光伏逆變器并聯(lián)型注入變換技術(shù)的研究

光伏逆變器并聯(lián)型注入變換技術(shù)的研究

近年來，應(yīng)用于可支配能源和網(wǎng)絡(luò)變換技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，成為能源電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。并網(wǎng)變換器在太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源分布式能源系統(tǒng)中具有廣闊發(fā)展前景。太陽能、風(fēng)能發(fā)電的重要應(yīng)用模式是并網(wǎng)發(fā)電,并網(wǎng)逆變技術(shù)是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所用到的逆變器主要基于以下技術(shù)特點(diǎn):具有寬的直流輸入范圍;具有最大功率跟蹤(MPPT)功能;并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位、頻率與電網(wǎng)電壓同步,波形畸變小,滿足電網(wǎng)質(zhì)量要求;具有孤島檢測(cè)保護(hù)功能;逆變效率高達(dá)92%以上,可并機(jī)運(yùn)行。逆變器的主電路拓?fù)渲苯記Q定其整體性能。因此,開發(fā)出簡(jiǎn)潔、高效、高性價(jià)比的電路拓?fù)渲陵P(guān)重要。1大容量變壓器拓?fù)湓撛O(shè)計(jì)為大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),據(jù)文獻(xiàn)所述,一般選用工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu),如圖1所示。光伏陣列輸出的直流電由逆變器逆變?yōu)榻涣麟?經(jīng)過變壓器升壓和隔離后并入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是逆變器,而電力電子器件是逆變器的基礎(chǔ),雖然電力電子器件的工藝水平已經(jīng)得到很大的發(fā)展,但是要生產(chǎn)能夠滿足盡量高頻、高壓和低EMI的大功率逆變器時(shí)仍有很大困難。所以對(duì)大容量逆變器拓?fù)溥M(jìn)行研究是一種具有代表性的解決方案。作為太陽能光伏陣列和交流電網(wǎng)系統(tǒng)之間的能量變換器,其安全性,可靠性,逆變效率,制造成本等因素對(duì)于光伏逆變器的發(fā)展有著舉足輕重的作用,決定著光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資和收益。市場(chǎng)主流光伏變換器大都采用電壓源型變換器,因?yàn)楣夥姵氐碾娏髟摧敵鎏匦?所以為滿足光伏電池的直流端電壓可能大幅度變化的特性,都采用二級(jí)變換的技術(shù)方案,這導(dǎo)致變換效率的降低。大功率電流源變換技術(shù)因?yàn)閺?qiáng)迫斷流緩沖電容的高價(jià),低可靠性,使電流源型變換器的應(yīng)用受到限制。注入式電流源型變換器的直流側(cè)電流電壓全控特性,使光伏電池發(fā)出的直流電僅經(jīng)一級(jí)變換就可以完成,這一的特性使電流源型變換器有可能成為高效的光伏變換技術(shù)方案。1.1電流源并網(wǎng)+光伏串聯(lián)保護(hù)傳統(tǒng)的逆變器通常也稱為兩電平變換器,并網(wǎng)逆變器一般使用橋式電路,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。太陽能光電池具有電流源型特性,光伏陣列串聯(lián)大電感后相當(dāng)于電流源,以這種方式并接入電網(wǎng),稱為電流源并網(wǎng)。為改善并網(wǎng)電流,在交流側(cè)需要加濾波電容器,光伏電池要串聯(lián)電感才能接在相應(yīng)的直流母線上。由于大電感的存在,使直流回路電流不易變化,在逆變器開關(guān)動(dòng)作時(shí),如果不能保證逆變器輸入電流穩(wěn)定,則易產(chǎn)生很高的di/dt,影響逆變器的安全運(yùn)行。1.2電流源變換器的選擇將諧波注入的概念用在功率變換器已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。但是將諧波注入用于功率變換器中作為減少諧波含量的一種方法。多級(jí)注入電流幅度與工作條件相匹配,通過附加晶閘管觸發(fā)控制和利用紋波電壓實(shí)現(xiàn)自然換相,注入電流的頻率和相位與供給電源取得同步。建立在直流電流和注入電流的固定幅值關(guān)系上,各種工作條件下的最優(yōu)的諧波抑制得到保證,交流電流波形和直流電壓波形質(zhì)量進(jìn)一步提高。在文獻(xiàn)中,提出了一種新的直流電流注入的概念,并且發(fā)現(xiàn)了6倍基頻的注入電流用在12脈沖電流源變換器能夠起到完全抑制諧波的效果。其中非常規(guī)系統(tǒng)的研究方法來尋找注入電流波形的幅值,從而達(dá)到最小諧波畸變率的目的。并且經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析概括總結(jié)了這種思想,導(dǎo)出了能夠完全消除標(biāo)準(zhǔn)12脈波電流源變換器交流測(cè)輸出波形諧波的理想注入波形。12脈波電流源變換器,主電路的工作模式和普通三相全控橋式變換器相同,每個(gè)橋中的6個(gè)晶閘管間隔60°依序觸發(fā)導(dǎo)通,每個(gè)主橋開關(guān)導(dǎo)通120°。這樣,對(duì)兩個(gè)并聯(lián)的三相全控橋而言,每隔30°觸發(fā)一支橋臂上的開關(guān),任意時(shí)刻都有兩只開關(guān)導(dǎo)通。它不需要交流系統(tǒng)提供換相電壓,與交流系統(tǒng)同步連接可以作為整流器運(yùn)行也可作為逆變器運(yùn)行。當(dāng)有功功率從交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)輸送時(shí),該裝置工作在整流狀態(tài),當(dāng)有功功率從直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)輸送時(shí),此裝置工作在逆變狀態(tài)。多級(jí)注入式電流源型逆變器(MLCR-CSC)的直流電壓可正可負(fù),變換器需要采用具有對(duì)稱特性的開關(guān)器件,即具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力的器件。所以IGBT不可以直接用于MLCR-CSC,二極管與IGBT串聯(lián)可以滿足這種性能要求,但是器件串聯(lián)又會(huì)引起額外的功率損耗。由于MLCR-CSC的相對(duì)較低的開關(guān)頻率,晶閘管適用于大功率的MLCR-CSC。由于直流側(cè)電感的存在,使得直流電流單向流動(dòng),而直流電壓極性可能瞬時(shí)改變,所以多級(jí)注入式電流源變換器需要的開關(guān)器件應(yīng)具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力。2實(shí)驗(yàn)?zāi)M2.1光伏陣列仿真模型根據(jù)文獻(xiàn)原理光伏電池的等效電路見圖2。在此基礎(chǔ)上搭建輸出0～450V的直流電源在PSCAD中,模型如圖2所示。該仿真模型選取的是典型光伏參數(shù),組件選用型號(hào)為YL85(17)1010×660,主要參數(shù)為:輸出峰值功率85W、峰值電壓17.5V、峰值電流4.9A、開路電壓22V、短路電流5.3A。要求光伏陣列輸出5000W,可推算光伏組件連接方式為20串3并。由圖3的光伏陣列的仿真模型,得出I-U特性曲線和P-U特性曲線如4所示。通過計(jì)算得出的最大功率為5.1kW,與模型輸出的功率基本吻合,輸入量的其他參數(shù)也基本吻合,故可以在工程實(shí)踐中使用。2.2晶閘管雙向串聯(lián)注入電路在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖5)中主控橋采用由兩組并聯(lián)的三相全橋串聯(lián)組成一個(gè)12脈波電流源變換器。主橋由24個(gè)換流閥組成,每一個(gè)開關(guān)閥由一個(gè)晶閘管組成。其交流側(cè)通過變壓器串聯(lián)而成。變壓器分別采用Y/Y和Y/△連接,變比分別為Kn∶1和Kn∶3√Κn∶3。構(gòu)成與Y/△相連的6脈波變換器的觸發(fā)脈沖整體滯后于與Y/Y相連的6脈沖變換器30°,使得兩變換器的輸出在變壓器一次側(cè)各相電壓同相。圖中的注入電路是由晶閘管與二極管的串聯(lián)或反串聯(lián)構(gòu)成,與上橋所接的開關(guān)是晶閘管與二極管反串,下橋則相反,通過對(duì)晶閘管發(fā)出不同觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)逆變器的四象限運(yùn)行,同樣使上橋注入理想電流波形,使波形輸出理想。圖6下主橋注入電流波形上部與下部對(duì)應(yīng)三相橋輸出直流電流大小相等,相位差為15°,電感支路電流為疊加少量紋波的直流,各支路電流平均值為IDC/6。交流電壓、電流波形見圖7。多電平電流波形的正弦度較好,電壓波形有明顯的毛刺,這是由開關(guān)切換時(shí)電感能量轉(zhuǎn)移引起的,各開關(guān)器件引入阻容吸收回路后,可使電壓毛剌明顯減少。圖8中,CH1是A相電壓波形;CH2是B相電壓波形;CH3是C相電壓波形。結(jié)論是三相電壓正弦波形上疊加一些毛刺,與仿真相吻合。3復(fù)雜程度開關(guān)組合方案各注入支路電力電子開關(guān)最佳組合控制方案的確定。多個(gè)注入支路具有多種開關(guān)組合方案,