, 然后转成同步的方波信号, 它们具有相同过零点, 也就是所谓的过零点产生脉冲跃变。方波信号输入F2407的外部中断口后, 捕捉电网电压的过零点。在检测到有同步信号时候便产生同步中断。然后指针复位。再把PI调节, 得到电流指令, 与正弦表指针相对的数据相乘即可。
5 结束语
本文中的有输出隔离变压器的单箱双极式光伏并网逆变器, 可以适应宽范围的直流输入电压, 较低开关的频率之下能用调制方式改善并网电流的波形, 可以使电流总畸变率小于3%, 能够有效减少开关的损耗, 提高工作效率。其控制电路的芯片采用的是TI公司的TMS320LF2407A, 前级DC/DC变换器可以实现MPPT, 后级DC/AC逆变环节可以让输出电流和电网的电压相同频率、相位, 还能得到单位功率因数。这种变换器还能改进变步长占空比扰动观察法, 集成了传统扰动法的优点还能在不同的寻优阶段用不同步长进行最大速度跟踪系统的最大功率点, 提高了系统的快速还有高效性。在扰动到步长比特定值小了之后, 保持当前点的稳定, 这样可以减少因扰动带来的功率损耗, 还可以进一步接近理论上最大功率点。后级逆变器用的是全桥逆变电路, 其利用电流、电压双闭环控制来达到同电网电压频率、相位一样的电流。在整个实验中, 该工作系统的稳定性较好, 性能更可靠。
参考文献
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单相并网逆变器 篇4
随着近年来开发新能源意识的逐渐普及,越来越多的家庭用户选择无变压器式光伏并网逆变器向电网输送能量[1,2,3],逆变器的直流注入问题受到了众多研究人员的关注[4,5]。
逆变器输出电流中的直流分量会影响逆变器本身的正常工作,导致波形失真。 同时,直流电流注入电网会使配电网变压器饱和,导致过热、跳闸,产生偶次谐波[6],并会加剧导线的腐蚀,引起计量表的测量误差。 因此,IEEE和IEC都对逆变器输出电流中的直流分量进行了限制,其中IEEE1574中规定光伏并网电流中直流分量必须小于系统额定电流的0.5%[7]。
目前,国内外针对光伏发电系统的直流注入问题已有初步研究。 早期的直流抑制策略主要是在逆变器输出端和电网间安装隔离变压器,但带隔离变压器的光伏发电系统体积大、效率低,并不是解决直流注入问题的理想方案。 针对无变压器式光伏发电系统,已提出的解决方法主要可归为下述3类。
a. 研制可抑制直流分量的新型逆变器拓扑结构[8,9]。 具有直流抑制功能的逆变器拓扑主要为半桥逆变器及其改进拓扑,其主要思想是无论半桥逆变器中的开关器件处于何种状态,并网电流始终会经过直流侧电容,使直流分量被电容隔离,从而消除直流分量。 但半桥逆变器及其改进拓扑结构复杂,所需直流侧电压高,相比现有成熟的全桥拓扑结构,控制难度和开关器件数量增加,性价比优势不明显。
b. 检测补偿法[10,11,12]。 检测补偿法的关键是测量输出电流中的直流分量,通过适当控制算法产生补偿信号,反馈到并网电流调制信号中,最终达到抑制直流分量的目的。 已提出的直流分量检测方法包括自校正电流检测法[13]、一阶电路检测法[14]等,但无论哪种检测法都会增加系统的复杂程度,并且直流分量的检测精度及灵敏度决定了直流抑制的实际效果[15]。
c. 电容隔直法。 根据电容通交隔直的特点,在逆变器交流侧串入真实的或者虚拟的电容来抑制直流电流。 选择串入真实电容时,为了避免基波压降过大串入的电容取值一般较大,成本较高,且存在物理损耗。 文献[16]提出了基于虚拟电容的直流抑制方法采用控制方法代替无极性电容,既可实现零直流注入,又可避免串入电容损耗,但当逆变器采用LCL型滤波器时,串联的电容将带来新的谐振问题。
针对现有直流分量抑制策略的不足,本文以单相LCL型并网逆变器为研究对象,提出一种新的可抑制直流分量的并网逆变器控制策略。 所提策略采用直接控制入网电流的双闭环技术,其中电流外环在常规基波电流控制支路[17,18,19,20,21,22,23]的基础上,增加了一条直流分量抑制支路,在不影响逆变器基波电流跟踪控制表现的基础下,可增大逆变器的直流输出阻抗,抑制直流分量的产生。 与现有的检测补偿法相比,本文所提方法实现简单,无需检测输出电流中的直流分量,便于工程实现。 通过对控制系统的闭环传递模型的频域分析证实了所提策略的控制表现,并通过仿真和实验进一步验证了所提策略的有效性。
1单相光伏系统及直流分量产生原因
图1为单相并网发电系统结构示意图,由光伏阵列、前级升压电路、后级并网逆变器、LCL滤波器组成。 图中i1为逆变器侧电感电流,i2为网侧电感电流,iC为滤波电容电流,udc为逆变电路直流储能电容电压,uinv为逆变器输出端电压,ugrid为电网电压。 光伏阵列将太阳能转换为直流电能,DC / DC升压环节实现最大功率点跟踪控制,并网逆变器主要实现并网电流跟踪控制和前后级母线电压的稳压控制。
由于电容通交隔直,而电感对直流分量可视为短路,因此稳态下的直流分量回路可通过图2所示电路描述,其中r1和r2为滤波电感内阻。
从图2可见,逆变器输出电流中的直流分量大小由逆变器输出端电压、电网电压以及滤波电感内阻共同决定。 实际中,电网电压为标准的正弦波电压,不允许存在直流偏置分量,而滤波电感内阻一般较小。 因此,逆变器输出端的直流电压分量作用在小的直流回路阻抗上将可能产生较大的直流输出电流。
逆变器输出端的直流电压分量产生的原因有多种,包括逆变器开关器件动作不一致、电流采样传感器的零点漂移以及参考电流信号中的直流分量等。 这些因素往往较难从源头上得到抑制,因此为了有效避免逆变器的直流注入问题,一种可行的手段就是增加直流回路的阻抗,通过增大逆变器的直流输出阻抗来抑制直流分量的产生。
2单相并网逆变器电流控制策略
本文所提的并网逆变器电流跟踪控制策略如图3所示 。 为了对照本文所提策略与常规并网逆变器电流跟踪控制策略的差异,图4展示了常规并网逆变器电流跟踪控制策略[17]。 2种策略均采用反馈电容电流的双闭环入网电流控制技术。 逆变桥可等效为比例环节kPWM,电流内环采用电容电流反馈环 ,用以增加系统阻尼,抑制LCL的谐振尖峰,采用比例 (P)控制,ke为电流内环P控制器比例系数。
与常规的双闭环控制技术中电流外环仅包含一条控制支路所不同的是,本文为了抑制直流输出电流,电流外环由基波控制支路和直流抑制支路2条支路并联组成。 其中基波控制支路主要实现入网电流对基波指令电流信号iref的精确无差跟踪控制,因此基波控制支路控制器GPR可选取在基波频率处具有无穷大增益的比例谐振控制器,其表达式为:
其中,KP、Kr分别为比例谐振控制器的比例系数和积分系数;ω1为基波角频率。
直流抑制支路的控制目标是抑制输出电流中的直流分量,使入网电流中的直流分量为零。 GI为直流抑制支路控制器,可选择在直流分量处具有无穷大增益的积分控制器来实现对直流分量的无差控制。 G的表达式可表示为:
其中,KI为积分控制器的积分系数。
为了理解所提策略对直流分量的抑制机理,对没有直流抑制支路和加入直流抑制支路2种情况下的逆变器输出电压uinv展开研究。 没有直流抑制支路作用时,即传统的双闭环控制技术,由图4可得逆变器输出电压uinv1可表示为:
其中输出电压uinv1中前一项主要实现入网基波电流的跟踪控制,后一项为电容电流反馈部分,主要作用为抑制LCL谐振尖峰。 加入直流抑制支路作用后,由图3可以得到逆变器输出电压uinv2可表示为:
对比式(3)和式(4)有关系:
对式(5)进行分析可知,加入直流抑制支路的作用效果可等效为在uinv1的输出端串联一个阻值为kekPWMGI的虚拟电阻R,其对直流分量的等效电路如图5所示。
虚拟电阻R的阻值大小主要受积分控制器影响,其在交流频率处的阻值有限,但在直流分量处,R的阻值为无穷大。 因此,加入直流抑制支路实际上是在逆变器的输出电压端串联了一个无穷大的直流电阻,从而抑制了直流分量的产生。 与现有的检测补偿法相比,本文所提策略虽然也是通过适当控制算法产生补偿信号进而反馈到并网电流调制信号中,最终达到抑制直流分量的目的,但本文所提方法实现更为简单,仅在常规双闭环控制技术的基础上增加一条直流抑制回路,并且所提策略实现过程不需要检测输出电流中的直流分量,更便于工程应用。 下文将通过控制系统的建模分析进一步揭示所提策略的控制特性,并且表明所增加的直流抑制支路并不影响逆变器基波电流跟踪控制表现。
3所提策略的建模分析
根据图3所示电流框图,忽略电感内阻的影响, 以电流外环输出信号A(s)和电网电压ugrid作为输入, 可得到逆变器网侧输出电流表达式为:
其中,G1(s)为电流外环输出信号A(s)和逆变器网侧输出电流之间的传递函数;G2(s)为电网电压ugrid和逆变器网侧输出电流之间的传递函数。
根据电流外环支路结构,电流外环输出信号A(s) 为2条支路的输出信号之和,可表示为:
将式(7)代入式(6),得:
其中,H(s)为逆变器电流跟踪闭环传递函数;Y(s)为并网逆变器对电网电压的等效并联导纳。 详细的表达式如下:
主要电路和控制器参数选取如下:LCL滤波器中L1= 2 m H,C = 10 μF,L2= 0.5 m H;直流侧电压400 V电网电压单相有效值220 V / 50 Hz;开关频率10 k Hz内环比例系数ke= 0.1;基波谐振控制器参数KP= 0.3 Kr= 80;直流积分控制器参数KI= 30。
令H(s)和Y(s)中直流抑制支路控制器GI(s)= 0,可得到常规电流跟踪控制策略相对应的闭环传递函数,2种策略下的闭环传递函数H(s)和Y(s)的伯德图分别如图6、图7所示。
图6中,与预期一致,没有直流抑制支路作用的常规电流跟踪策略闭环传递函数(虚线)在直流分量处的闭环增益接近0 d B,导致指令信号中直流成分引入入网电流而产生直流注入问题。 而采用本文所提的电流跟踪控制策略后,电流跟踪闭环传递函数(实线)在直流分量处增益很小,接近为零(小于 -50 d B) 而在基波频率处增益接近于0 d B,跟踪相角差接近于0°。 因此,采用本文所提电流跟踪控制策略几乎不影响基波电流的跟踪控制表现,但却可以很好地抑制指令信号中的直流分量。
图7为并网逆变器对电网电压等效并联导纳的伯德图,对比可见,加入直流抑制支路后,等效导纳在低频段和直流分量处的增益明显降低。 因此,即便电网电压中含有少量的直流偏置电压分量,由于并联导纳在直流分量处的增益很小,这些偏置电压分量对逆变器输出电流的负面影响也可忽略。
4仿真与实验验证
利用Psim9.0仿真软件验证本文所提直流抑制策略的有效性。 仿真中,逆变器额定容量设为2 k W, 其余仿真参数和控制参数同第3节中。
采用直流电源来维持直流侧电压稳定,逆变器基波指令电流信号iref由常数k乘以电网电压同步相位sin θPLL得到,即:
为了验证所提直流抑制策略的有效性,在基波指令电流信号中叠加1 A的直流偏置分量。 令k= 10,分别对没有直流抑制支路的常规电流双闭环策略和加入直流抑制支路的双闭环策略进行对比仿真分析。
图8为没有直流抑制支路时的逆变器输出电流波形。 从图中可见,逆变器输出电流中含有明显的直流偏置 分量 ,直流分量 幅值约为1 A,根据IEEE 1574规定 ,逆变器并网电流中直流分量应小于额定电流的0.5 %,本文逆变器容量为2 k W,因此注入电网的直流分量应小于0.045 A。 可见常规电流双闭环策略对直流分量的抑制作用较差。
加入直流抑制支路的双闭环策略的仿真波形如图9所示,加入直流抑制支路后即等效为在逆变器输出端串入一个无穷大的直流电阻,因此输出电流中几乎不含直流分量,输出电流为无直流偏置的正弦波电流,满足IEEE直流注入标准,验证了本文直流抑制策略的有效性。 仿真波形中并网电流出现的局部不光滑是由于谐波毛刺引起的,但此时入网电流谐波畸变率均小于5%,满足IEEE的谐波并网标准。
图10为加入直流抑制支路时的逆变器输出电流动态响应波形。 基波指令电流信号幅值在1.1 s从10 A阶跃至15 A,从图中可见 , 逆变器输出电流能较快地跟踪基波指令电流信号变化,动态表现性能良好。
为了进一步验证本文所提直流抑制策略的有效性,在实验室搭建了单相并网发电平台,采用直流电源维持直流侧电压的稳定,逆变器基波指令电流信号采用给定方式得到,如式(11)所示。
实验中,为了更好地观察所提策略对直流分量的抑制效果,在基波指令电流信号中叠加2 A的直流偏置分量。 令k=10,分别对没有直流抑制支路的常规电流双闭环策略和加入直流抑制支路的双闭环策略进行对比实验研究。
采用常规电流双闭环策略的实验结果如图1所示。 与预期一致,由于常规电流跟踪策略的闭环传递函数在直流分量处的闭环增益接近0 d B,因此指令信号中的直流分量被引入了输出电流,逆变器输出电流中的直流分量高达2 A,远超过IEEE限制值。
采用本文所提的直流抑制策略的实验结果如图12所示 。 加入直流抑制支路后 ,输出电流波形上下对称,几乎不含直流分量,较好地抑制了直流分量注入电网。
图13为采用本文所提策略时,电网电压和逆变器输出电流的波形图。 从图中可见,逆变器输出电流与电网电压相位一致,输出电流幅值约为10 A,可见,所提的直流抑制策略并不影响逆变器的基波电流控制。
5结论
单相并网逆变器 篇5
太阳能并网发电技术已成为世界各国研究的焦点。本文提出一种新型无隔离变压器双Boost转换器的单向光伏发电系统。每组光伏阵列各自通过一Boost变换器和同一逆变器相连, 实现并网和无功补偿。为了实现功率因数可调及动态连续补偿感性和容性无功, 提出了双闭环的PI加前馈的单相光伏逆变控制方法, 采用PSIM软件建立系统仿真模型, 实验波形验证了无功补偿技术的可行性, 以及整个逆变系统的可靠性和高效性。
1单向光伏逆变器的工作原理和无功补偿技术
1.1工作原理
图1为单向光伏并网逆变器的拓扑结构。包括:前级两组光伏阵列通过耦合电感和电容滤波后经两组完全相同的Boost变换器组成最大功率跟踪器;后级为单向全桥逆变器。Boost 电路由MOSFET、SIC二极管和D1、D3旁路二极管组成。逆变桥后级还增加了一组额外的分支开关Q7和Q8, 用来改善逆变器的整体转换效率。
在逆变桥开关Q3、Q6导通的正半周, 开关管Q8导通, Q7关断。在正半周向负半周过渡时, 由于互补对称的开关管驱动脉冲有死区, 可能出现4个管子都不导通的情况, 此时电感L3、L4通过开关管Q8与二极管续流, 如图2 (a) 所示, 使逆变器能短时间内给电网供电, 若此时出现容性无功电流即Q7导通, 与之串联的二极管也导通, 电流的方向如图2 (b) 所示, 电网给电感充电, 抬高逆变侧的输出电压, 通过H桥上4个二极管给电容充电, 导致母线电压升高, 通过适当控制直流母线电压, 使母线电压维持在规定的范围内。
同样的方法可以分析出逆变桥开关Q4、Q5导通的负半周时, 各开关管的动作情况。
1.2无功补偿技术
图3为单相光伏并网逆变器输出电流, 电压的矢量关系图, 3 (a) 为电网中无功电流为0时的矢量图;若电网中出现容性无功电流, 如3 (b) 所示, 此时开关管Q3、Q4、Q8、Q6、Q7关断, Q5按一定的开关频率高频导通, 使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变 (即3 (b) 中的θ1+θ2等于3 (a) 中的θ1) ;同理, 若电网中存在感性无功电流, 如3 (c) 所示, 此时使开关管Q4、Q5、Q6、Q7、Q8关断, Q3按一定的开关频率高频导通时, 从而使逆变器输出电压的幅值和相位发生改变 (即3 (c) 中的θ1等于3 (a) 中的θ1, θ2=0) , 这样该光伏逆变器能实现动态补偿感性和容性无功。
当光伏电池输出能量时, 逆变器将直流电变成交流电输送到电网, 同时有选择地对电网补偿一定的无功电流;当光伏电池输出功率低于某值停止输出时, 逆变器继续对电网进行无功补偿。在任一时刻, 无电流流过桥半导体, 与传统H桥逆变器相比, 可提高逆变器的转换效率, 实现了一套光伏并网发电系统的多功能使用, 既改善了电网的电能质量, 又提高了整个系统的利用效率。
2控制方法
单相光伏并网逆变系统的控制环包括:光伏电池阵列电压环 (boost变换器控制环) 和逆变控制环, 本文不对boost 变换器控制环作详细的研究。图4为单相光伏逆变器双闭环系统的控制框图。
boost变换器输出一母线电压给定, 此母线电压给定值与直流母线上最大功率点对应的母线电压反馈值作差值后经电压PI控制器, 再经限幅处理后与正弦表相乘得到与电网同步的电流信号, 此电流信号称为电流参考值;逆变器电流反馈采样值和电流参考值比较后, 经电流PI控制器输出指令量纲为电压, 此电压指令量纲与电网电压前馈相加后, 得到所需并网电压指令, 与直流母线电压做除法后得到调制度, 其连续波形为调制波, 与三角载波比较后产生PWM波形, 用以控制逆变器开关管的动作, 不仅实现了无功补偿的功能, 而且还实现了并网电流的控制, 整个系统更加稳定可靠, 抗干扰性更好。
3仿真实验研究
利用PSIM软件对该逆变器系统进行并网和无功补偿技术的仿真研究, PSIM是趋向于电力电子领域以及变频器控制领域的仿真应用软件, 基于PSIM6.0软件建立的控制系统仿真模型。
当t=0.02s, 出现感性无功, 并网电流的波形如图5 (a) 所示, 当t=0.02s, 出现容性无功, 并网电流的波形如图5 ( b) 所示, 从波形中可以看出并网电流能完全跟踪指令电流, 电流波形平滑、稳定、谐波含量低;该拓扑结构的光伏逆变器可以实现动态连续补偿感性和容性无功, 降低了电网的无功损耗, 在实现并网的同时, 还提高了功率因数, 达到了治理电网的电能电量, 提高了整个光伏发电系统的转换效率。
4结语
本文介绍了一种高效率且能实现无功补偿技术的单向光伏并网逆变器, 该光伏逆变器在实现可靠稳定的并网发电同时, 还可以补偿电网上的无功。运用PSIM软件建立的仿真模型验证了此光伏逆变器的高效性和所采用控制方法的可靠性, 并证实了无功补偿技术的可行性。
参考文献
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[2]程军照, 李澍森, 张腾飞.多路并网光伏发电系统的仿真与分析[J].电力系统及其自动化学报, 2009 (4) .
单相并网逆变器 篇6
关键词：光伏微逆变器,交错反激变换,全桥逆变,最大功率点跟踪
0 引言
在微型逆变器的PV系统中, 每一块电池板分别接入一台微型逆变器, 当电池板中有一块不能良好工作, 则只有这一块都会受到影响。其他光伏板都将在最佳工作状态运行, 使得系统总体效率更高, 发电量更大。由于微型逆变器采用的功率器件容量较小, 其成本较低;另外微型逆变器结构简单, 体积较小, 系统采用简单的布线, 安装成本低廉, 因此就出现了太阳能光伏微逆变器的市场需求。
1 光伏微逆变器系统的研究方案及设计
1.1 研究方案
本设计的系统由5大部分组成:电解电容、交错反激变换电路、全桥逆变电路、EMI滤波电路、ds PIC控制部分。光伏PV电池组件的直流电压先经过去耦电容滤除纹波, 然后加在交错反激变化电路上, 在反激输出的电容上产生整流的正弦输出电压;全桥逆变电路将整流输出电压转换成正弦电压;滤波电路滤除高频开关谐波, 保证并网电流的质量;微处理器电路通过对电池组件电压、电流采样, 使电池组件以最大功率方式输出, 数字锁相环使得逆变器的输出电流与电网同步。
1.2 光伏微逆变的主电路设计
主功率电路前半部分选择交错反激变换, 用来将较低的PV电池板电压 (20-45 VDC) 升压至整流的交流输出, 以及提供与PV电池板和电网的电流隔离。
后半部分全桥交流逆变电路主要电路由四个型号为IPB60R190C6的MOSFET (Q3、Q4、Q5、Q6) 组成, 可以将半波的直流电压, 变成上下交换的交流正弦输出, 桥式可控硅的换向频率工作在低频50Hz时的波形。
1.3 光伏微逆变的软件设计
1.3.1 主程序设计
主程序是一个无穷循环, 主要包括一些初始化程序:I/O口、AD模块、PWM模块, 定时器模块、CMP模块。中断程序初始化和使能中断, 进入while循环等待中断事件。
1.3.2 最大功率点跟踪算法 (MPPT)
本设计应用的是基于电流的扰动观测法实现MPPT。算法流程:采集当前太阳能电池板的电压Uin、电流Iin, 计算当前的功率Pin和电压变化量ΔU=U (k) -U (k-1) 比较当前周期功率P (k) 和前一周期功率P (k-1) 大小 (1) P (k) >P (k-1) , 当ΔU>0减小参考电流Iref (k) =Iref (k-1) -ΔI;当ΔU<0增大参考电流Iref (k) =Iref (k-1) +ΔI。 (2) P (k)
0增大参考电流Iref (k) =Iref (k-1) +ΔI;当ΔU<0减小参考电流Iref (k) =Iref (k-1) -ΔI。对于电流调整步长ΔI的选取:若选值过小, 系统无法快速应对外部环境的变化, 反应速度过慢;若选值过大, 系统精度不够。系统选取ΔI在0.01A-0.1A。
1.3.3 数字锁相环 (PLL)
锁相环的目的在于将逆变器输出电压与电流同相位。PLL生成电网电压频率和相位角。电压的估计频率ω和相位角θ可用于控制和信号生成, PLL采用的硬件过零检测和软件过零检测结合的方式。
2 结语
本设计太阳能光伏微逆变器样机板厚2.071mm, 长231.36mm, 宽124.422, SMT双面板。
本设计实验需要设备:示波器一台, 50A空气开关一台, PV模拟器一台 (chroma公司的62150H—1000S) , 光伏微逆变器样机。
示波器显示最大输出功率下和30%输出功率的电压与电流如下图所示, 电压电流同频同相满足设计要求。
3 结论
通过对本设计的太阳能光伏微逆变器系统的实验验证, 系统的电网电压与输出电流保持同步, 而且输出电流的正弦度比较理想。系统结构简单, 实现容易, 控制电路简单。样机运行状态良好, 效率较高, 设计电路简单成本低廉, 具有实际工程应用价值。
参考文献
单相并网逆变器 篇7
光伏发电系统主要有独立发电系统和并网发电系统。与独立发电系统相比,并网光伏发电系统具有造价低、输出电能稳定的优点,应用前景广阔。并网逆变器作为光伏发电系统和电网的接入口,在并网光伏发电中起着至关重要的作用,研究并网逆变器的控制方法具有重要实用价值。
无差拍控制是一种数字化PWM控制方法,最早由卡尔曼于1959年提出,20世纪80年代中期开始应用于逆变器控制中,它具有动态响应速度快、精度高、控制过程无过冲等特点,用于单相光伏并网逆变器的控制中,可以提高逆变器的抗干扰能力。本文通过分析研究,建立了并网逆变器无差拍控制的数学模型,通过MATLAB/Simulink软件仿真,验证了无差拍控制工作的稳定性,可提高系统输出电能的质量。
1 无差拍控制
1.1 无差拍控制的基本原理
无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法,具有很高的响应速度。由于其具有非常快的暂态响应,因此非常适用于易受外部多变环境影响的光伏并网发电系统逆变器的控制。无差拍控制的基本控制思想是:根据逆变器的状态方程和输出反馈信号来推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度,用该PWM脉冲宽度来控制逆变桥相应功率管的通断,从而得到所需要的逆变器输出波形[1]。具体表述见1.2控制脉冲的计算。
1.2 控制脉冲的计算
单相并网逆变器工作原理图如图1所示。图中Udc为直流侧电压,由光伏阵列产生的直流电经DC-DC升压后得到,大约为400 V。由V1~V4组成全桥逆变器,V1、V4和V2、V3功率管交替导通,向电网输出并网电流。L和C组成滤波器,滤除逆变器并网电流中的高次谐波,RL为线路的等效电阻。
逆变器工作时,其输出的参考电流已知,输出的电感电流可以通过采样得到。并网工作时,滤波电容电流与逆变器输出的电流相比可忽略不计。根据图1列出时域电路方程:
在一个采样周期Ts内,将式(1)转换成相应的差分方程:
式中,Ts—功率器件开关周期,即采样周期;L—逆变器输出的滤波电感;iL(k)—第k个采样周期电感L的采样电流;—第k个采样周期时逆变器的输出电压平均值;—第k个采样周期时电网电压平均值;RL—线路等效电阻。
要使滤波电感电流在第(k+1)次采样时刻跟踪上逆变器参考电流信号iref(k+1),用iref(k+1)代替式(2)中的iL(k+1)可得:
从式(3)中可以看出:逆变器在k时刻的输出平均电压可根据k时刻的iL(k)、及参考电流iref(k+1)计算得到。由于iL(k)可实时采样得到,而参考电流iref(k+1)为已知,因此只要能得到,就可以得到逆变器在k时刻的输出平均电压。
下面计算。由于逆变器与电网并联工作,因此可知,逆变器输出电压等于电网电压,即:
ugrid(t)在第k个采样周期内的平均电压为:
得到后,我们就可以方便地计算得到。uinv(t)实际上为脉冲波电压,由于逆变器输出电压与直流母线电压成比例关系,因此逆变器功率器件每个采样周期内的占空比为:
将式(3)代入式(6)可得:
第k次采样周期的逆变器功率器件的占空比D(k)可由Udc、iL(k)、、iref(k+1)决定。于是对每一个采样周期功率管占空比的控制就转化为对参考电流信号的控制,要求参考电流信号的频率和相位可跟踪电网电压频率和相位[2]。
通过式(7)所求得的占空比D(k)控制逆变器的开关器件,即可得到iref(k+1)的输出,从而实现逆变器的无差拍控制。
2 单相光伏并网逆变器
2.1 并网逆变器工作原理
并网逆变器将光伏阵列产生的直流电变换为正弦交流电,经过滤波后输送到电网。逆变器输入为电压源方式,输出控制采用电流控制方式。通过控制电感电流的频率和相位来跟踪电网电压的频率和相位,保证正弦输出,使输出功率因数为1,从而达到并网运行的目的[3]。
2.2 参考电流信号
通过对无差拍控制工作原理分析可知,为了获得逆变器下一个采样周期的脉宽控制宽度,必须知道逆变器下一个周期的参考电流信号。
参考电流iref的获得:光伏器件的输出功率可由其输出电压和输出电流得到,去除电路中的损耗后即为逆变器的理论输出功率;用该功率除以电网电压有效值得到逆变器参考电流的有效值,由于我们需要的参考电流要求频率和相位与电网电压保持一致,因此根据电网电压的频率和相位关系,就可得到逆变器输出的具体电流参考信号。光伏并网逆变器参考电流获取原理图如图2所示。
3 仿真结果
基于以上分析,在MATLAB/Simulink中对逆变器无差拍控制方法进行了仿真,仿真模型框图如图3所示[4]。具体参数设计如下:逆变器输出功率为3 k W,直流侧电压为400 V,逆变桥开关频率为10 k Hz。电网电压和并网电流仿真波形如图4所示。
应用Simulink/Power gui模块对并网电流进行了谐波分析,得到并网电流的总谐波失真THD为2.89%。由仿真结果可以知道,并网电流很好地跟踪了电网电压,谐波含量较小,并且系统具有较高的稳定性。
4 结语
光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心器件之一,其性能的优劣直接影响着光伏并网发电系统所发电能的质量。本文对光伏并网逆变器采用无差拍控制方法,通过仿真实验结果可以看出,并网电流很好地跟踪了电网电压,并且电流正弦度较好,谐波含量较少,达到了向电网输送高质量电能的目的。
参考文献
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