光伏并網(wǎng)逆變器控制和仿真

摘要：為了達(dá)到提高光伏逆變器的容量和性能目的，采用并聯(lián)型注入變換技術(shù)。根據(jù)逆變器結(jié)構(gòu)以及光伏發(fā)電陣電流源輸出的特點(diǎn)，選用工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，并在仿真軟件PSCAD中搭建光伏電池和逆變器模型，最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性和控制策略的可行性。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)；太陽(yáng)能電池組件；并網(wǎng)變換器；PSCAD

    近年來，應(yīng)用于可再生能源的并網(wǎng)變換技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域形成研究熱點(diǎn)。并網(wǎng)變換器在太陽(yáng)能光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源分布式能源系統(tǒng)中具有廣闊發(fā)展前景。太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電的重要應(yīng)用模式是并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)逆變技術(shù)是太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所用到的逆變器主要基于以下技術(shù)特點(diǎn)：具有寬的直流輸入范圍；具有最大功率跟蹤(MPPT)功能；并網(wǎng)逆變器輸出電流的相位、頻率與電網(wǎng)電壓同步，波形畸變小，滿足電網(wǎng)質(zhì)量要求；具有孤島檢測(cè)保護(hù)功能；逆變效率高達(dá)92％以上，可并機(jī)運(yùn)行。逆變器的主電路拓?fù)渲苯記Q定其整體性能。因此，開發(fā)出簡(jiǎn)潔、高效、高性價(jià)比的電路拓?fù)渲陵P(guān)重要。

1 逆變器原理
    該設(shè)計(jì)為大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，據(jù)文獻(xiàn)所述，一般選用工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。光伏陣列輸出的直流電由逆變器逆變?yōu)榻涣麟姡?jīng)過變壓器升壓和隔離后并入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是逆變器，而電力電子器件是逆變器的基礎(chǔ)，雖然電力電子器件的工藝水平已經(jīng)得到很大的發(fā)展，但是要生產(chǎn)能夠滿足盡量高頻、高壓和低EMI的大功率逆變器時(shí)仍有很大困難。所以對(duì)大容量逆變器拓?fù)溥M(jìn)行研究是一種具有代表性的解決方案。作為太陽(yáng)能光伏陣列和交流電網(wǎng)系統(tǒng)之間的能量變換器，其安全性，可靠性，逆變效率，制造成本等因素對(duì)于光伏逆變器的發(fā)展有著舉足輕重的作用，決定著光伏發(fā)電系統(tǒng)的投資和收益。市場(chǎng)主流光伏變換器大都采用電壓源型變換器，因?yàn)楣夥姵氐碾娏髟摧敵鎏匦?，所以為滿足光伏電池的直流端電壓可能大幅度變化的特性，都采用二級(jí)變換的技術(shù)方案，這導(dǎo)致變換效率的降低。大功率電流源變換技術(shù)因?yàn)閺?qiáng)迫斷流緩沖電容的高價(jià)，低可靠性，使電流源型變換器的應(yīng)用受到限制。注入式電流源型變換器的直流側(cè)電流電壓全控特性，使光伏電池發(fā)出的直流電僅經(jīng)一級(jí)變換就可以完成，這一的特性使電流源型變換器有可能成為高效的光伏變換技術(shù)方案。

1．1 兩電平逆變器
    傳統(tǒng)的逆變器通常也稱為兩電平變換器，并網(wǎng)逆變器一般使用橋式電路，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。太陽(yáng)能光電池具有電流源型特性，光伏陣列串聯(lián)大電感后相當(dāng)于電流源，以這種方式并接入電網(wǎng)，稱為電流源并網(wǎng)。為改善并網(wǎng)電流，在交流側(cè)需要加濾波電容器，光伏電池要串聯(lián)電感才能接在相應(yīng)的直流母線上。由于大電感的存在，使直流回路電流不易變化，在逆變器開關(guān)動(dòng)作時(shí)，如果不能保證逆變器輸入電流穩(wěn)定，則易產(chǎn)生很高的di／dt，影響逆變器的安全運(yùn)行。
1．2 多級(jí)注入式電流源型逆變器
    將諧波注入的概念用在功率變換器已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。但是將諧波注入用于功率變換器中作為減少諧波含量的一種方法。多級(jí)注入電流幅度與工作條件相匹配，通過附加晶閘管觸發(fā)控制和利用紋波電壓實(shí)現(xiàn)自然換相，注入電流的頻率和相位與供給電源取得同步。建立在直流電流和注入電流的固定幅值關(guān)系上，各種工作條件下的最優(yōu)的諧波抑制得到保證，交流電流波形和直流電壓波形質(zhì)量進(jìn)一步提高。在文獻(xiàn)中，提出了一種新的直流電流注入的概念，并且發(fā)現(xiàn)了6倍基頻的注入電流用在12脈沖電流源變換器能夠起到完全抑制諧波的效果。其中非常規(guī)系統(tǒng)的研究方法來尋找注入電流波形的幅值，從而達(dá)到最小諧波畸變率的目的。并且經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析概括總結(jié)了這種思想，導(dǎo)出了能夠完全消除標(biāo)準(zhǔn)12脈波電流源變換器交流測(cè)輸出波形諧波的理想注入波形。12脈波電流源變換器，主電路的工作模式和普通三相全控橋式變換器相同，每個(gè)橋中的6個(gè)晶閘管間隔60°依序觸發(fā)導(dǎo)通，每個(gè)主橋開關(guān)導(dǎo)通120°。這樣，對(duì)兩個(gè)并聯(lián)的三相全控橋而言，每隔30°觸發(fā)一支橋臂上的開關(guān)，任意時(shí)刻都有兩只開關(guān)導(dǎo)通。它不需要交流系統(tǒng)提供換相電壓，與交流系統(tǒng)同步連接可以作為整流器運(yùn)行也可作為逆變器運(yùn)行。當(dāng)有功功率從交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)輸送時(shí)，該裝置工作在整流狀態(tài)，當(dāng)有功功率從直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)輸送時(shí)，此裝置工作在逆變狀態(tài)。多級(jí)注入式電流源型逆變器(MLCR—CSC)的直流電壓可正可負(fù)，變換器需要采用具有對(duì)稱特性的開關(guān)器件，即具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力的器件。所以IGBT不可以直接用于MLCR—CSC，二極管與IGBT串聯(lián)可以滿足這種性能要求，但是器件串聯(lián)又會(huì)引起額外的功率損耗。由于MLCR—CSC的相對(duì)較低的開關(guān)頻率，晶閘管適用于大功率的MLCR—CSC。由于直流側(cè)電感的存在，使得直流電流單向流動(dòng)，而直流電壓極性可能瞬時(shí)改變，所以多級(jí)注入式電流源變換器需要的開關(guān)器件應(yīng)具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力。

2 實(shí)驗(yàn)仿真
2．1 太陽(yáng)能電池模型搭建
    根據(jù)文獻(xiàn)原理光伏電池的等效電路見圖2。在此基礎(chǔ)上搭建輸出0～450 V的直流電源在PSCAD中，模型如圖2所示。該仿真模型選取的是典型光伏參數(shù)，組件選用型號(hào)為YL85(17)1010×660，主要參數(shù)為：輸出峰值功率85 W、峰值電壓17．5 V、峰值電流4．9 A、開路電壓22 V、短路電流5．3 A。要求光伏陣列輸出5 000 W，可推算光伏組件連接方式為20串3并。

    由圖3的光伏陣列的仿真模型，得出I-U特性曲線和P-U特性曲線如4所示。

    通過計(jì)算得出的最大功率為5．1 kW，與模型輸出的功率基本吻合，輸入量的其他參數(shù)也基本吻合，故可以在工程實(shí)踐中使用。
2．2 逆變器拓?fù)潆娐?br />     在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖5)中主控橋采用由兩組并聯(lián)的三相全橋串聯(lián)組成一個(gè)12脈波電流源變換器。主橋由24個(gè)換流閥組成，每一個(gè)開關(guān)閥由一個(gè)晶閘管組成。其交流側(cè)通過變壓器串聯(lián)而成。變壓器分別采用Y／Y和Y／△連接，變比分別為Kn：1和Kn：。構(gòu)成與Y／△相連的6脈波變換器的觸發(fā)脈沖整體滯后于與Y／Y相連的6脈沖變換器30°，使得兩變換器的輸出在變壓器一次側(cè)各相電壓同相。圖中的注入電路是由晶閘管與二極管的串聯(lián)或反串聯(lián)構(gòu)成，與上橋所接的開關(guān)是晶閘管與二極管反串，下橋則相反，通過對(duì)晶閘管發(fā)出不同觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)逆變器的四象限運(yùn)行，同樣使上橋注入理想電流波形，使波形輸出理想。

    圖6下主橋注入電流波形上部與下部對(duì)應(yīng)三相橋輸出直流電流大小相等，相位差為15°，電感支路電流為疊加少量紋波的直流，各支路電流平均值為IDC／6。交流電壓、電流波形見圖7。多電平電流波形的正弦度較好，電壓波形有明顯的毛刺，這是由開關(guān)切換時(shí)電感能量轉(zhuǎn)移引起的，各開關(guān)器件引入阻容吸收回路后，可使電壓毛刺明顯減少。

    圖8中，CH1是A相電壓波形；CH2是B相電壓波形；CH3是C相電壓波形。結(jié)論是三相電壓正弦波形上疊加一些毛刺，與仿真相吻合。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
    各注入支路電力電子開關(guān)最佳組合控制方案的確定。多個(gè)注入支路具有多種開關(guān)組合方案，如何以較低復(fù)雜程度的開關(guān)組合方案實(shí)現(xiàn)變換要求，是研究的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。在仿真中，使用PSCAD做了6級(jí)電流注入的研究，證明了該系統(tǒng)無需加設(shè)濾波器以及采用PWM技術(shù)，就能得到理想的輸出波形。正是由于該裝置具有非常低的諧波畸變率以及低的開關(guān)損耗，因此該裝置很適合應(yīng)用于大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。