【文章內(nèi)容簡介】 輔助電路主要是將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。輔助電路還包含多種檢測、顯示電路。逆變器的顯示功能主要包括：直流輸入電壓和電流的測量值，交流輸出電壓和電流的測量值，逆變器的工作狀態(tài)(運行、故障、停機(jī)等)。(6)保護(hù)電路逆變器的保護(hù)電路主要包括輸入過壓、欠壓保護(hù)，輸出過壓、欠壓保護(hù)，過載保護(hù)，過流和短路保護(hù)，接反保護(hù)，過熱保護(hù)等。 光伏并網(wǎng)逆變器的標(biāo)準(zhǔn)目前有5點評價光伏并網(wǎng)逆變器的標(biāo)準(zhǔn)。（1）結(jié)構(gòu)柔性具體來說，當(dāng)光伏電站的拓?fù)浠騼?nèi)部一些光伏極板的特性略微變換時，要能夠基本保持之前的正常功率輸出；并且輸出特性要與組件的材料、特性無關(guān)。（2）運行管理即結(jié)構(gòu)及工作時的可靠性、可修復(fù)性、錯誤可查性以及能夠連續(xù)正常工作的持續(xù)性。（3）陰影條件下的表現(xiàn)在陰影遮擋時，要能夠防止發(fā)生危害，并保證最大功率輸出。（4）投資功率在轉(zhuǎn)換處的損耗要低，并且整個拓?fù)湎到y(tǒng)壽命要長。（5）附屬電網(wǎng)由于光伏電站的建設(shè)需要電網(wǎng)傳輸出去，所以對電網(wǎng)的附屬及協(xié)從也是必須考慮的因素。 光伏逆變器分類按控制方式分類，光伏并網(wǎng)逆變器可分為電壓源電流控制、電壓源電壓控制、電流源電流控制和電流源電壓控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側(cè)需要串聯(lián)一個大電感提供更為穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，所以目前世界上大多數(shù)均采用以電壓源輸入為主的方式。根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)，光伏并網(wǎng)逆變器可分為：電流型逆變器和電壓型逆變器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖22所示。按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，光伏并網(wǎng)逆變器可分為：推挽逆變器、半橋逆變器和全橋逆變器。推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23（a）所示。它結(jié)構(gòu)簡單，可以共同驅(qū)動兩個功率管，但功率管承受開關(guān)電壓為2倍的直流電壓，因此比較適合用于直流母線電壓較低的場合。單相半橋逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23（b）所示，其結(jié)構(gòu)簡單，但直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。單相全橋式逆變器目前被廣泛的應(yīng)用，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23（c）所示。該電路結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但要求較高的直流側(cè)電壓[1]。 （a) 電流型逆變器拓?fù)鋱D （b) 電壓型逆變器拓?fù)鋱D圖22 按輸入直流電源性質(zhì)分類的并網(wǎng)逆變器拓?fù)鋱D （a）推挽式逆變器電路拓?fù)鋱D （b) 單相半橋逆變器電路拓?fù)鋱D（c）單相全橋逆變器電路拓?fù)鋱D圖 23 按主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類的并網(wǎng)逆變器原理圖上述幾種電路都是逆變器的最基本電路，在實際應(yīng)用中，除了小功率光伏逆變器主電路采用這種單級的(dcac)轉(zhuǎn)換電路外，中、大功率逆變器主電路都采用兩級(dcdcac)或三級(dcacdcac)的電路結(jié)構(gòu)形式。一般來說，中、小功率光伏系統(tǒng)的太陽能電池組件或方陣輸出的直流電壓都不太高，而且功率開關(guān)管的額定耐壓值也都比較低，因此逆變電壓也比較低，要得到220v或者380v的交流電，無論是推挽式還是全橋式的逆變電路，其輸出都必須加工頻升壓變壓器，由于工頻變壓器體積大、效率低、笨重，因此只能在小功率場合應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型光伏逆變器電路都采用高頻開關(guān)技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)高功率密度的多級逆變。這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽逆變電路結(jié)構(gòu)，但工作頻率都在20khz以上，升壓變壓器采用高頻磁性材料做鐵芯，因而體積小、重量輕。低電壓直流電經(jīng)過高頻逆變后變成了高頻高壓交流電，又經(jīng)過高頻整流濾波電路后得到高壓直流電(一般均在300v以上)，再通過工頻逆變電路實現(xiàn)逆變得到220v或者380v的交流電，整個系統(tǒng)的逆變效率可達(dá)到90％以上，目前大多數(shù)正弦波光伏逆變器都是采用這種三級電路結(jié)構(gòu)。其具體工作過程是：首先將太陽能電池方陣輸出的直流電(如24v、48v、110v、220v等)通過高頻逆變電路逆變?yōu)椴ㄐ螢榉讲ǖ慕涣麟?，逆變頻率一般在幾千赫茲到幾十千赫茲，再通過高頻升壓變壓器整流濾波后變?yōu)楦邏褐绷麟?，然后?jīng)過第三級dcac逆變?yōu)樗枰?20v或380v工頻交流電。逆變器按照輸出電壓波形的不同，可分為方波逆變器、階梯波逆變器和正弦波逆變器。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，方波和階梯波逆變器一般都用在小功率場合。下面就分別對這3種不同輸出波形逆變器的優(yōu)缺點進(jìn)行介紹。（1）方波逆變器 方波逆變器輸出的波形是方波，也叫矩形波。盡管方波逆變器所使用的電路不盡相同，但共同的優(yōu)點是線路簡單(使用的功率開關(guān)管數(shù)量最少)、價格便宜、維修方便，其設(shè)計功率一般在數(shù)百瓦到幾千瓦之間。缺點是調(diào)壓范圍窄、噪聲較大，方波電壓中含有大量高次諧波，帶感性負(fù)載如電動機(jī)等用電器時將產(chǎn)生附加損耗，因此效率低，電磁干擾大。（2）階梯波逆變器階梯波逆變器也叫修正波逆變器，階梯波比方波波形有明顯改善，波形類似于正弦波，波形中的高次諧波含量少，故可以帶包括感性負(fù)載在內(nèi)的各種負(fù)載。當(dāng)采用無變壓器輸出時，整機(jī)效率高。缺點是線路較為復(fù)雜。為把方波修正成階梯波，需要多個不同的復(fù)雜電路，產(chǎn)生多種波形疊加修正而成，這些電路使用的功率開關(guān)管也較多，電磁干擾嚴(yán)重。階梯波形逆變器不能應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電的場合。（3）正弦波逆變器正弦波逆變器輸出的波形與交流市電的波形相同，適合于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。這種逆變器的優(yōu)點是輸出波形好、失真度低。干擾小、噪聲低，保護(hù)功能齊全，整機(jī)性能好，技術(shù)含量高。缺點是線路復(fù)雜、維修困難、價格較貴。 并網(wǎng)逆變器的工作原理并網(wǎng)逆變器的工作原理是通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能的。單相逆變器的基本電路有推挽式、半橋式和全橋式三種，雖然電路結(jié)構(gòu)不同，但工作原理類似。電路中都使用具有開關(guān)特性的半導(dǎo)體功率器件，由控制電路周期性地對功率器件發(fā)出開、關(guān)脈沖控制信號，控制各個功率器件輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，再經(jīng)過變壓器耦合升壓或降壓后，整形濾波輸出符合要求的交流電。并網(wǎng)逆變器的直流電源是由太陽能電池轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同壓同頻同相位的交流電，然后再并入電網(wǎng)的。因為三相并網(wǎng)逆變器負(fù)載為電網(wǎng)，故可以把它視為一個三相平衡系統(tǒng)，可以運用單相電網(wǎng)連接來描述其基本原理。 圖 24 逆變器運行等效原理圖 圖 25 逆變器運行電路矢量圖如圖24所示，Ui為逆變器輸出電壓，Ug為電網(wǎng)電壓，R為電阻，L為電感，Iz為逆變器饋入電網(wǎng)電流。為了使輸出得功率因素能為1，需令I(lǐng)z的相位與電網(wǎng)電壓的相位保持一致。圖25為電路矢量圖，電阻R兩端的電壓UR與Ug保持一致，而電感電壓UL的相位則是落后電網(wǎng)電壓Ug的相位的，為90度。因此可以得出相位和幅值為： （21）式 21中ω為電網(wǎng)的角頻率。因為電阻R在實際回路中測量測量起來是比較困難，故需要通過反饋控制來實現(xiàn)對輸出電流的相位控制，反饋信號的參考相位（即電網(wǎng)電壓相位）需通過鎖相環(huán)系統(tǒng)來獲取，這樣可以通過檢測傳感器來獲得電網(wǎng)電壓Uz和輸出電流Iz的變化情況[2]。 逆變器輸出電流的控制方式 滯環(huán)電流瞬時比較方式圖26是滯環(huán)比較器的瞬時比較方式原理圖。此電路將參考電流i*和實際并網(wǎng)電流i進(jìn)行比較，兩者的偏差△i輸入滯環(huán)比較器，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，然后該PWM信號通過驅(qū)動電路來控制功率器件的通斷，從而達(dá)到改變和控制并網(wǎng)電流i的效果。圖26 滯環(huán)比較器的瞬時比較方式原理圖此電路的控制系統(tǒng)是相對簡單的、容易實現(xiàn)的和電流響應(yīng)速度更快的。跟蹤電流的性能，主要取決于滯環(huán)的寬度，當(dāng)滯環(huán)的寬度較大時，對開關(guān)器件的要求會比較低，但跟蹤誤差大，輸出電流的諧波包括環(huán)的寬度小，跟蹤誤差小，應(yīng)適當(dāng)增加器件的開關(guān)頻率。此電流滯環(huán)控制，開關(guān)頻率因為是不固定的，會有電流尖峰的出現(xiàn)，在設(shè)計驅(qū)動保護(hù)電路和主電路時將是非常困難的。此外，在設(shè)計適當(dāng)?shù)倪^濾器時也會非常困難。 定時電流瞬時比較方式圖27是定時控制的電流瞬時值比較方式原理圖。此電路利用比較器定時控制，每個時鐘周期對電流誤差判斷一次，當(dāng)PWM信號變化一次時，需要至少一個時鐘周期，器件的開關(guān)頻率不超過一半的最高時鐘頻率，從而避免開關(guān)頻率過高的情況發(fā)生。該比較方式有電流控制誤差的缺點，具有固定環(huán)的寬度，控制精度相對較低。在參考電流變化快的地方，跟蹤效果不好。當(dāng)載波頻率低時，電流毛刺會很大。圖27 定時控制的電流瞬時值比較方式原理圖 SPWM電流跟蹤方式在這種控制方式下，電流誤差放大器后，與三角波進(jìn)行比較，以輸出PWM信號，放大器多采用比例或比例積分放大器。該方式比較復(fù)雜，包含載波頻帶的諧波輸出。功率器件開關(guān)頻率固定，相對于比較模式的瞬時值的電流響應(yīng)速度較慢。SPWM 控制方式原理圖如圖28所示。圖 28 SPWM 控制方式原理圖這種方法將閉環(huán)控制應(yīng)用于并網(wǎng)電流控制中，不僅提高了系統(tǒng)電流的動態(tài)和靜態(tài)性能，也提高了系統(tǒng)的魯棒性，此外，還使系統(tǒng)參數(shù)的變化對網(wǎng)側(cè)電流的控制影響降低了，輸出電流中所含諧波也減少了[3]。第三章 10kW光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計光伏逆變器的設(shè)計包括主電路參數(shù)設(shè)計和控制電路設(shè)計。主電路的設(shè)計主要指元器件的選擇，包括電感、電容和功率開關(guān)等的選擇?？刂齐娐吩O(shè)計主要包括信號采樣電路、驅(qū)動電路和系統(tǒng)保護(hù)電路等。 光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)及原理圖本文的光伏并網(wǎng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。圖31 光伏并網(wǎng)逆變器整體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖本文設(shè)計的三相光伏并網(wǎng)逆變器有兩種結(jié)構(gòu)，即DCDC升壓電路和DCAC的逆變電路，系統(tǒng)的拓?fù)湓韴D如圖32所示。前級DCDC升壓電路是BOOST升壓斬波電路，把光伏陣列輸出的直流電升壓，并通過最大功率點跟蹤使得光伏陣列輸出功率保持最大，后級DCAC的逆變電路是三相全橋逆變電路，將升壓后的直流電逆變成交流電，并使得逆變器中輸出的電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相。圖32 三相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)湓韴D 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)性能指標(biāo)本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器具體指標(biāo)如下：（1）電網(wǎng)中的線電壓：380V（2）輸出額定功率：10kW（3）開關(guān)的頻率為：15kHz（4）輸出額定頻率：50Hz（5）總電流波形畸變率(THD)：THD5％[4] 并網(wǎng)逆變器主電路參數(shù)設(shè)計 前級 DCDC 升壓電路參數(shù)設(shè)計前級 DCDC 升壓電路是由光伏陣列、電感、功率開關(guān)管、二極管以及電容構(gòu)成。功率開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，光伏陣列將會向電感充電；功率開關(guān)管處于中斷狀態(tài)時，光伏陣列將會同電感一起向電容充電。通過儲能電感使電壓的泵升以及電容保持輸出電壓不變，以達(dá)到實現(xiàn)升壓的目的。各個元器件的參數(shù)選擇如下。（1）電感的選擇電感在工作狀態(tài)中需要不斷的消耗能量，并且電感值的大小和其所消耗的能量有關(guān)，越大的電感值，能量消耗越大。在理論上電感值應(yīng)盡可能的小，這樣可以最大程度上減小電感上的能量損耗，但是如果電感值太小，將不能滿足整個光伏系統(tǒng)的正常工作，因此在對電感選取時應(yīng)根據(jù)實際情況。同時流過電感電流有連續(xù)工作和不連續(xù)工作兩種狀態(tài)。由于在不連續(xù)工作狀態(tài)時，會在一定程度上造成光伏陣列電能的浪費，因而所選擇的電感應(yīng)該在電流連續(xù)狀態(tài)下工作。流過電感中的電流用iL表示，其紋波電流用△i 表示。那么當(dāng)電感工作在電流連續(xù)狀態(tài)時，其紋波電流是電感中電流的2倍，用公式表示為： (31)由電感上電壓與電流的關(guān)系，可以得到 (32)