太陽能逆變器的研究

程秀玲+單水維

中圖分類號：TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）09-0261-01

在對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)之前，需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行基本的了解，本章將在對光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行簡要概述之后，對光伏并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計(jì)方案和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

一、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

常見的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中有無蓄電池，可以分為兩類：一種是不含蓄電池的“不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”；另一種是含有蓄電池的“可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”。可調(diào)度式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)以蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，在電網(wǎng)斷電的時(shí)候可以通過電壓逆變實(shí)現(xiàn)不間斷電源（UPS）的功能。而且蓄電池儲(chǔ)能還有助于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰，但是因?yàn)槠鋲勖獭⒃靸r(jià)昂貴、體積笨重等缺點(diǎn)，可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用較少。

不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它由太陽能光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和其他輔助裝置組成，省去了蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相連，在滿足自用負(fù)載的同時(shí)，可將多余的電力輸送到電網(wǎng)進(jìn)行銷售。太陽能光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它的作用將太陽光的能量直接轉(zhuǎn)變成電能，其質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)。

二、光伏并網(wǎng)逆變器的分類與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.光伏并網(wǎng)逆變器的分類

按控制方式分類，光伏并網(wǎng)逆變器可以分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入方式的逆變器，其直流側(cè)需串聯(lián)一個(gè)大電感以提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但這種方法會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差，目前大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式。逆變器與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的輸出控制模式可分為電壓源控制模式和電流源控制模式兩種。由于電網(wǎng)可看為一個(gè)容量無窮大的定值交流電壓源，如果并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓源控制模式，則實(shí)際上就是兩個(gè)電壓源并聯(lián)運(yùn)行。在這種情況下，如果要保證并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相技術(shù)保證逆變器的輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相。由于鎖相回路響應(yīng)慢、逆變器輸出電壓值難以精確控制和容易出現(xiàn)環(huán)流等原因，電壓源輸出的控制模式很少采用，取而代之的是電流源輸出的控制模式。本文所采用的控制方案是采用電壓源輸入—電流源輸出的控制模式，綜合電壓源輸入模式和電流源輸出模式兩者的優(yōu)點(diǎn)，輸出與電網(wǎng)同頻同相的高品質(zhì)電流，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。

2.光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用的的光伏并網(wǎng)逆變器回路方式主要有 3種：工頻變壓器絕緣方式、高頻絕緣變壓器和無變壓器方式。根據(jù)這 3種回路方式，可以將現(xiàn)在的光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為 3類，即工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高頻變壓器絕緣的多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無變壓器絕緣的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.工頻變壓器絕緣的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單級式逆變器是指在逆變環(huán)節(jié)中同時(shí)實(shí)現(xiàn) MPPT 的功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 所示。由于只有一個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，效率較高。但由于太陽能光伏電池發(fā)出的電壓比較低，而且中間沒有升壓環(huán)節(jié)，要依靠工頻變壓器升壓與電網(wǎng)進(jìn)行連接。采用工頻變壓器進(jìn)行絕緣和變壓，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，但是體積也較為笨重、造價(jià)較高。

三、高頻變壓器絕緣的多級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于單級式逆變器體積大、算法設(shè)計(jì)難度大的缺點(diǎn)，于是可以采用高頻變壓器代替工頻變壓器進(jìn)行絕緣和升壓。典型的高頻變壓器絕緣的多級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)全橋逆變器、高頻變壓器和整流電路構(gòu)成。太陽能光伏陣列輸出的電能經(jīng)逆變、升壓、整流、再逆變四個(gè)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)為交流電。高頻變壓器較工頻變壓器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、成本低，但該拓?fù)浣?jīng)過了多級變換，缺點(diǎn)是所需的元件較多，整體效率較低且電磁干擾嚴(yán)重，需要采取濾波和屏蔽等措施。

四、無變壓器絕緣的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩級電路組成，DC-DC 電路和 DC-AC 逆變電路。 是一種常用的無變壓器的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路構(gòu)成。Boost電路負(fù)責(zé)最大功率跟蹤控制并把太陽能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，確保逆變部分輸入電壓的穩(wěn)定和降低損耗。全橋逆變電路負(fù)責(zé)將直流電變?yōu)榻涣麟?，輸出與電網(wǎng)同頻同相的電流。由于沒有采用工頻變壓器或者高頻變壓器進(jìn)行隔離，這種拓?fù)渚哂畜w積小，成本低，效率高的的優(yōu)點(diǎn)，但是在某些要求隔離的場合不適宜使用。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩級電路組成，DC-DC 電路和 DC-AC 逆變電路。 是一種常用的無變壓器的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由前級的 Boost 電路和后級的全橋逆變電路構(gòu)成。Boost電路負(fù)責(zé)最大功率跟蹤控制并把太陽能光伏陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，確保逆變部分輸入電壓的穩(wěn)定和降低損耗。在 DC-DC 變換器中，Buck 和 Boost 電路的效率最高，而效率對于光伏并網(wǎng)逆變器是非常重要的，所以在光伏并網(wǎng)逆變器中，比較少采用 Buck-Boost 電路、Cuk 電路、半橋或全橋電路。Buck 屬于降壓電路，通常用在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤中，因?yàn)楠?dú)立系統(tǒng)的蓄電池充電電壓一般低于光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓。當(dāng) Buck 電路的開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，如果不在太陽能光伏陣列兩端加入大電容蓄能，光伏陣列無法連續(xù)的輸出電能，而這樣做將會(huì)提高系統(tǒng)的成本，所以在并網(wǎng)系統(tǒng)中 Boost 電路是實(shí)現(xiàn)最大功率功率跟蹤的理想選擇。再者 Boost 對光伏陣列的電壓穩(wěn)定好，并且電路中的二極管，可以當(dāng)做光伏陣列的防反沖二極管，防止電網(wǎng)側(cè)的能量倒灌給光伏陣列，省去一個(gè)防反二極管，提高整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的整體效率，節(jié)省成本。經(jīng)過上述方案的比較，設(shè)計(jì)的單相光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入—電流源輸出的控制方式，并采用無變壓器絕緣的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級為 DC-DC變換器，后級為 DC-AC逆變器，兩部分通過直流母線（DC-link）相連在一起。在本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能光伏陣列輸出的直流電壓在 100V 左右，通過 Boost 電路將其升為 350V，并實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能；后級的 DC/AC 逆變采用單相逆變橋，將直流母線的電壓轉(zhuǎn)換成正弦波電流，向電網(wǎng)輸送功率?？刂菩酒捎?Ti 公司的 TMS320LF2407A 芯片，其高速的計(jì)算能力可以保證實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，并向電網(wǎng)輸出高品質(zhì)電流。

參考文獻(xiàn)

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