基于微網理念的光伏變流器系統設計

王明才，黃 梅

（北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

并網發電是光伏發電的有效利用方式之一。目前并網發電系統當外部主電網故障或檢修時，需要防止孤島效應產生，常用措施是切除并網系統，停止其發電，但會造成一定的浪費。隨著生活水平的提高，人們對供電穩定性也提出了更高的要求。

微電網是一種由負荷和微型電源組成的系統，其內部電源主要由電力電子器件負責能量轉換，并提供必要控制。微電網相對于外部大電網表現為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等方面要求，并且微電網能與外部電網脫離，獨立運行[1-2]。

本文結合微電網理念，設計一個光伏變流器，構建一個小型系統。當外部電網正常時，變流器工作于并網模式；當外部電網故障時，該系統和外部電網脫離，變流器工作于離網模式，并結合蓄電池繼續對重要負載供電。

1 系統原理

1.1 系統結構

系統結構框圖如圖1所示。該系統結構主要由太陽能光伏池板陣列、蓄電池組及其管理系統、光伏變流器、電能計量單元以及重要負載5部分組成。

光伏池板經過串并聯后形成25 kWp，開路電壓為500 V的太陽能電池陣列。蓄電池選用50 kW·h鋰電池，并且帶有電池管理系統。逆變器是整個系統核心和主控單元，設計額定輸出功率為25 kW。電能計量單元能夠實時檢測電網和系統之間的功率流向以及接口處電壓相位和頻率，為并網離網切換提供信息依據。

光伏變流器主電路拓撲主要分2部分，前級為2個并聯在直流母線上的雙向DC-DC電路，后級為三相全橋DC-AC逆變電路。兩級之間通過大電容解耦。雙向DC-DC電路作用主要有維持中間電壓穩定，另外光伏池板側的DC-DC電路同時實現光伏池板的最大功率跟蹤功能，蓄電池側的DC-DC電路同時能實現蓄電池的充電功能[3]。

變流器三相逆變輸出通過LC濾波，經過三相工頻隔離變壓器并網。重要負載接在變壓器輸出側，通過一個交流繼電器和電網相連。變流器系統通過隔離RS485方式與電能計量單元通信，獲取網側實時功率信息；通過隔離CAN總線方式與鋰電池管理系統通信，獲取蓄電池狀態信息。

1.2 系統工作模式

系統工作模式有并網和離網2種模式。當外部電網正常時，變流器工作于并網模式[4]。光伏池板側DC-DC電路升壓工作，維持中間直流母線電壓710 V，同時采用擾動觀察法，對光伏池板進行最大功率點跟蹤，使池板工作發揮最大效率[5]。蓄電池側DC-DC電路，結合蓄電池管理系統提供數據，單相降壓工作，對蓄電池進行充電，直到達到其設定的上限電壓Uh。DC-AC部分工作于電壓型逆變器模式，實時跟蹤外部電壓幅值和相位，逆變輸出電能供給重要負載和電網。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

當外部電網異常時，變流器工作于離網模式。光伏池板側DC-DC電路依舊升壓工作，但此時蓄電池側DC-DC電路根據重要負載大小，選擇給蓄電池充電或是使蓄電池放電工作，維持中間母線電壓穩定。DC-AC部分工作于離網逆變模式，維持輸出相電壓220 V/50 Hz。鋰電池側DC-DC電路控制充分結合鋰電池管理系統，其控制流程如圖2所示。

圖2 蓄電池側雙向DC-DC控制邏輯Fig.2 Control logic of bi-directional DC-DC battery side

2 主電路器件選型

2.1 IGBT

功率器件直流側輸入最大電流為100 A，交流輸出按額定功率考慮，器件輸出相電流有效值為：

交流輸出2倍過載時電流為76 A。

系統所用開關管均選 EUPEC FF200R12KE3G，200 A，1200 V。

2.2 中間支撐電容

首先，對于700 V的直流電壓，中間直流濾波電容電壓值設計為900 V。其次，考慮到中間直流電容要能承受PWM整流器直流側工作時所帶來的紋波電流Irms。對于采用SVPWM算法的PWM整流器，其直流側紋波電流有效值約為相電流有效值的55%。穩態時，紋波電壓Urms可以取額定值的2%，電容值應滿足下述關系：

式中，Irms為流過電容的紋波電流；Ia為A相電流有效值；Urms為電容上的紋波電壓；fs2為PWM整流器開關管開關頻率。

按照額定輸出功率25 kW設計，將數據Udc=700 V，Ia=38 A，fs2=6 kHz，帶入公式（2）得到 C≥40 μF。

考慮PWM整流器工作時，電容在開關管導通期間放電，輸出能量，在開關管關斷期間充電，儲存能量。電容上電壓按照開關周期振蕩。所以，電容設計應滿足能量傳輸的要求，即在一個開關周期內，電容上儲存的能量的變化等于一個開關周期內傳輸的能量。

式中，P0為額定輸出功率。

按照額定輸出功率25 kW設計，將Udc=700 V，ε=1%，P0=25 kW，fs2=6 kHz帶入式（2），得到 C≥854 μF。 為加強各個環節的解耦，降低控制難度，這里選擇900 V/2000 μF的電容。

2.3 直流升壓電感

直流輸入電壓范圍250～600 V，最大工作電流為100 A，工作頻率為10 kHz。當輸入電壓為350 V時，電流波形最差，設此時電流峰峰值為15 A（滿功率電流15%），則有：

得知：L≥1.16 mH。選用兩個600 μH/100 A電感串聯，該系統總共用4個。

提供15 A峰峰值電流對于太陽能電池陣列來說，影響較大，需在輸入側加濾波電容。對蓄電池電壓影響很小，但是考慮電磁兼容問題，也要在輸入側加上濾波電容。對在輸入電壓為350 V時，要求輸入開關周期內電壓跌落不超過2%，則：

可得：C=700 μF

因此選用1000 μF/900 V的薄膜電容。

3 變流器控制電路設計

變流器控制電路是基于TMS320F2812型DSP設計的，由DSP、控制底板、電壓采集板和驅動板構成。控制底板處理電壓采集板和傳感器輸出的電流信號，并傳輸給DSP，DSP對輸入的數據進行A/D轉換。一方面按SVPWM算法計算控制脈沖，將脈沖通過驅動板提供給IGBT，實現功率因數為1的并網或者離網工作；另一方面進行MPPT控制，使太陽能池板始終工作在最大功率點處。驅動板可以反饋IGBT故障信號，從而進行故障保護，使系統可以安全可靠的運行[6-7]。

圖3 控制電路框圖Fig.3 Block diagram of control circuit

3.1 光伏系統最大功率跟蹤——擾動觀察法

在光照相對穩定的條件下，提供高性能追蹤MPPT算法有很多不同的方法，經常使用的是擾動觀察法，其優點是簡單可靠，幾乎適應任何的光伏發電系統配置，并在穩態下具有良好表現。擾動觀察法基本思想：引入一個小擾動H，然后與前一個狀態進行比較，根據比較的結果調整光伏電池板的工作點，實時采集光伏電池的輸出電壓和電流，并計算出此時的功率值，而后與上一時刻的功率值進行比較，從而相應調整光伏電壓的變化方向，使其向著最大功率點的方向移動，以達到逼近最大功率點的目的。

3.2 SVPWM控制算法實現

逆變器采用空間矢量脈沖寬度調制SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）技術。SVPWM是具有較高直流電壓利用率，諧波電流含量少的優化算法，在現代變流器控制領域得到廣泛關注。

4 實驗結果

4.1 并網工作模式

并網工作模式變流器跟蹤電網電壓與電網同頻同向正常并網。圖4實際并網時A相輸出電流與電壓波形。圖4中波形較好的為A相電壓波形，另一個為A相電流波形。從圖中可以看出，電流波形有一定畸變，并不理想，但是輸出電流能基本保證與電網電壓同頻同向且功率因素為1。

4.2 離網工作模式

系統離網模式工作時，輸出相電壓為220 V/50 Hz。系統正常工作，且波形良好。

圖4 并網電壓電流波形Fig.4 Voltage and current waveforms in grid-connected mode

圖5為離網工作時A相電壓和電流波形。圖6為離網工作時A相和B相電流波形。從圖6可以看出，由于模擬的三相重要負載不平衡，A相和B相電流大小有些不同。

圖5 離網時A相電壓電流波形Fig.5 A-phase's voltage and current waveforms in off-grid mode

圖6 離網時A相和B相電流波形Fig.6 Current waveforms of A-phase and B-phase in off-grid mode

5 結束語

介紹了一種基于微網理念的光伏變流器系統設計，分析了系統結構和控制原理，進行了主電路器件選型。構建的實驗室樣機顯示其能完成基本的設計功能，能正常工作于并網和離網模式，只是并網時電流諧波偏大，在電流跟蹤的控制算法上仍需做更進一步的改進。該系統設計解決了普通并網系統在出現孤島現象時必須停機的不足，同時能加強對重要負載供電的可靠性。該系統對于光伏發電系統的推廣和微網的研究都有一定的價值。該系統還可以繼續加入其他分布式電源，比如小型風電機組、小型燃氣輪機等組成多電源更為復雜的微網系統，有利于分布式發電技術的進一步推廣應用，對于提高電網的可靠性也有一定作用。

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