光伏并網逆變器控制與仿真設計

為了達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。根據(jù)逆變器結構以及光伏發(fā)電陣電流源輸出的特點，選用工頻隔離型光伏并網逆變器結構，并在仿真軟件PSCAD中搭建光伏電池和逆變器模型，最后通過仿真與實驗驗證了理論的正確性和控制策略的可行性。

近年來，應用于可再生能源的并網變換技術在電力電子技術領域形成研究熱點。并網變換器在太陽能光伏、風力發(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。太陽能、風能發(fā)電的重要應用模式是并網發(fā)電，并網逆變技術是太陽能光伏并網發(fā)電的關鍵技術。在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中所用到的逆變器主要基于以下技術特點：具有寬的直流輸入范圍；具有最大功率跟蹤（MPPT）功能；并網逆變器輸出電流的相位、頻率與電網電壓同步，波形畸變小，滿足電網質量要求；具有孤島檢測保護功能；逆變效率高達92％以上，可并機運行。逆變器的主電路拓撲直接決定其整體性能。因此，開發(fā)出簡潔、高效、高性價比的電路拓撲至關重要。

1 逆變器原理

該設計為大型光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，據(jù)文獻所述，一般選用工頻隔離型光伏并網逆變器結構，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?，經過變壓器升壓和隔離后并入電網。光伏并網發(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，雖然電力電子器件的工藝水平已經得到很大的發(fā)展，但是要生產能夠滿足盡量高頻、高壓和低EMI的大功率逆變器時仍有很大困難。所以對大容量逆變器拓撲進行研究是一種具有代表性的解決方案。作為太陽能光伏陣列和交流電網系統(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。市場主流光伏變換器大都采用電壓源型變換器，因為光伏電池的電流源輸出特性，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，都采用二級變換的技術方案，這導致變換效率的降低。大功率電流源變換技術因為強迫斷流緩沖電容的高價，低可靠性，使電流源型變換器的應用受到限制。注入式電流源型變換器的直流側電流電壓全控特性，使光伏電池發(fā)出的直流電僅經一級變換就可以完成，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，并網逆變器一般使用橋式電路，這種拓撲結構比較簡單。太陽能光電池具有電流源型特性，光伏陣列串聯(lián)大電感后相當于電流源，以這種方式并接入電網，稱為電流源并網。為改善并網電流，在交流側需要加濾波電容器，光伏電池要串聯(lián)電感才能接在相應的直流母線上。由于大電感的存在，使直流回路電流不易變化，在逆變器開關動作時，如果不能保證逆變器輸入電流穩(wěn)定，則易產生很高的di／dt，影響逆變器的安全運行。

1．2 多級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有半個多世紀的歷史。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量進一步提高。在文獻中，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，從而達到最小諧波畸變率的目的。并且經過嚴格的數(shù)學分析概括總結了這種思想，導出了能夠完全消除標準12脈波電流源變換器交流測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，每個橋中的6個晶閘管間隔60°依序觸發(fā)導通，每個主橋開關導通120°。這樣，對兩個并聯(lián)的三相全控橋而言，每隔30°觸發(fā)一支橋臂上的開關，任意時刻都有兩只開關導通。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行也可作為逆變器運行。當有功功率從交流系統(tǒng)向直流系統(tǒng)輸送時，該裝置工作在整流狀態(tài)，當有功功率從直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)輸送時，此裝置工作在逆變狀態(tài)。多級注入式電流源型逆變器（MLCR—CSC）的直流電壓可正可負，變換器需要采用具有對稱特性的開關器件，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)又會引起額外的功率損耗。由于MLCR—CSC的相對較低的開關頻率，晶閘管適用于大功率的MLCR—CSC。由于直流側電感的存在，使得直流電流單向流動，而直流電壓極性可能瞬時改變，所以多級注入式電流源變換器需要的開關器件應具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力。

2 實驗仿真

2．1 太陽能電池模型搭建

根據(jù)文獻原理光伏電池的等效電路見圖2。在此基礎上搭建輸出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，故可以在工程實踐中使用。

2．2 逆變器拓撲電路

在該拓撲結構（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12脈波電流源變換器。主橋由24個換流閥組成，每一個開關閥由一個晶閘管組成。其交流側通過變壓器串聯(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)構成，與上橋所接的開關是晶閘管與二極管反串，下橋則相反，通過對晶閘管發(fā)出不同觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)逆變器的四象限運行，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應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，這是由開關切換時電感能量轉移引起的，各開關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 實驗結論

各注入支路電力電子開關最佳組合控制方案的確定。多個注入支路具有多種開關組合方案，如何以較低復雜程度的開關組合方案實現(xiàn)變換要求，是研究的主要技術難點之一。在仿真中，使用PSCAD做了6級電流注入的研究，證明了該系統(tǒng)無需加設濾波器以及采用PWM技術，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損耗，因此該裝置很適合應用于大功率的應用場合。