用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電中帶儲(chǔ)能的新穎多電平逆變器

前言

光伏(PV)技術(shù)可提供清潔、安全又可靠的可再生能源，無(wú)活動(dòng)部件，運(yùn)行成本低廉，維護(hù)要求最低，零燃料成本和長(zhǎng)使用壽命(20年以上)。這一系列優(yōu)點(diǎn)使得離網(wǎng)型光伏應(yīng)用在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上極具競(jìng)爭(zhēng)力。光伏發(fā)電已被證實(shí)，能滿足未來(lái)能源的一些社會(huì)需求，是非污染的發(fā)電方式。在印度已經(jīng)配置 450,000個(gè)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)(典型的35-100Wp容量);在發(fā)展中國(guó)家，比如尼泊爾(61%)大多數(shù)人口還未用上電，目前政府已優(yōu)先對(duì)市郊、農(nóng)村推廣電氣化，而離網(wǎng)技術(shù)的光伏發(fā)電是最普遍采用的發(fā)電技術(shù)之一。

離網(wǎng)PV應(yīng)用的典型例子之一，是在美國(guó)科羅拉多州的VanGeet離網(wǎng)型光伏基地的1kW PV陣列。此例中，延長(zhǎng)電力網(wǎng)1.5英里達(dá)到建筑物的造價(jià)估計(jì)為100,000美元，其中，包括帶MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)控制器的非晶硅PV陣列，42.7kWh蓄電池組合4kW的逆變器，將這些與高能效的建筑設(shè)計(jì)組合一起，證明在經(jīng)濟(jì)上和環(huán)保上都是很成功的。

2010年全球航運(yùn)的光伏應(yīng)用已超過(guò)16GWp，結(jié)晶硅材料占該市場(chǎng)的87%。雖然已經(jīng)報(bào)道世界級(jí)多晶硅電池效率高達(dá)20.3%，典型的可購(gòu)商品多晶硅模塊公布的效率僅為13.4%，但仍選定它作為這一研究的基礎(chǔ)。由于光伏陣列的發(fā)電要求由太陽(yáng)能提供光子，故光伏陣列在夜間不發(fā)電，而在多云或局部陰天氣候下發(fā)出的電低于峰值功率，光伏陣列發(fā)電具有間斷性。為保證離網(wǎng)光伏應(yīng)用中的連續(xù)性，這些因素則要求蓄電池儲(chǔ)能。

由光伏陣列輸出的直流首先要通過(guò)逆變器變成交流(DC-AC)，已公布的逆變器效率范圍是85.8%-92.4%(最高效率)。然而，當(dāng)利用多晶硅光伏陣列時(shí)，逆變器總的系統(tǒng)效率為10%左右，在這么低的轉(zhuǎn)換效率下，與逆變器相關(guān)的損耗應(yīng)降低到最小。

本文介紹了離網(wǎng)型光伏應(yīng)用中開(kāi)關(guān)頻率低的13電平級(jí)聯(lián)多電平逆變器。因太陽(yáng)光伏陣列產(chǎn)生的電壓低，一般要使用升壓變壓器或DC-DC升壓變換器。以便獲得230V的輸出功率。對(duì)于DC-AC的變換，通常采用脈寬調(diào)制(PWM)逆變器，但因?yàn)閷?duì)開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生高的dv/dt應(yīng)力、大的損耗、電磁干擾(EMI)問(wèn)題，以及較高的THD(總諧波失真)等，故目前正考慮采用多電平的逆變器。

一、光伏系統(tǒng)

整套離網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)有6個(gè)PV陣列，每塊陣列板有5個(gè)并聯(lián)模塊，每一模塊含90塊電池。MPPT為50-60V，輸出功率135W。

1.13電平級(jí)聯(lián)逆變器

圖1所示為13電平級(jí)聯(lián)逆變器的電路圖。在此逆變器中，有6個(gè)串聯(lián)連接的H橋并以基波頻率運(yùn)行，與其它的多電平拓?fù)淅?，二極管鉗位、飛跨電容器、級(jí)聯(lián)的H橋PWM以及級(jí)聯(lián)的變壓器PWM比較，新研制的逆變器有很多優(yōu)越性。這些優(yōu)點(diǎn)包括：低開(kāi)關(guān)損耗、簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)技術(shù)和最少的元部件數(shù)。而且，這一結(jié)構(gòu)形式像二極管鉗位和飛跨電容器逆變器那樣，在損耗最小的情況下，勿需先進(jìn)的充電-平衡技術(shù)或復(fù)雜的開(kāi)關(guān)技術(shù)。

如圖1所示，6個(gè)獨(dú)立的光伏系統(tǒng)，分別與接到每一個(gè)H-橋的蓄電池并聯(lián)，蓄電池儲(chǔ)能的電壓電平和光伏系統(tǒng)應(yīng)這樣設(shè)計(jì)，要使得逆變器基本部件的輸出電壓等于230 V.。100μF電容器跨接在逆變器的輸出端，其工作就像功率因數(shù)校正電路的電容器和濾波器一樣。

為獲得13電壓電平，如圖1所示串聯(lián)連接H-橋。表1和表2列出開(kāi)關(guān)的模式。每一H-橋?yàn)?電平逆變器，并能按照開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生輸出電壓+Vdc/6, o, -Vdc/6( Vdc為圖2所示多電平電壓輸出的峰值)。為得到正的輸出電壓，開(kāi)關(guān)S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 應(yīng)接通，而S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6斷開(kāi);另一方面，要得到負(fù)的輸出電壓，S(_)1、S(_)2 、 S(_)3、 S(_)4、 S(_)5 和S(_)6 應(yīng)接通，而S1、S2 、 S3、 S4、 S5 和S6 斷開(kāi)。在此逆變器中，為獲得不同的電壓等級(jí)，6個(gè)H-橋?qū)⒁圆煌难舆t：β1、β2…β6 進(jìn)行切換，如圖2所示。為了以最小的THD優(yōu)化基波電壓分量，β1、β2…β6 分別選擇為5。 ，15。 ，25。 ，36。 ，49。 和67。 。

2.開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器

每一H-橋的開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器，由信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)比較器組成。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生增益=1的正弦調(diào)制信號(hào)，周期為T(mén);而載波信號(hào)的梯形周期為6T(圖3所示)。在信號(hào)比較器內(nèi)，

調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)進(jìn)行比較。以產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖3給出在H-橋1產(chǎn)生正電壓時(shí)開(kāi)關(guān)1發(fā)出的開(kāi)關(guān)信號(hào)。如圖3所示，當(dāng)正弦調(diào)制信號(hào)大于載波信號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器輸出1;相反，則輸出為0。在輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)至S2 的情況下(H-橋2)，圖3中載波信號(hào)的梯形則向右位移時(shí)間Ts。這樣，當(dāng)橋1的載波信號(hào)為sin(β1 ), 橋2的載波信號(hào)則為

sin(β2 )。

如上所述，開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器在相應(yīng)的延遲角(β1、β2…β6 )下接通和斷開(kāi)相關(guān)的H-橋，在其端子上產(chǎn)生+Vdc/6,0,或-Vdc/6的電壓。如果橋1至橋6經(jīng)常分別在延遲角β1、β2…β6 接通，接到橋1的儲(chǔ)能用蓄電池輸出最大的能量(其導(dǎo)通從β1 到π–β1 )時(shí)，而橋6輸出能量則最小(其導(dǎo)通從β6 到π–β6 )。為避免這樣，每橋的延遲角在每個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，如橋1至橋6，以延遲角β1、β2…β6[!--empirenews.page--]

在第一電壓周期內(nèi)接通;在第二電壓周期內(nèi)它們則以延遲角β2、β3 …接通。按照這一方式，在第六周期后，從每一儲(chǔ)能蓄電池漏泄的能量則相等。開(kāi)關(guān)脈沖發(fā)生器是通過(guò)調(diào)制信號(hào)與6T周期梯形載波信號(hào)的比較達(dá)到這一點(diǎn)的，梯形載波信號(hào)如圖3所示在sin(β1 )、 sin(β2) 、sin(β3) 、sin(β4 ) 、 sin(β5 ) 和sin(β6 )下具有6個(gè)明顯不同的電壓電平。

3.蓄電池的數(shù)學(xué)模型

本項(xiàng)研究中，利用了1Ah鋰電子電池組件作為貯能系統(tǒng)。假定蓄電池的內(nèi)電阻不變，1Ah鋰離子電池的動(dòng)態(tài)模型已經(jīng)推導(dǎo)出。蓄電池的容量不取決于電流的幅值，且蓄電池?zé)o

溫度效應(yīng)、記憶效應(yīng)和自放電。研究中利用該蓄電池模型是在充電狀態(tài)(SOC)為唯一狀態(tài)變數(shù)和凈放電電流為輸入變數(shù)的情況下。這一模型代表三種工業(yè)蓄 電池形式：Li離子、

NiCd(鎳鎘)、NiMH(鎳氫化物)制造廠的曲線。在這一模型中，基于蓄電池實(shí)際SOC的蓄電池開(kāi)路電壓，用以下方程式描述：

式中，Ebatt —內(nèi)部電壓(V);Eo—蓄電池電壓常數(shù)(V);k—極化電壓(V);SOC—充電狀態(tài)(%);Q—蓄電池容量(Ah);A—指數(shù)區(qū)幅值(V);B—指數(shù)區(qū)時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)Ah-1;Vbatt —端電壓(V);Ibatt —蓄電池電流(A);Rbatt —— 內(nèi)電阻(Ω);參數(shù)A、B、K、E由制造廠的蓄電池放電曲線確定。

4.光伏(PV)模型

籍助PACAD/EMTDC軟件給出的PV模型用于模擬研究。這一模型由理想的電流源、并聯(lián)的二極管和串聯(lián)的電阻器組成。該模型的輸出電流取決于太陽(yáng)的輻照度，電池的溫度和端部的輸出。模型的輸出電流由下式給出：

式中，IA —輸出電流(A);Isc —短路電流(A);取決于太陽(yáng)的輻射和電池的溫度;NS —串聯(lián)的模塊數(shù);Np—并聯(lián)的模塊數(shù);Io —二極管的飽和電流(A);V—端電壓(V);n—二極管的理想常數(shù);VT —模塊的端電壓(V)。

模擬試驗(yàn)中采用的PV模塊，有90個(gè)電池串聯(lián)，其開(kāi)路電壓為75V，短路電流2.5A.圖4所示為PV模塊的V-I特性曲線。按照?qǐng)D中的曲線，最大功率點(diǎn)的電壓在55-60V之間。

二、各種多電平逆變器拓?fù)涞谋容^

1.元件數(shù)量的比較

表3列出了新研制13電平逆變器和其它多電平逆變器之間元件數(shù)量的比較。對(duì)比中選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括:二極管鉗位型、飛跨電容器型、基于PWM的級(jí)聯(lián)H-橋型和基于PWM的級(jí)聯(lián)變壓器型。

圖5(a)和(b)所示為3電平二極管鉗位和飛跨電容器逆變器的結(jié)構(gòu)。在對(duì)比中新研制的13電平逆變器，具有24個(gè)串聯(lián)的絕緣柵雙極晶體管(IGBT);基于PWM的級(jí)聯(lián)H-橋變換器，具有圖1所示相同的拓?fù)?，但每個(gè)H-橋中的開(kāi)關(guān)是利用PWM開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行切換的，基于PWM的級(jí)聯(lián)變壓器型多電平逆變器則是需要4電平專(zhuān)用變壓器的一個(gè)特殊設(shè)計(jì)。

基于PWM的級(jí)聯(lián)變壓器型多電平逆變器，具有最少的開(kāi)關(guān)數(shù)和獨(dú)立直流電源數(shù)，但它需要安裝一特殊變壓器。當(dāng)與新研制逆變器二者輸出相同的功率時(shí)，雖然其開(kāi)關(guān)數(shù)最少，但流過(guò)這些開(kāi)關(guān)的電流都比新逆變器的大。

與二極管鉗位型或飛跨電容器型逆變器比較時(shí)，新研制逆變器具有較少的元件數(shù)，因它無(wú)需鉗位二極管和平衡電容器。而且，新研制逆變器在模塊化電路配置和包裝組件時(shí)很理想。

2.開(kāi)關(guān)損耗和變壓器損耗的比較

實(shí)際上可控制的開(kāi)關(guān)器件，如IGBT和MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)作為典型，都具有幾納秒(ns)的接通與斷開(kāi)的延遲。當(dāng)接通和斷開(kāi)器件時(shí)，這些延遲會(huì)產(chǎn)生功率損耗。在逆變器中的開(kāi)關(guān)損耗，與開(kāi)關(guān)頻率、負(fù)載電流和調(diào)制率成比例。當(dāng)功率因數(shù)為1、輸出恒功率10KW時(shí)，新研制逆變器其開(kāi)關(guān)頻率為50Hz，開(kāi)關(guān)電流約為40A。如假定開(kāi)關(guān)器件為FGH40N60SFD、500V、40A場(chǎng)阻斷(field stop)結(jié)構(gòu)的IGBT,則在上述的條件下開(kāi)關(guān)的損耗約為0.99W。當(dāng)其操作在功率因數(shù)為1時(shí)，新研制逆變器的12個(gè)開(kāi)關(guān)是在零電流下接通和斷開(kāi)的。而在基于PWM的多電平逆變器內(nèi)，相同條件下當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為1KHz時(shí)，其開(kāi)關(guān)損-耗約19.8W。[!--empirenews.page--]

從表4看到，新研制逆變器在功率因數(shù)為1時(shí)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率低，且不用變壓器，故具有最高的頻率。

變壓器有其本身的損耗，例如線圈的電阻、磁滯和渦流，雜散損耗和機(jī)械損耗。為將光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)連接，一個(gè)PWM逆變器需要約 12KVA的變壓器。12kVA變壓器的效率，在額定條件下輸出純正弦電流時(shí)為98%。在額定工況的渦流損耗假定為總損耗的15%，而在1KHz開(kāi)關(guān)頻率下渦流損耗系數(shù)為2.53.基于PWM級(jí)聯(lián)變壓器型逆變器工作在1KHz開(kāi)關(guān)頻率下，當(dāng)輸出10kW功率時(shí)，其總的變壓器損耗約為275W 。

三、模擬試驗(yàn)與結(jié)果

1.系統(tǒng)描述

本研究利用了基于圖1所示新研制逆變器的10KW、230V離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。該系統(tǒng)的參數(shù)列于表5(某些參數(shù)的標(biāo)注見(jiàn)圖1)。為觀察新逆變器的參數(shù)及其控制，利用了PACAD/EMTDC軟件對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

2.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下逆變器的輸出電壓

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于功率因數(shù)為1和0.95(離網(wǎng)裝置中期望的典型滯后功率因數(shù))時(shí)，通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得了輸出電壓波形及其頻譜。在兩種情況下輸出負(fù)載均為10KW。如圖6所示兩種情況下逆變器的輸出電壓很接近正弦波形，當(dāng)運(yùn)行在1和0.95的功率因數(shù)時(shí)，逆變器輸出電壓的總諧波失真(THD)分別為4.9%和5.6%。

圖6：穩(wěn)態(tài)逆變器的輸出電壓和頻譜 (a)功率因數(shù)為1時(shí)的輸出電壓;(b)功率因數(shù)為0.95(滯后)時(shí)輸出電壓;(c)功率因數(shù)為1的頻譜(THD=4.9);(d)功率因數(shù)為0.95的頻譜(THD=5.6)。

3.恒定輻照度下充電狀態(tài)(SOC)的平衡

為了研究SOC平衡技術(shù)的性能，在對(duì)所有光伏模塊給出恒定輻照度(600W/㎡)、歷時(shí)800s的情況下，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。假定在電池溫度25℃時(shí)功率輸出為10KW。圖7為所有蓄電池的SOC。從圖上可以清楚見(jiàn)到，所有蓄電池在任何給定時(shí)間的SOC均相同。因而證明所提出SOC平衡控制的有效性。

4.在不同輻照度下的SOC平衡

為了觀察在不同輻照度條件下的SOC平衡技術(shù)性能，在光伏模塊1-6不同的輻照模式下，對(duì)PV系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。表6列出了每一光伏模塊上的輻照度。而圖8表示模擬的結(jié)果。即使每一蓄電池的SOC稍有偏差，它們也幾乎是相同的。

5.在小負(fù)荷下的系統(tǒng)性能

最后，了解一下小負(fù)荷下的系統(tǒng)性能。在t=100s，光伏系統(tǒng)的輸出功率從10KW降到2KW，觀察所有各個(gè)蓄電池的SOC。如圖9所示，從0到100s光伏模塊和蓄電池都供電，但當(dāng)輸出負(fù)載小時(shí)，PV模塊充電蓄電池以提高SOC。

四、結(jié)論

本文介紹了采用13電平級(jí)聯(lián)逆變器而無(wú)變壓器的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)。并將各種多電平功率逆變器與新研制帶蓄電池儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)逆變器進(jìn)行了比較對(duì)照。新研制級(jí)聯(lián)逆變器具有低的功率損耗，簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)模塊化及簡(jiǎn)易的充電平衡方法。

根據(jù)提出的這一開(kāi)關(guān)技術(shù)，能平衡所有蓄電池的SOC，其有效性已通過(guò)模擬得到證實(shí)。模擬實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，新研制的控制器不僅平衡每一蓄電池的SOC，而且降低了輸出的THD，在無(wú)任何諧波濾波情況下，THD<6%。

原文出處：(斯里蘭卡)kapila Bandara，(英國(guó))Tracy Sweet，Janke Ekanayake,

Photovoltaic applications for off-grid electrification using novel multi-level inverter technology with energy storage,《Renewable Energy》37 (2012).p82-88.