最新太陽能逆變器開發(fā)思路和方案

1、內容摘要： 摘要：針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關鍵部件逆變器的結構設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構與控制方法，比較其運行效率和控制效果。對于目前國內外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(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)中關鍵部件 逆變器的結構設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構與控制方法，比較其運行效率和控制效果。對于目前國內外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決

2、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。 關鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；逆變器；拓撲結構；最大功率點跟蹤；孤島效應 O 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，被公認為技術含量高、最有發(fā)展前途的技術之一。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換材料與器件是其主要研究方向之一。另一方面，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，還影響到光電轉換器件以及系

3、統(tǒng)其他設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)濟可靠運行的關鍵因素，研究其結構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)逆變器的要求出發(fā)，分析了不同的逆變器拓撲結構與控制方法，比較了其運行效率和控制效果。對于目前國內外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決的技術問題進行了綜合，進一步指出了光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運行的發(fā)展方向。 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)的關鍵部件，它完成控制光伏陣列最大功率點運行

4、和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務。 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)電能質量、防止孤島效應和安全隔離接地 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開關頻率。在數(shù)控逆變系統(tǒng)中采用高速 DSP 等新型處理器，可明顯提高并網(wǎng)逆變器的開關頻率性能，它已成為實際系統(tǒng)廣泛采用的技術之一；同時，逆變器主功率元件的選擇也至關重要。小容量低壓系統(tǒng)較多地使用功率場效應管 (MOSFET) ，它具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關頻率；但 MOsFET 隨著電壓升高其通態(tài)電阻增大，因而在高壓大容量系統(tǒng)中一般采用

5、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) ；而在特大容量系統(tǒng)中，一般采用可關斷晶閘管 (GTO) 作為功率元件6 。 依據(jù) IEEE 2000-929 7 和 UL17418 標準，所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應的功能。孤島效應是指當電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自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 。防孤島效應的關鍵是對電網(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

6、委員會規(guī)定的非接地 (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 由于日照強度和環(huán)境溫度都會影響光伏陣列的功率輸出，因此必須通過逆變器的調節(jié)使光伏陣列輸出電壓趨近于最大功率點輸出電壓，以保證光伏陣列在最大功率點運行而獲得最大能源。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：

7、具有合理的電路結構，嚴格篩選的元器件；具備輸入直流極性反接、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范圍。由于光伏陣列的端電壓隨負載和日照強度而變化，因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內正常工作，且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。盡量減少中間環(huán)節(jié) ( 如蓄電池等 ) 的使用，以節(jié)約成本、提高效率。 2 逆變器結構的發(fā)展為了能夠設計出盡量滿足上述各項要求的并網(wǎng)逆變器，大多數(shù)研究人員一直集中于逆變器拓撲結構和控制方法 2 方面的研究。它采用單級無變壓器、電壓型全橋逆變結構。其特點是結構簡單、造價低、魯棒性強；但受限于當時開關器件水平，使系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)只有 0 6 0 7

8、， 且輸出電流諧波大 引。隨著電子開關器件的發(fā)展， 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電子器件，能夠很好地控制輸出諧波；但 16 kHz 2O kHz 開關頻率使得開關損耗增大，效率降低。單級逆變系統(tǒng)直接將直流轉換為交流，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；結構不夠靈活，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，以得到標準交流電壓與頻

9、率，同時可使得輸 入輸出之間電氣隔離。為帶工頻變壓器結構的光伏逆變系統(tǒng)。其最大優(yōu)點是逆變器在低壓側，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實現(xiàn)，使得控制更易實現(xiàn)。此結構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，隨著電力電子技術和微電子技術的進一步發(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 。多轉換級

10、帶高頻變壓器的逆變結構相比帶工頻變壓器的逆變結構，功率密度大大提高，逆變器空載損耗也相應降低，從而效率得到提高，但也導致了逆變器的電路結構復雜，可靠性降低。光伏逆變器由單級到多級的發(fā)展，使電能轉換級數(shù)增加，能夠便于滿足最大功率點跟蹤和直流電壓輸入范圍的要求；但是單級逆變器結構緊湊，元器件少，損耗更低，逆變器轉換效率更高，更易控制。因此，在結合兩者優(yōu)點的前提下，盡可能提高直流輸入電壓，就能提高逆變器的轉換效率。早期采用了集中式技術提高輸入電壓，如圖 4(a) 所示。將光伏模塊串并聯(lián)連接，產生直流高電壓和電流，以增加轉換效率。該結構方式不夠靈活，會產生許多電能 質量問題?，F(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器大多

11、采用串級型，其結構如圖 4(b) 所示。把光伏模塊串聯(lián)輸入，同時盡量采用模塊化設計，減少中間環(huán)節(jié)，導致如圖 4(c) 所示結構。該設計更靈活，適應性更強，可即插即用。圖 4(d) 所示為多串級逆變器結構，它融合了 串級的設計靈活、高能量輸出與集中型低成本的優(yōu) 點，是今后光伏并網(wǎng)逆變結構的一種發(fā)展趨勢 。最近，一些新型的逆變器拓撲結構和連接概念 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：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相( 功率因數(shù)

12、為1) ，而且其輸出還應滿足電網(wǎng)的電能質量要求。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。但當溫度變化較大時， CVT 方式下的光 伏陣列工作點將偏離最大

13、功率點 r1 。MPPT 是當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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸 出 r1 。它是一種自主尋優(yōu)方式，動態(tài)性能較好， 但穩(wěn)定性不如 CVT 。其常用方法有“上山”法、干擾觀察法、電導增量法等，具體實現(xiàn)見文獻?，F(xiàn)在對 MPPT 的研究集中在簡單、高穩(wěn)定性的 控制算法實現(xiàn)上，如最優(yōu)梯度法 r1 、模糊邏輯控制法等、神經(jīng)元網(wǎng)絡控制法一 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，直接關系到系統(tǒng)的輸出電能質量和運行效率。由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于 PWM 逆變實

14、現(xiàn)的，所 以其控制屬于逆變器 PWM 電流控制方式 r1 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 r1 引。    所示的瞬時比較方式，電流誤差的補償和 PWM 信號的產生同時在同一控制單元完成，并且 構成了閉環(huán)反饋，使得控制器實現(xiàn)簡單，具有良好的 動態(tài)響應和內在的電流保護功能。但是它具有控制 延時、開關頻率不固定、無法產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。為避免器件開關頻率過高，可采用滯環(huán)寬度根據(jù)輸出電流 而自動調節(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 l2 引。三角波比較方式的原理

15、，放大器 A 常采用比例或比例積分放大器。與瞬時值比較方式相比，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 ) ，器件的開關頻率固定 ( 等于三角波的頻率 ) ；但該方法硬件較為復雜，跟隨 誤差較大，放大器的增益有限，電流響應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。它是將目標誤差在下一個控制周期內消除，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差效果。此方法計算量較大，但其開關頻率固定、動態(tài)響應快，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，尤其是數(shù)字信號處理器的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論中許多先進算法也被應用到光伏逆變系統(tǒng)的控制中，

16、如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、自適應、滑模變結構、模糊控制等，它們在各自領域解決了某些控制問題，但同樣具有各種相應的局限性。例如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制的精度依賴于模型訓練樣本；自適應控制要求在線辨識對象模型，算法復雜、計算量大；滑模變結構控制存在系統(tǒng)抖振問題；模糊控制依賴于隸屬函數(shù)的選取，控制精度有待提高等。三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，較多地采用將交流變量轉換為直流變量，將三相變換為兩相的控制策略，并提出在 d-q 同步參考坐標系下基于空間矢量 PWM(SVPWM) 的線性電流控制器 z 。 SVPwM 控制在解耦的 d 軸和 q 軸形成電流控制環(huán)，具有固定的開關頻率，很好地輸出諧波頻譜，優(yōu)化了開關控制方案和直流電壓利用率

17、。但它輸出的電流質量一般，并且不具備內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 33- 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)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)電能質量的提高具有重大意義。3 3 逆變器對于孤島效應的檢測及控制逆變器直接并網(wǎng)時，除了應具有基本的保護功能外，還應具備防孤島效應的特殊功能。從用電安全與電能質量考慮，孤島效應是不允許出現(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進行檢測

18、控制的研究。孤島效應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電力逆變器定時 產生干擾信號，以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù) 9 ，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)逆變器中都有所應用，但也存在著各自的不足。當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，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

19、 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。為了解決這個問題，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)進一步的廣泛應用，當多個逆變器同時并網(wǎng)時，不同逆變器輸出的變化非 常大，從而導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)同控制已成為其孤島效應檢測與控制的研究趨勢 引。4 結語無論是從社會經(jīng)濟發(fā)展，還是從環(huán)境的角度來 考慮，光伏發(fā)電技術的研究均具有重大現(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)逆變器的拓撲結構與控制方法 2 方面對其研究現(xiàn)狀、待解決的技術問題進