太陽能逆變器開發(fā)思路和方案(3)

1、p、j容摘要：摘要：針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)屮關(guān)鍵部件逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法研 究進行了詳細分析和闡述。從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對逆變器的要求出發(fā)，分析了各種不 同的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)與控制方法，比較其運行效率和控制效果。對于目前國內(nèi)外光伏發(fā)電系 統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研宄現(xiàn)狀、亟待解決的問題進行了闡述，指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器 高效可靠運行的發(fā)展方向。摘要：針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)屮關(guān)鍵部件逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法研宄進行了詳 細分析和闡述。從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對逆變器的要求出發(fā)，分析了各種不同的逆變器 拓撲結(jié)構(gòu)與控制方法，比較其運行效率和控制效果。對于0前國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆 變器的研宂

2、現(xiàn)狀、亟待解決的問題進行了闡述，指出光伏發(fā)電系統(tǒng)屮并網(wǎng)逆變器高效可靠運行的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；逆變器；拓撲結(jié)構(gòu)；最大功率點跟蹤；孤島效應(yīng) 引言由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對環(huán)境的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革，分布式發(fā)電將成為 未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，光伏發(fā)電以其獨特的優(yōu)點，被公認為技術(shù)含量高、最有發(fā) 展前途的技術(shù)之一。但是光伏發(fā)電系統(tǒng)存在著初期投資大、成本較高等缺點，因而探索高性能、低造價的新型 光電轉(zhuǎn)換材料與器件是其主要研究方向之一。另一方而，進一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)自身損耗、 提高運行效率，也是降低其發(fā)電成本的一個重要途徑。逆變器效率的高低不僅影響其自身損 耗，還影響到光

3、電轉(zhuǎn)換器件以及系統(tǒng)其他設(shè)備的容量選擇與合理配置。因此，逆變器已成為影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟可靠運行的關(guān)鍵因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方 法對于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有極其重要的意義5。本文從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對于并網(wǎng)逆變器的要求岀發(fā)，分析了不同的逆變器拓撲結(jié)構(gòu) 與控制方法，比較了其運行效率和控制效果。對于目前 國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研宂現(xiàn)狀、亟待解決的技術(shù)問題進行了綜合，進一步指出了光伏發(fā)電系統(tǒng)屮并網(wǎng)逆變器高效可靠運行的發(fā) 展方向。1光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列、逆變器和控制器3部分組成。逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它完成控制光伏陣列最大 功

4、率點運行和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務(wù)。1 .1電網(wǎng)對逆變器的要求逆變器要與電網(wǎng)相連，必須滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量、防止孤島效應(yīng)和安全隔離接地3個要求。為了避免光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對公共電網(wǎng)的污染，逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。影響波形 失真度的主要因素之一是逆變器的幵關(guān)頻率。在數(shù)控逆變系統(tǒng)屮采用高速dsp等新型處理 器，可明顯提高并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率性能，它己成力實際系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一；同時， 逆變器主功率元件的選擇也至關(guān)重要。小容量低壓系統(tǒng)較多地使用功率場效應(yīng)管 （mosfet）,它具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率；但mosfet隨著電壓升高其通態(tài) 電肌增大，因而在高壓大容量系統(tǒng)中一般采用絕緣

5、柵雙極晶體管（igbt）;而在特大容量系 統(tǒng)中，一般采用可關(guān)斷晶閘管（gto）作為功率元件6。依據(jù)ieee 2000-929 7和ul17418標(biāo)準，所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)的功能。 孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或ft然因素等原因中斷供電時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 未能及時檢測出停電狀態(tài)并切離電網(wǎng)，使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與周圍的負載形成一個電力公司無法掌握的自給供電孤島g。防孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是對電網(wǎng)斷電 的檢測。為了保證電網(wǎng)和逆變器安全可靠運行，逆變器與電網(wǎng)的有效隔離及逆變器接地技術(shù)也十分重要。電氣隔離一般采用變壓器。在三相輸出光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其接地方式可參照國際電工委員會 規(guī)定的非接地（

6、i-t）方式、單個保護接地（t-t）方式和變壓器中性線直接接地。而用電設(shè) 備的外殼通過保護線（pe）與接地點金屬性連接（t-n）。1 .2光伏陣列對逆變器的要求巾于円照強度和環(huán)境溫度都會影響光伏陣列的功率輸岀，閃此必須迎過逆變器的調(diào)節(jié)使光伏 陣列輸出電壓趨近于最大功率點輸出電壓，以保證光伏陣列在s大功率點運行而獲得s大能 源。常用的最大功率點跟蹤（mppt）方法有：定電壓跟蹤法、“上山”法、干擾觀察法及增量電導(dǎo)法。1 .3用戶對逆變器的要求從光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶來說，成本低、效率與可靠性高、使用壽命長是其對逆變器的要求。 因此，對逆變器的要求通常是： 具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格篩選的元器件；具備輸

7、入直流極性反接、交流輸出短路、過熱 過載等各種保護功能。具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范闌。巾于光伏陣列的端電壓隨負載和h照強度而變化，因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。 盡ffl減少屮間環(huán)節(jié)（如蓄電池等）的使用，以節(jié)約成本、提高效率。2逆變器結(jié)構(gòu)的發(fā)展為了能夠設(shè)il出盡量滿足上述各項要求的并網(wǎng)逆變器，大多數(shù)研宄人員一直集中于逆變器拓 撲結(jié)構(gòu)和控制方法2方面的研宂。它采用單級無變壓器、電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、魯棒性強；但受 限于當(dāng)時開關(guān)器件水平，使系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)只有0 .60 .7，且輸出電流諧波大弓i。隨著電子開關(guān)器件的發(fā)展，

8、高頻（頻率16 khz）雙極晶體管，mosfet或 igbt等逐漸取代了并網(wǎng)換相晶閘管。由于采用pwm全橋逆變電路和高頻開關(guān)電子器件， 能夠很好地控制輸出諧波；但16 khz20 khz開關(guān)頻率使得開關(guān)損耗增大，效率降低。單級逆變系統(tǒng)直接將直流轉(zhuǎn)換為交流，它的主要缺點是： 需要較高的直流輸入，使得成本提高，可靠性降低； 對于最大功率點的跟蹤沒有獨立的控制操作，使得系統(tǒng)整體輸出功率降低； 結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法擴展，不能滿足光伏陣列直流輸入的多變性。因此，在直流輸入較低 時，考慮采用交流變壓器升壓，以得到標(biāo)準交流電壓與頻率，同時可使得輸入輸出之間電 氣隔離。為帶工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變系統(tǒng)。其最大優(yōu)

9、點是逆變器在低壓側(cè)，因此逆變橋可以采用 高頻低壓器件mosfet，節(jié)省了初期投資；而且逆變器的控制在低壓側(cè)實現(xiàn)，使得控制更 易實現(xiàn)。此結(jié)構(gòu)還適用于大電流光伏模塊。工頻升壓變壓器體積大，效率低，價格也很昂貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的進一 步發(fā)展，采用高頻升壓變換能實現(xiàn)更高功率密度逆變。升壓變壓器采用高頻磁芯材料，工 作頻率均在20 khz以上。其體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電, 又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（通常在300 v以上），再由工頻逆變電路實現(xiàn) 逆變。多轉(zhuǎn)換級帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)相比帶工頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率密度大大提高，逆變 器空載損耗也相應(yīng)降低

10、，從而效率得到提高，但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降 低。光伏逆變器由單級到多級的發(fā)展，使電能轉(zhuǎn)換級數(shù)增加，能夠便于滿足最人功率點跟蹤和直 流電壓輸入范圍的要求；但是單級逆變器結(jié)構(gòu)緊湊，元器件少，損耗更低，逆變器轉(zhuǎn)換效率 更高，更易控制。因此，在結(jié)合兩者優(yōu)點的前提丁，盡可能提高直流輸入電壓，就能提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率。 早期采用了集屮式技術(shù)提高輸入電壓，如圖4（a）所示。將光伏模塊串/并聯(lián)連接，產(chǎn)生直 流高電壓和電流，以增加轉(zhuǎn)換效率。該結(jié)構(gòu)方式不夠靈活，會產(chǎn)生許多電能質(zhì)s問題?，F(xiàn) 階段的光伏并網(wǎng)逆變器大多采川串級型，其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。把光伏模塊串聯(lián)輸入，同 時盡量采用模塊化設(shè)計，減

11、少屮間環(huán)節(jié)，導(dǎo)致如閣4(c)所示結(jié)構(gòu)。該設(shè)計更靈活，適應(yīng)性 更強，可即插即用。圖4(d)所示為多串級逆變器結(jié)構(gòu)，它融合了串級的設(shè)計靈活、高能 量輸出與集中型低成本的優(yōu)點，是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢。最近，一些新型的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)和連接概念被提出來，如主從連接概念、隊連接概念等。 其研究不再僅僅局限于單個逆變器效率的提高，而是多個逆變器連接的效率即整個系統(tǒng)效率 的提高。3逆變器的控制策略光伏逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)運行必須滿足：其輸岀電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸fli電流與電 網(wǎng)電壓同頻同相(功率因數(shù)為1),而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。這些都依賴 于逆變器的有效控制策略。光伏并網(wǎng)逆

12、變器的控制一般分為2個環(huán)節(jié)：第1個環(huán)節(jié)得到系 統(tǒng)功率點，即光伏陣列工作點；第2個環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對電網(wǎng)的跟蹤。同時，為保證光伏逆變器安全有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)必須具備一定的保護功能和 防孤島效應(yīng)的檢測與控制功能。3 .1光伏陣列工作點跟蹤控制光伏陣列工作點的控制主要有恒電壓控制(cvt)和mppt這2種方式。cvt是通過將光伏陣列端電壓穩(wěn)定于某個值的方法，確定系統(tǒng)功率點。其優(yōu)點是控制簡單， 系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但當(dāng)溫度變化較大時，cvt方式下的光伏陣列工作點將偏離最大功率點rl 0mppt是當(dāng)前較廣泛采用的光伏陣列功率點控制策略。它通過實時改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 跟蹤陣列的最大工作點，從而

13、實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸出rl。它是一種自主尋優(yōu)方式，動 態(tài)性能較好，但稔定性不如cvt。其常用方法有“上山”法、干擾觀察法、電導(dǎo)增s法等， 具體實現(xiàn)見文獻?，F(xiàn)在對mppt的研宄集中在簡單、高穩(wěn)定性的控制算法實現(xiàn)上，如s優(yōu)梯度法rl、模糊 邏輯控制法等、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法一等，也都取得了較顯著的跟蹤控制效果。3 .2逆變器跟蹤電網(wǎng)控制對電網(wǎng)的跟蹤控制是整個逆變系統(tǒng)控制的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)景和運行效 率。由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于pwm逆變實現(xiàn)的，所以其控制屬于逆變器pwm電流控制 方式rl引。較早出現(xiàn)的pwm非線性控制方法有瞬時比較方式和三角波比較方式rl弓i。所示的瞬時比較方式，電流誤

14、差的補償和pwm信號的產(chǎn)生同時在同一控制單元完成， 并且構(gòu)成了閉環(huán)反饋，使得控制器實現(xiàn)簡單，具有良好的動態(tài)響應(yīng)和內(nèi)在的電流保護功能。 但是它具有控制延時、開關(guān)頻率不固定、無法產(chǎn)生零電壓矢量等不足，因此輸出電流波動、 諧波畸變率都很大。為避免器件開關(guān)頻率過高，可采用滯環(huán)寬度根據(jù)輸出電流而自動調(diào)節(jié) 的滯環(huán)比較器；或采用定時控制的瞬時值比較方式，但此方法的補償電流誤差不固定12 引。三角波比較方式的原理，放大器a常采用比例或比例積分放大器。與瞬時儕比較方式相比, 該方法的優(yōu)點是輸出電壓中所含諧波較少（含有與三角波相同頻率的諧波），器件的開關(guān) 頻率固定（等于三角波的頻率）；但該方法硬件較為復(fù)雜，跟隨誤

15、差較大，放大器的増 益有限，電流響應(yīng)比瞬時值比較方式的慢。目前更好的閉環(huán)電流控制方法是基于載波周期的一些控制方法，例如無差拍pwm技術(shù)。 它是將目標(biāo)誤差在下一個控制周期內(nèi)消除，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差效果。此方法計算量較大，但其 開關(guān)頻率固定、動態(tài)響應(yīng)快，適宜于光伏并阿的數(shù)字控制實現(xiàn)引。隨著微處理器技術(shù)，尤其是數(shù)字信號處理器的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論屮許多先進算法也被應(yīng)用 到光伏逆變系統(tǒng)的控制中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等，它們在各 自領(lǐng)域解決了某些控制問題，但同樣具有各種相應(yīng)的局限性。例如：人工祌經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的精 度依賴于模型訓(xùn)練樣本：自適應(yīng)控制要求在線辨識對象模型，算法復(fù)雜、計算量大：滑

16、模變 結(jié)構(gòu)控制存在系統(tǒng)抖振問題；模糊控制依賴于隸屬函數(shù)的選取，控制精度有待提髙等。三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，較多地采用將交流變景轉(zhuǎn)換為直流變景，將三相變換為兩相的控制策略, 并提出在d-q同步參考坐標(biāo)系下基于空間矢量pwm（svpwm）的線性電流控制器7.。 svpwm校制在解耦的d軸和q軸形成電流控制環(huán)，具有固定的開關(guān)頻率，很好地輸出諧 波頻譜，優(yōu)化了幵關(guān)控制方案和直流電壓利用率。但它輸出的電流質(zhì)m般，并且不具備內(nèi)在的過電流保護能力 近幾年，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合控制成為其研究發(fā)展的新趨勢。文獻丨33-1研究了基于瞬時無 功理論的無功與諧波電流補償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可實 現(xiàn)

17、電網(wǎng)無功和諧波電流補償。這對逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實時性、動態(tài)特性要求更高。研究 適合于這類逆變器的控制方法對電網(wǎng)電能質(zhì)的提高具有重火意義。3 . 3逆變器對于孤島效應(yīng)的檢測及控制逆變器直接并網(wǎng)時，除了應(yīng)具有基本的保護功能外，還應(yīng)具備防孤島效應(yīng)的特殊功能。從用 電安企與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的；孤島發(fā)生時必須快速、準確地切除并 網(wǎng)逆變器，由此引出了對于孤島效應(yīng)進行檢測控制的研究。孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動式與主動式。被動式檢測是利用電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài)（如電壓、頻 率、相位等）作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)9。如果電網(wǎng)中負載正好與逆變器輸出匹配， 被動法將無法檢測到孤島的發(fā)生。主動檢測法則是通過

18、電力逆變器定時產(chǎn)生干擾信號，以 觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù)91 ,如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測法、主 動頻率偏移法和滑模頻率偏移法。等。它們在實際并網(wǎng)逆變器中都有所應(yīng)用，但也存在著各自的不足。當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍 小于某一值時，頻率偏移法無法檢測到孤島效應(yīng)，即存在“檢測盲區(qū)。輸出功率變化檢測法 雖不存在“檢測盲區(qū)”，然而光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受到光照強度等影響，其光伏輸出功率隨時在波 動，對逆變器加入有功功率擾動，將會降低光伏陣列和逆變系統(tǒng)的效率。力了解決這個問 題，光伏并網(wǎng)的有功和無功綜合控制方法經(jīng)常被提出來。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進一步的廣泛應(yīng)用，當(dāng)多個逆變器同時并網(wǎng)時，不同逆變器輸出

19、的變 化非常大，從而導(dǎo)致上述方法可能失效。因此，研究多逆變器的并網(wǎng)通信、協(xié)同控制己成 為其孤島效應(yīng)檢測與控制的研究趨勢弓i。4結(jié)語無論是從社會經(jīng)濟發(fā)展，還是從環(huán)境的角度來考慮，光伏發(fā)電技術(shù)的研宄均具有重大現(xiàn)實 意義，而且近年來已得到了飛速發(fā)展。本文從提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的角度，針對其主要部 件逆變器的相關(guān)研究發(fā)展進行了論述。根據(jù)電網(wǎng)、光伏陣列和用戶對于逆變器的不 同要求，從并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)與控制方法2方謝對其研宄現(xiàn)狀、待解決的技術(shù)問題進 行了分析。由目前來看，高集成度的模塊化設(shè)計、減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、采用即插即用的形式 是逆變器結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向；而研宄適合于非線性、強耦合、多變量及分布式的綜合

20、控制策略 是光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器控制方法的研宂重點。方案是計劃屮6容最為a雜的一種。由于一些具有某種職能的具體工作比較a雜，不 作全面部署不足以說明問題，因而公文內(nèi)容構(gòu)成勢必要繁瑣一些，一般有指導(dǎo)思想、主要目 標(biāo)、工作重點、實施步驟、政策措施、具體要求等項目。方案的內(nèi)容多是上級對下級或涉及面比較大的工作，一般都用帶“文件頭”形式下發(fā)，所 以不用落款，只有標(biāo)題、成文時間和正文三部分內(nèi)容。1、標(biāo)題方案的標(biāo)題有兩種寫法：一個是“三要素”寫法，即由發(fā)文機關(guān)、計劃內(nèi)容和文種三部分 組成，如北華大學(xué)五年發(fā)展規(guī)劃總體方案；一個是“兩要素”寫法，即省略發(fā)文機關(guān)，但 這個發(fā)文機關(guān)必須在領(lǐng)頭的“批示性通知”（

21、文件頭）的標(biāo)題屮體現(xiàn)出來，如治理采掘工業(yè) 危機，實現(xiàn)良性循環(huán)方案。成文時間，為鄭重起見，方案的成文時間一般不省略，而且要 注在標(biāo)題下。2、正文方案的正文一般有兩種寫法：一是常規(guī)寫法，即按“指導(dǎo)方針”、“主要目標(biāo)（重點）”、“實施步驟”、“政策措施”及“要求”兒個部分來寫，這個較同定的程序適合于一般常規(guī)性單項工 作；二是變項寫法，即根據(jù)實際需要加項或減項的寫法，適合于特殊性的單項工作。但不管 哪種寫法，“主要目標(biāo)”、“實施步驟”、“政策措施”這三項必不可少的，實際寫作時的稱呼可以 不同，如把“主要r標(biāo)”稱為“fi標(biāo)和任務(wù)”或“r標(biāo)和對策”等，把“政策措施”稱為“實施辦法”或 “組織措施”等。在"主要門標(biāo)”一項中，一般還要分總體目標(biāo)和具體目標(biāo)；“實施步驟”一般還要 分基本步驟或階段和關(guān)鍵步驟，關(guān)鍵步驟里還有重點工作項fh “政策措施”的內(nèi)界里一般還 要分"政策保證”、“組織