基于导抗变换器的光伏并网逆变器设计

卢春华，范秋凤（安阳工学院 电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000）

基于导抗变换器的光伏并网逆变器设计

卢春华，范秋凤
（安阳工学院 电子信息与电气工程学院，河南 安阳 455000）

在太阳能光伏并网发电系统当中，于光伏并网逆变器是其中最关键的组成部分，一般情况下，其又包括了电流型与电压型两种。本文就针对于电压型光伏并网逆变技术当中所U存在的问题，来进行了相关的设计研究，并设计出一种三相电流型光伏并网逆变器。从本质上来说，本装置能够通过运用导抗变换器，来完成光伏系统电流型并网。这样一来，不仅能够有效的促进光伏发电效率的提升，同时，由于其装置体积相对来说更小，所以具有抗干扰能力强等优点。

逆变器；并网；导抗变换器；电流型

0　引言

在长期的社会发展过程中，全球都面临着越来越重的环境与能源危机。在这样的社会背景下，可持续发展道路已经逐渐发展成为各个国家的共识，因此，我们必须要全面促进可再生能源的发展与进步。作为新能源发电的一种主要形式，分布式发电系统包括了风力发电、光伏发电以及风光互补发电等各种。而作为一种重要的清洁型能源，太阳能自身具有明显的储量大、无污染特点，并因此而受到了人们的广泛关注，使得太阳能并网发电技术也引起了越来越多的关注。作为太阳能发电系统当中的核心组成部分，太阳能并网逆变器最主要的作用，就是对太阳能进行有效的转换，并以此来将直流电转换成交流电，独立的为局域网供电或者与交流电网连接，实现并网。本文主要研究光伏并网，也就是光伏逆变器的输出交流电能送到电网上去。为了获得良好的并网性能和较高的功率因数，光伏逆变器的研究重点就在两方面：1.DC-AC变流；2.并网电能同步锁相。本文就这两方面内容做详细研究设计。

1　逆变器的结构分析

一般情况下，并网逆变器主要包括了电流型与电压型这两种类型。其中，就针对于传统的电压型逆变器来说，无论是其储能元件的储能效率，还是价格与体积等，都比电流型的逆变器存在优势，与此同时，其自身还有着更加显著的双向并网逆变功能。但是其为了能够有效的减少馈入电流所产生的电力谐波，就需要进一步实现对并网电流的反馈控制，这样一来，将会导致并网电流受到严重的电网影响作用，并且其控制算法也相对来说比较复杂。但是，就针对于传统的电流型逆变器来说，其所运用的，主要是一个大的直流电抗器，并以此来实现电流型并网，从本质上来讲，其虽然不需要进行反馈控制，但是将会使得系统的体积增大，这样一来，就难以实现装置的小型化与成本的降低。此外，为了能够更好的抑制谐波，其将会进一步加大电路的复杂性和系统成本，且抑制效果并不理想。有鉴于传统光伏并网逆变器的结构缺点，本文就提出了一种电流型并网逆变器，该逆变器主要是运用导抗变换器来实现的，能够更加辩解的实现电压源与电流源之间的转换。

1.1导抗变换器结构原理

从本质上来说，导抗变换器其实指的就是导纳—阻抗变换器的一个简称，其不仅可以进行导纳—阻抗的变换，同时，也能实现电压源和电流源的合理变换。通常情况下，导抗变换器在弱电领域当中的运用，主要是使用霍尔元件、运算放大器等。常见的导抗变换器主要包括下面四种结构，如图1所示。

图1　四种导抗变换器的结构组成图

在上图中，LCLC型结构可以被当做是LCL型的改型，同时，CLCL型也可以被当做是CLC型的改型。经过分析，发现LCL型与CLC型在输出电流特性、效率特性均基本相似。一般LCL型的运用范围相对来说更加广泛。由于在CLC型结构当中，其只运用了一个电感，所以，该电感内阻对于电路计算所产生的影响也就相对来说比较小。而CLCL型与LCLC型自身的结构相对来说更加复杂，导致其自身的哥哥元件本身对于输入输出的特性的敏感度更高，但是其效率特性反而没有改进，因此不建议使用。本文采用LCL型导抗变换器，如图1（a）所示。其中，，其四端子表达式如下：

从式（3）中我们可以看出，就针对于导抗变换器的输出电流i2与输入电压u1而言，两者之间所存在的是正比例关系，也就是说，电流i2并不会受到负载的影响作用，其只和电压u1之间存在关系。

1.2并网逆变器拓扑结构设计

图2　三相电流型逆变器主电路拓扑结构图

从图2中我们可以看出，并网逆变器的主电路前端是由VT1～VT2所组成的高频逆变桥，该逆变桥的主要作用，就是对光伏电池所输出的直流电压进行适当的调制，并使之形成高频脉宽电压之后，再将其输入到导抗变换器当中，以此来完成电压源到电流源之间的合理转换。然后再在此基础上，来通过运用高频变压器TR，进行其和电流等级之间的合理变换，完成这些之后，再经过周波变换器来完成裂相调制，过滤掉高次谐波，完成并网工作。

下面，我们将对该电路的实际工作原理进行分析：

（1）若光伏电池的输出电压是Ed，那么可以得出：UA=Ed。

（2）在经过高频逆变桥PWM脉宽来对Ed电压进行调制之后，选择PWM脉宽电压波形来对其进行同步调制，因此左右应当对称，脉冲宽度为Dπ（D为占空比），如图3所示。

图3　高频逆变桥PWM脉宽调制波形

图中高频逆变器的输出电压为

ωs——逆变器开关调制频率，即导抗变换器谐振频率。将图3所示波形展开成傅里叶级数，有

（3）从本质上来讲，导抗变换器其实就是一种比较特殊的带通滤波器，其在实际的运行过程中，通常只能够允许谐振频率附近的信号通过。通过式（3）的计算我们可以得出，导抗变换器能够将输入的电压源进行有效的变换，并最终使之转变成电流源输出，与此同时，该电流通常为电压的倍，因此，我们可以得C点电流为

（4）假设变压器变比为1︰n，经变压器升压之后，D点电流下降1/n，即：

在经过周波变换器的裂相调制之后，我们能够得出三相的输出电流，即：

从式（8）当中我们可以得出，在完成了上面的各项控制之后，最终输出的可以是任意频率的三相正弦电流，这也就从根本上完成了电压源到电流源之间的有效变换。

2　控制方法分析

2.1同步锁相策略

从本质上来说，如果我们想要实现太阳能光伏并网逆变系统的并网，就必须要保证逆变器的输出电流和电网电压之间做到同频同相。在这样的情况下，在并网逆变器当中，实际的输出电流Iout其实就是其最主要的目标控制量。图4为等效电路和电压电流矢量图，其中，Uout所代表的是并网逆变器的输出电压，Unet所代表的为电网电压，而Iout则代表了并网逆变器的输出电流。

图4　等效电路和电压电流矢量图

从图4中我们可以看出，我们要想实现并网逆变器的输出，就必须要经过低通滤波器滤波，因此，在实际的设计过程中，为了能够确保输出电流和电网电压的同频同相，就必须要让电网电压比输出电压滞后。

2.2双环控制策略

文本所运用的主要是直接电流双环控制的方法，来完成上述目标。其拓扑结构如图5所示。通过对比分析我们可以看出，该方法与其他直接电流控制大致相同。为了能够更好的控制直流电压的稳定性，其外环的控制变量主要运用直流母线电压UC2。通过运用增量式PID，来对其进行相应的计算，并得出实际所存在的偏差之后，再运用PI调节器来对其加以处理，以此来形成一个正弦脉宽调制信号，最终实现并网。通过电流环控制并网变流器自流侧和电网之间所存在的电能变换，这样一来，变流器系统的抗干扰能力和动态响应，主要就是取决于电流内环的性能。

图5　双闭环控制系统结构图

3　结论

综上所述，本文主要是把光伏并网逆变系统和导抗变换器有效的结合起来，并通过运用导抗变换器，来完成三相电流型光伏并网。相比于电压型并网，具有体积小，抗干扰能力强，系统稳定性好等特征；若与传统的电流型逆变器相比而言，通过合理的运用导抗变换器，来将光伏电池的电压流加以转换使之变成电流源，不仅能够省去直流电抗器，还可以降低电抗器的体积，这样一来，就可以在成本的降低的同时，来完成并网需要。

［1］李鹏飞.电力电子技术与应用.北京：清华大学出版社.2012.01

［2］陈春根，黄跃杰等.四种导抗变换器的特性比较.电气传动自动化，2004.26（6）

［3］秦硕等.光伏发电并网逆变器设计.太原科技大学学报，2015年2月

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.250