浅谈光伏发电系统中并网逆变器的设计及系统的工作原理



浅谈光伏发电系统中并网逆变器的设计及系统的工作原理

王新堂

（山东丽村热电有限公司，山东淄博，256300)

1　光伏并网发电系统的组成

典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、电力电子变换器、储能装置、负载等组成，其构成如1-1图所示。

图1-1 太阳能光伏发电系统组成

图2-1　电流型、电压型并网逆变器结构图

2　并网逆变器的选择

2.1并网逆变器结构的选择

光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器， 直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器，结构如图2-1所示。

2.2并网逆变器回路方式的选择

逆变器的主电路结构按照输出的绝缘形式分为：工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式、无变压器方式3种。

1)工频变压器绝缘方式采用一级DC/AC主电路，在输出端接工频变压器并网。这种方式既可与电网隔离，同时又可以将逆变器输出波形中的直流分量滤去，从而减少对电网的污染，并且具有良好的抗雷击和消除尖波的性能，电路简单。缺点是工频变压器体积大，重量重，效率较低。这种方式的逆变器主要用于独立型光伏发电系统。

2)高频变压器绝缘方式是通过两级变换实现并网逆变。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器升压后整流，最后通过逆变器并网。这种方式的优点是高频变压器体积小，重量轻，大大减小了逆变器的体积和重量。缺点是经过了两级结构，效率比较低，且电路和控制方式复杂。由于高频电磁干扰严重，需要采用滤波和屏蔽等抑制措施。

3)无变压器方式是只采用一级DC/AC变换直接并网。这种方式对逆变器输出波形要求较高，直流电压范围比较小，但是逆变器整机的效率却比较高， 并进一步降低了成本。

2.3并网逆变器控制策略的选择

1)电流滞环瞬时控制方式

电流滞环瞬时控制方式示意图如图2-1所示的双闭环结构，其外环是电压反馈控制环，内环是电流控制环。将电压PI调节器输出电流幅值指令乘以表示网压的单位正弦信号后，得到交流的电流指令，将它与实际检测到的电流信号进行比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆变器增大或减小输出电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着指令电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中。

图2-1　电流滞环瞬时控制方式示意图

图2-2　固定开关频率电流控制示意图

2)固定开关频率控制方式

固定开关频率控制方式在保留电流跟踪的动态性能好的基础上，克服了滞环控制的开关频率不固定的缺点，控制框图如图2-2所示。这种控制方法与电流滞环控制的区别在于从电流误差信号得到最终控制逆变器的PWM信号的方式不同。该控制技术的基本思想是：对给定参考电压和逆变器输出电压反馈误差信号经电压调节器后得到逆变器输出电流参考控制信号，然后根据电流参考信号和逆变器反馈电流的误差经过比例放大和三角波进行交截可得到正弦脉宽调制(SPWM)信号，控制功率器件的导通或关断。由此可知，该方法中逆变器开关器件的工作频率等于三角波载波频率，因此它的工作频率是固定的。由于载波频率固定，因此逆变器输出谐波是固定的，滤波器设计相对于电流滞环瞬时控制方式控制简单，控制效果较好。

3)改进型固定开关频率控制方式

改进型固定开关频率电流控制方式的控制框图如图2-3所示。此方法保留了原来控制策略的优点，同时电流的跟踪误差显著减小。通过调整电源电压的比例系数来减小直至消除电源电压对电流跟踪偏差的影响，从而显著改善了逆变器中电流跟踪控制的性能。

图2-3　改进型固定开关频率控制示意图

2.4系统的总体方案

经过方案的比较论证，本论文决定采用无变压器的两级结构，即前级的DC/DC变换器和后级的DC/AC逆变器，两部分通过DClink连接。系统的控制部分由以FPGA为核心的控制单元完成，另外系统设计了辅助电源为控制电路提供电源。光伏并网发电系统的结构图如图2-4所示。

图2-4　光伏并网发电系统的结构图

图2-6　系统主电路的拓扑结构图

图3-1　Boost电路原理图

由于Buck电路的输入工作在断续状态下，若不加入储能电容，光伏阵列的工作时断时续，不能工作在最佳工作状态，加入了储能电容后，Buck电路功率开关断开时光伏阵列对储能电容充电，使太阳能电池始终处于发电状态，此时调节Buck电路占空比才能有效跟踪最大功率点，因此储能电容对于利用Buck电路实现MPPT功能是必不可少的，然而在大负荷情况下，储能电容始终处于大电流充放电的状态，对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为电解电容，增大了MPPT装置的体积，使整个系统变得笨重。此外，后级DC/AC 电路为了能得到正常的输入工作电压，前级的输出电压不能太低，而光伏阵列的电压随着日照等因素变动较大，其输出电压低时若通过Buck电路降压，则逆变器无法工作，所以不采用Buck电路。

光伏并网发电系统主电路的拓扑结构图如图2-5所示。光伏阵列输出的额定直流电压为10-20v之间，通过DC/AC变换器转换为DClink的直流电。后级的DC/AC逆变器，采用逆变全桥，作用是将DClink直流电转换为220V/50Hz的正弦交流电，实现逆变向电网输送功率。DClink的作用除了连接DC/DC变换器和DC/AC逆变器，还实现了功率的传递。

3　光伏并网发电系统的工作原理

3.1前级电路的工作原理

1)电路原理图

Boost电路的原理图如图3-1所示。Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成。Boost电路的作用是将电压UPV升压到Udc。，其中UPV是光伏阵列的输出电压，Udc是Boost电路的输出电压。

2)工作过程

在每个斩波周期内，开关管Ql导通、关断各一次。开关管Q1导通时，等效电路如图3-2(a)所示，流过电感L的电流为，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感L中。此时，由于二极管阳极接在电源负极，二极管关断，电容C只能向电阻姓放电，提供电阻电流。当二极管关断时，其等效电路如图3-2(b)所示，由于流过电感的电流不能突变，电感L两端的电压极性改变，此时，电源和电感串联，向电容和电阻供电。简言之，开关管Q1导通时，二极管反偏，输出级隔离，由输入端向电感提供能量；开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感和输入端的能量。

根据上述分析，列出工作过程中的关系表达式如下：

3)工作原理

根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作态两种模式。由于电路在断续工作时，电感电流的不连续意味着光伏阵列输出的电能在每个周期

图3-2　Boos电路的工作过程

图3-3　单相全桥逆变器的拓扑结构

内都有一部分被浪费了，而且纹波也会大些。因此一般把Boost电路设计为连续导通的工作状态。

3.2后级电路的工作原理

1)电路原理图

光伏并网发电系统的逆变器采用单相全桥逆变器结构，其拓扑结构图如图3-3所示。

2)工作原鲤

如图3-3所示是单相全桥并网逆变器主电路结构图，其中US(t)是电网电压，Udc是输入的恒定的直流电压，US(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。LN为交流输出电感，Cdc为直流测支撑电容，即前级Boost 电路的输出电容，T1-T4是主开关管，D1-D4是其反并联二极管。对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节电流iN(t)为正弦波，并且与电网电压US(t)保持同相位。光伏并网发电系统要求在并网逆变器的输出侧实现功率因数为1，波形为正弦波，输出电流与网压同频同相，其控制策略与一般独立的电压型逆变器的控制策略有所不同，如图3-3中，每个开关器件上都反并联一个二极管，起着续流的作用。在其上产生一个电压jwLIN1，这样，变换器的输出电压US的基波US1和电网电UN之间将产生一个位移量，通过PWM控制开关器件使变换器的输出电压US满足上述的矢量关系，这样在理论上可以实现输出电流与电网电压同频同相。

本论文采用脉宽调制方式，通过控制开关器件T1-T4的导通和关断时间， 实现能量从并网逆变器向电网传递，达到输出功率因数为l的目的。

参考文献

[1] 王兆安，刘进军，电力电子技术[M]．北京，机械工业出版社，2009.

[2] 张晓霞，侯竞伟，殷攀攀等．太阳能发电系统现状及发展趋势[J]．机电产品开发与创新，2007，20(5)

摘要：我国早在20世纪50年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。我国的光伏产业发展经历了2个重要时期，第一个是在20世纪80年代中期，引进4条总计5MW的光伏电池生产线，光伏产业初步形成。第二个发展时期是在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW，极大的拉动了我国光伏市场的需求。国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义。

关键词：光伏；发电；并网；原理

The working principle and system design of grid connected inverter of photovoltaic power generation system.

Wang Xintang

（Shandong Licun thermoelectric Co. Ltd.Shandong Zibo，256300)

Abstract：China began the study of solar cells in early twentieth Century 50,in 1971 for the first time successfully applied to China's launch of Dongfanghong satellite two.China's photovoltaic industry development has experienced 2 important periods,the first was in twentieth Century 80 in the mid-1990s, the introduction of 4 a total of 5MW photovoltaic cell production line,the photovoltaic industry initially formed.Second stages of development in the new century, the national development and Reform Commission launched the "send electricity to the village" project in 2002,the capacity of the project for photovoltaic system 20MW,has greatly boosted China's photovoltaic market demand.The domestic photovoltaic system is mainly used for power grid, do not have the power quality control function.Therefore,the research of grid connected photovoltaic system of power quality regulating function has important significance.

Keywords：photovoltaic power generation;grid;principle