【文章內(nèi)容簡介】 對光伏陣列輸出電壓要求較髙，電壓變化不 能太大，而且控制相對復(fù)雜，不易達到最優(yōu)控制。兩級光伏并網(wǎng)逆變器相較于單級逆 變器逆變級前多出一級 DCDC變換級，可將升壓與逆變分配在兩個獨立的環(huán)節(jié)進行， 前后級間耦合不緊密，系統(tǒng)控制相對簡單，且 DCDC環(huán)節(jié)可使逆變環(huán)節(jié)輸入相對穩(wěn) 定，有利于提高 逆變環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換效率，適用于小功率逆變電路中；多級光伏并網(wǎng)逆變器 則適用于小功率逆變電路中。 基于本篇論文旨在設(shè)計與制作家庭型小功率光伏并網(wǎng)逆變器，為降低生產(chǎn)成本、 減輕逆變器質(zhì)量，且考慮到家庭型小功率光伏并網(wǎng)逆變器運用場合光伏陣列輸出電壓 一般都較低，為獲得較好的并網(wǎng)電流和控制上簡單化，本文的光伏并網(wǎng)逆變器采用兩 級式非隔離型結(jié)構(gòu)。 本文旨在設(shè)計小功率戶用型單相光伏并網(wǎng)逆變器，結(jié)合前文分析與討論，故采用 非隔離型的兩級拓撲：前級采用 DCDC變換器，后級采用 DCAC逆變器，級與級 間通過 DCBus相連接，控制方式采用電壓源輸入電流源輸出控制。電路拓撲如圖 所示。 碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 7 在 DCDC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 器實際產(chǎn)品是非常重要的，故在實際產(chǎn)品中，很少采用 BuckBoost、Cuk等電路。在 實際系統(tǒng)中，光伏陣列輸出的額定電壓一般較小 (通常在 200V以下 )，而本文所設(shè)計 的光伏并網(wǎng)逆變器無隔離變壓器，故為實現(xiàn)直接并網(wǎng)，需將 DCDC變換器設(shè)計成升 壓變換器，以便將光伏陣列輸出電壓升至 350V。 Boost電路為升壓型電路，其結(jié)構(gòu)簡 單，控制較為方便，且驅(qū)動電路簡單，較為適合作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟 蹤控制電路。同時， Boost電路中的二極管可以作為光伏陣列的防范沖二極管，有效 防止電網(wǎng)側(cè)能量倒灌給光伏陣列從而省去一個防反沖二極管，提高系統(tǒng)發(fā)電效率，節(jié) 省成本 [14]。 本文所設(shè)計的單相光伏并網(wǎng)逆變器采用單相全橋逆變電路作為后級的DCAC逆 變電路，旨在將直流母線電壓逆變成 220V/50HZ交流電流，并網(wǎng)使用。前后級直接 通過 DCBus連接，同時 DCBus實現(xiàn)前后級的功率傳遞。整個系統(tǒng)中，控制芯片采用 TI公司的 TMS320F28335芯片，其優(yōu)越性能可確保完成最大功率跟蹤，輸送高品質(zhì) 同頻同相電流到電網(wǎng)中供用戶使用。 Boost電路的工作原理 Boost電路由電感 L，二極管 D)， 開關(guān)管 0，電容組成。 Boost電路可將光伏 陣列輸出直流電壓 Upv升壓到 Udc，其電路原理圖如圖 。 2單相光伏并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計及工作原理 碩士論文 8 Boost電路有連續(xù)與不連續(xù)兩種工作模式。當(dāng) Boost電路工作在不連續(xù)模式下時， 光伏陣列輸出電能將會有一部分被浪費，并且紋波也會比較大?？紤]到實際產(chǎn)品的效 率，在設(shè)計時應(yīng)選擇合適電路參數(shù)，使之工作在連續(xù)工作模式下。 圖 Boost電路在連續(xù)工作模式下的穩(wěn)態(tài)波形，其中 D為占空比。 碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 9 圖 Boost電路連續(xù)工作模式下穩(wěn)態(tài)波形 其工作過程為 ： 開關(guān)管 0導(dǎo)通，二極管乃反偏，輸出與輸入隔離，光伏陣列輸出 電壓 Upv向電感 L1供應(yīng)能量，輸出端由電容 Cdc維持，電容 Cdc處于放電狀態(tài)；開關(guān)管 Q關(guān)斷，二極管 D導(dǎo)通，輸出端輸出來自光伏陣列和電感的能量，電容處于充電狀態(tài) [15]。其工作過程如圖 。 2單相光伏并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計及工作原理 碩士論文 10 假定，理想情況下， Boost電路本身功率損耗為 0，由 Boost電路工作原理可知 : 在光伏并網(wǎng)逆變器控制中，直流母線電壓的控制和穩(wěn)定是在后級逆變環(huán)節(jié)實現(xiàn) 的，也就是說，對于 Boost電路而言，輸出電壓是保持不變，這樣結(jié)合式 ()，可以 知道，通過調(diào)節(jié)占空比 D可以改變 Boost電路的輸入電壓，也就是光伏陣列的輸出電 壓，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。 由前面的分析可知，后級采用電壓源輸入電流源輸出單相全橋逆變電路，其原理 圖如 。 圖 圖 ， Cdc為直流母線電容， Q1Q4為主功率開關(guān)管， L2為并網(wǎng)電感通過適 當(dāng)?shù)?SPWM波對 Q1Q4進行控制，使得流經(jīng)電感 L2的電流為正弦波。 逆變電路控制目標(biāo)是輸出與電網(wǎng)電壓 U保持同頻同相的輸出電流 ii2，這樣便可 使得系統(tǒng)輸出功率因數(shù)為 1，以達到將光伏陣列輸出能量最大化轉(zhuǎn)碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 11 換目的。為達到這 一目的，并網(wǎng)側(cè)的電感是關(guān)鍵所在，它可對并網(wǎng)電流起到濾波和抑制波動的作用；同 時濾波電感的存在會使并網(wǎng)電流在其上產(chǎn)生一個電壓降，這樣逆變橋交流側(cè)電壓 U0。 與電網(wǎng)電壓之間便會有一個相位差控制逆變橋交流側(cè)電壓滿足如圖 示，就可實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。 2單相光伏并網(wǎng)逆變器的總體設(shè)計及工作原理 碩士論文 16 (a)并網(wǎng)等效電路 (b)電壓電流矢量圖 在逆變環(huán)節(jié)，需要注意的是應(yīng)先使直流母線電容預(yù)先充電并使之接近電網(wǎng)電壓的 峰值，而想得到預(yù)期的電流，即電流波形和相位得到控制，需保證直流母線電壓始終 不低于電網(wǎng)電壓的峰值，否則，續(xù)流二極管會運行在傳統(tǒng)整流方式下，這會導(dǎo)致輸出 電流不完全可控。 由上文的分析可知，本文所設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器為電壓源電流源輸出型逆變 器。其輸出采用電流控制，通過控制輸出電流來跟蹤電網(wǎng)電壓，以達到并網(wǎng)目的。 圖 圖 ，為被控對象，逆變器并網(wǎng)工作時的 等效電路和電壓電流矢量圖，為逆變橋交流側(cè)電壓、其中為電網(wǎng)電壓、 ^為 流經(jīng)濾波電感的電流。由于濾波電感的存在使得逆變器交流側(cè)電壓超前于電網(wǎng)電壓， 兩者相位角差為 0，這樣即可滿足輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。 我國的電網(wǎng)電壓頻率為 50Hz， 有效值為 220V， 為了減少并網(wǎng)裝置接入電網(wǎng)時對 電網(wǎng)的沖擊，要求并網(wǎng)裝置并網(wǎng)時要滿足： (1) 并網(wǎng)裝置輸出交流電與電網(wǎng)電壓頻率接近，頻率偏差一般不允許超過 〇 .4Hz。 (2) 并網(wǎng)裝置輸出交流電流相位與電網(wǎng)電壓相位接近，相位偏差一般不允許超過 10%。 在滿足上述兩個條件時，還需滿足逆變橋交流側(cè)電壓高于電網(wǎng)電壓 10%，設(shè)占空 比為 D， 直流電壓為 U， 電網(wǎng)電壓為調(diào)制比為 m， 為實現(xiàn)并網(wǎng)裝置的成功并網(wǎng)， 前述四個變量之間須滿足式 (): 碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 17 () 逆變器的輸出采用電流源控制方式，其控制目標(biāo)是輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的正 弦電流；所以，獲取參考電流并使逆變器按照期望輸出參考值，成為關(guān)鍵。目前運用 較為廣泛的光伏并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤控制方式如下： PWM控制方式 定時比較 PWM控制方式是設(shè)定一個比較器，定時控制它在每個周期內(nèi)對電流誤 差判斷產(chǎn)生相應(yīng) PWM控制信號，改變主開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)對輸出電流的控制。定 時比較 PWM控制策略的工作原理決定了 PWM信號至少在一個時鐘周期后才會發(fā)生 一次改變 [16]。其原理如圖 ： 圖 PWM控制方式工作原理圖 此策略要求主開關(guān)器件開關(guān)頻率固定，且不超過時鐘頻率的一半，這樣可以避免 功率器件開關(guān)頻率過高情況發(fā)生，缺點是補償電流的跟蹤誤差是是可變化的 [17]。 該種控制方式通過比較期望電流與實際并網(wǎng)電流，將兩者間的誤差輸入到滯環(huán)比 較器中，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生 PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路放大后可用來控制主功 率電路開關(guān)器件的通斷，進而達到控制并網(wǎng)輸出電流的目的 [18_19]。其工作原理如圖 ： 3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)即反孤島策略研究 碩士論文 18 該方法有如下特點 [M]: (a) 電流響應(yīng)快，實時性高； (b) 硬件電路較為簡單，便于控制； (C)采用滯環(huán)控制，故無需引入載波，這樣便不會使得輸出電壓中含有特定頻率 的諧波分量； (d) 電流誤差范圍受滯環(huán)寬度制約，若滯環(huán)寬度固定，則其亦會固定，但是開關(guān) 管開關(guān)頻率不固定，使得濾波器設(shè)計增加難度，會引起諧波干擾。 SPWM控制方式 SPWM控制策略，即三角波比較的電流跟蹤控制方式，其原理如圖 所示。 它將電流誤差經(jīng) P或 PI調(diào)節(jié)后與三角波比較，輸出 SPWM信號 [21]。 該方法有如下特點 [22]: (a) 軟硬件實現(xiàn)相對復(fù)雜； (b) 輸出電流中含有特定頻率諧波； (c) 電流相應(yīng)相對于瞬時值比較方式較慢。 根據(jù)前文分析，本文采用 SPWM控制方法，圖 網(wǎng)逆變 器的控制框圖。 本文采用無隔離兩級拓撲結(jié)構(gòu)，前后級通過 DCBus相連，前后級間能量解耦， 故可分開設(shè)計。 前級 Boost變換器檢測光伏陣列輸出電壓與電流，通過 MPPT控制算法得 比較器 圖 SPWM控制方式工作原理圖 碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 19 出調(diào)節(jié) 光伏電池工作點的電壓指令 [/，然后將； 7與光伏陣列輸出電壓的采樣值 4想減， 并經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)以進行 Boost變換器的輸入電壓閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)光伏陣列的 MPPT 功能。 后級逆變環(huán)節(jié)在控制上采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)是 根據(jù)功率平衡的原理來實現(xiàn)直流母線的穩(wěn)壓控制，而電流內(nèi)環(huán)則主要實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流 跟蹤控制，以實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的單位功率因數(shù)控制。其控制策略整體設(shè)計框圖如圖 ： 圖 圖 ， Kpwm/（ Ts+1） 為逆變器傳遞函數(shù)，等效為一個高增益的慣性環(huán)節(jié)； 為電網(wǎng)電壓前饋系數(shù)，其值為逆變器傳遞函數(shù)的倒數(shù)； 1/(從 +及 )為濾波電感等 效傳遞函數(shù)； PLL為同步鎖相環(huán)。 為能夠?qū)崿F(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)電流輸出，即其輸出并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電 壓同頻同相，需要運用同步鎖相技術(shù) (PLL)保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。同時， 孤島檢測技術(shù)往往也是建立在同步鎖相技術(shù)上實現(xiàn)的。 光伏并網(wǎng)逆變器輸出端連接電網(wǎng)時，電網(wǎng)被視作擾動量，電網(wǎng)幅值以及頻率的波 動、諧波的存在會對系統(tǒng)控制產(chǎn)生影響；故需引入電網(wǎng)電壓前饋控制，以避免電網(wǎng)電 壓的波動對輸出并網(wǎng)電流產(chǎn)生的影響，這樣可大大減小參考電流，減小并網(wǎng)電流脈動， 同時也減小變壓器和電感等的噪聲。 本文側(cè)重于探討光伏并網(wǎng)逆變器的孤島檢測技術(shù)研究以及其運用，所以有必要對 孤島檢測并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)等效模型進行相關(guān)介紹。 為方便后文介紹，需要先介紹幾個概念： (1) 公共稱合點 (Point of Common Coupling, PCC):并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)時，與本 地負載、電網(wǎng)相連處，稱之為公共耦合點。 (2) 不可檢測區(qū) (NonDetection Zone, NDZ):針對孤島檢測問題，學(xué)術(shù)界有多種 反孤島策略，但是幾乎每一種反孤島策略都不能對所有情形都能 3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)孤島效應(yīng)即反孤島策略研究 碩士論文 20 產(chǎn)生效果，所謂不可 檢測區(qū)即是用來衡量和評估反孤島策略失效情形的。 (3) 負載品質(zhì)因數(shù) 0/(1:負載品質(zhì)因數(shù) 0/(1等于諧振時每周期最大儲能與所消耗能 量比值的 2。r倍，其表達式為： 式中，戶為負載消耗有功功率， /^為感性負載消耗的無功功率，為容性負載 消耗的無功功率。 隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)和市場發(fā)展，考慮到產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和安全化，國際社會上 先后出臺了一系列的并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如 IEEE (IEEE Remended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems) p3]、 IEEE Std. 15472020 (IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems) [24]。這些標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了并網(wǎng)發(fā)電裝置需具備孤島保護功能。 由于不同國家對并網(wǎng)技術(shù)要求以及配電網(wǎng)運作制度和結(jié)構(gòu)的不同，國際上對孤島 效應(yīng)保護方案沒有明確的規(guī)定。一些國家對檢測方案有要求：部分國家只要求逆變器 配備 OFP/UFP來檢測孤島，如荷蘭；一些國家則明確規(guī)定采用 ENS裝置或者阻抗測 量方案，如德國。另外一些國家則對檢測時間有要求：有選擇 Is的，如美國；有選 擇 ，如日本；有選擇 5s的，如德國。 Std. 15472020是第一個規(guī)范分布式電源系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的，其按不同情況對孤島 效應(yīng)檢測時間的規(guī)定如表 。它是以 60Hz的電網(wǎng)系統(tǒng)為考慮標(biāo)準(zhǔn)的，故針對 中國的 50Hz的市電，應(yīng)該做適當(dāng)修正。 需要指出的是表 ％是電網(wǎng)電壓幅值的額定值，按我國單相市電國家標(biāo)準(zhǔn) 換算應(yīng)為交流 220V(有效值 )； 厶是電網(wǎng)電壓的頻率的額定值，按我碩士論文 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測技術(shù)研究 21 國單相市電國家 標(biāo)準(zhǔn)換算應(yīng)為 50Hz。 同時，需要強調(diào)的一點是表 只 適 用 于 額 定 功 率 不 超 過 30KW的 并 網(wǎng) 發(fā) 電 裝 置 。 我國的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求 (GB/T