基于2路輸入的三電平光伏并網系統的研究

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（1.北京科技大學 信息工程學院，北京 100083；2.北方工業大學 機電工程學院，北京 100041；3.南昌工程學院 計算機科學與技術系，江西 南昌 330099）

1 引言

隨著全球經濟的發展、人口的增加和人們生活水平的提高，對能源的需求也越來越大，使得傳統的能源儲存量正在日益枯竭，這樣導致了能源短缺。因此開發、利用可再生能源和各種綠色能源以實現可持續發展是人類必須采取的措施。從諸多因素考慮，太陽能是最符合可持續性發展戰略的理想綠色能源，因而引起了世界各國政府和能源專家的日益重視，在國內，電能緊缺已經達到了一個非常嚴峻的地步，光伏并網發電有望在未來緩解這一緊張的局面。

光伏并網逆變器作為光伏并網發電系統的核心裝置，逆變器一方面將太陽能電池陣列發出的直流電通過DC／AC逆變為交流電，在給負載供電的同時把多余的能量注入到電網中；另一方面又可以對交流電的電壓、電流、相位、幅值、有功和無功等進行控制以實現并網功能。三相光伏并網逆變器有電流源型和電壓源型2種基本拓撲結構，由于電流源型逆變器主電路及控制電路相對比較復雜，并且系統運行效率低，而電壓源型拓撲結構的逆變器具有結構簡單、控制方便、主電路損耗低等優點［1］。因此本文設計的光伏并網逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。

本文主要介紹了光伏并網系統的結構及其控制原理。基于DSP芯片TMS320F28335搭建了1套2路輸入總功率為15kW的三電平光伏并網逆變器，并給出了相關實驗結果。實驗結果表明：采用本文的方法所設計的逆變器具有穩定性好、工作效率高等優點。

2 光伏并網系統的結構

圖1為2路直流輸入的三電平光伏并網系統結構圖。

圖1 2路直流輸入的三電平光伏并網系統結構圖Fig.1 Block diagram of three－level photovoltaic gridconnected system based on two－input

在直流側：為了滿足不同用戶的需求，2路直流輸入電池陣列可以根據實際環境確定不同的安裝方向，也可以接到不同電壓等級和不同功率規格的電池組件中。系統中升壓單元由2路獨立的BOOST組成，可以在不同的輸入電壓、功率下運行，2路升壓單元采用相同的閉環控制方式將電壓升至同一直流母線上，輸出功率匯總到母線電容中，若系統只有1路輸入時，可以用該路作為前級升壓；每條支路都有自己的最大功率點跟蹤控制，使系統工作在當前的最大功率點，并且各路光伏陣列的最大功率點跟蹤相互獨立，互不干擾，提高了整個系統效率。在交流側：采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制方式。電壓外環控制逆變器直流側電容電壓的穩定并給出內環電流參考值的幅值，電流內環控制逆變器輸出電流為參考值以實現并網。

由于三電平PWM逆變電路可以在較低的開關頻率下減少高次諧波對電網的污染，而且相對于傳統的兩電平PWM逆變器而言，二極管鉗位式三電平PWM逆變器具有以下3個優點：1）在直流母線電壓一定的情況下，開關器件的耐壓等級減小一半；2）在同等開關頻率下，三電平逆變器輸出電壓的諧波含量降低50%；3）采用相同功率等級的開關器件，輸出功率可以提高一倍等優點。

所以本系統采用二極管鉗位式三電平拓撲結構從而實現并網電流低諧波含量、高功率因數的目標。

3 光伏并網系統的控制原理

控制系統軟件采用模塊化設計，每種功能都劃分為相應的模塊，控制軟件的主要功能模塊由MPPT模塊、并網逆變器控制模塊、防孤島模塊、STATE狀態機功能模塊、PV Interface模塊、GRID Interface模塊和COM通訊接口模塊等組成。

1）MPPT模塊。光伏陣列工作點不同決定了它的輸出功率不同，系統工作時，太陽能陣列在一定的溫度和日照強度下具有唯一的最大功率點［2］。但由于太陽電池陣列的輸出特性受負荷狀態、日照量、環境溫度等因素的影響，電池陣列的電壓和電流均發生很大的變化，從而使輸出功率不穩定，即最大功率點總是在發生變化。由于每條支路因受外界條件不均會導致輸出功率失配，如果采用集中式最大功率點跟蹤，將嚴重降低整體效率，特別是在使用不同特性的光伏陣列時，該特點表現更加突出［3］。為解決這一問題，保證系統穩定地工作在當前最大功率點，本系統的各支路單獨設置MPPT環節，當各支路光伏陣列特性不同或者說光照和溫度條件不同時，各支路可獨立進行最大功率點跟蹤，使自身支路工作在最大功率點，從而有效解決了各支路之間的功率失配問題，這樣提高了整個系統的效率［4］。

2）并網逆變控制模塊。并網逆變閉環控制是根據功率平衡的原理來實現的，即當太陽能電池的輸出功率大于逆變器的輸出功率時，也就是說此時太陽能電池的輸出功率沒能及時反饋到電網上去，則DC－Link部分就會有剩余能量堆積而使DC－Link的電壓升高，此時就通過加大電流指令，即增加DC－AC逆變器輸出到電網的功率來消耗DC－Link的剩余能量而使DC－Link的電壓下降。反之，就減小電流指令使得電壓上升，從而達到穩定電壓的目的。

3）防孤島模塊。當系統工作于直接并網方式時，除了基本的保護功能如短路、過壓、過流、欠頻、過頻、過熱等以外，還應該具有防孤島效應的特殊功能。所謂孤島效應，就是指：當電力公司的供電系統因故障或停電維修而跳脫時，各個用戶端的太陽能并網發電系統未能及時檢測出停電狀態而將自身切離電網，而形成由太陽能并網發電系統和周圍負載形成的一個電力公司無法掌握的自給供電孤島。孤島效應具有相當大的危害性，甚至會造成生命危險，因此對光伏并網發電系統來說，具有防孤島效應（anti－islanding）的功能是至關重要的。防孤島效應的關鍵是對電網斷電的檢測，且檢測時間越短效果越好。本文采用以擾動并網輸出電流的方式來檢測電網斷電發生電流變動，檢測的原理是通過微處理器的控制，對逆變器的輸出電流施以周期性的變動，以達到主動破壞供需平衡的目的［5］。

4）STATE狀態機功能模塊。主要負責整個系統直流側的狀態采集、狀態識別和狀態切換控制。要實現的功能有：獲取各種開關狀態、系統工作狀態的判斷、系統在各種工作狀態下的工作模式及相應的事件處理、系統輸出信號控制。

5）PV Interface模塊。主要完成從光伏陣列到逆變器輸入母線的接口工作，包括PV側參數采樣計算、PV側電壓控制、PV側正負母線均壓控制、保護和告警功能。

6）GRID Interface模塊。主要完成從直流側到電網側并網變換控制工作，包括：交流接觸器的軟啟控制、GRID側參數采樣計算、并網電流性能控制、電網適應性控制、輸出限功率控制、功率因數調節控制、開關機輸出功率緩變控制、逆變器逆向電流保護功能、孤島檢測控制、保護和告警功能、手動開關機控制、發電量計算功能、LVRT控制、諧波分析控制。

7）COM通訊接口模塊。負責建立通訊有CANA，CANB，RS485A 通訊軟件模塊、RS485B通訊軟件模塊。CANA通訊模塊為快速CAN通訊模塊（1Mb／s），用于高速電流指令的傳輸；CANB通訊模塊為慢速CAN通訊模塊（250 kb／s），用于各模塊間交互較慢的基本信息；RS 485A通訊模塊與單元模組內部液晶建立RS485通訊，用于傳輸本機的基本信息；RS485B通訊模塊，作為本機的RS485外部接口，通過與PC建立通訊可以完成對本機的調試診斷和校正。

4 實驗結果及分析

根據以上對系統的描述，設計了1套2路直流輸入總功率為15kW的三電平光伏并網逆變器。在實驗時，由于直接使用太陽能電池板進行實驗時存在著時間長，費用高等缺點，為了方便可靠地對太陽能電池進行MPPT效率的測試，利用Chroma光伏模擬器進行測試。圖2為系統工作時的MPPT效率測試圖。

圖2 系統工作時的MPPT效率測試圖Fig.2 Test diagram of system working MPPT efficiency

從圖2中可以看出系統MPPT具有很高的效率并且始終穩定地工作在最大功率點附近，從而保證整個系統有很高的效率。圖3為并網電流和電壓圖。

圖3 并網電流和電壓圖Fig.3 Waveforms of grid current and voltage

從圖3可以看出：當逆變器正常運行時，逆變器輸出電流與電網電壓同頻、同相，功率因數為1，從而保證系統具有很高的效率。圖4為防孤島效應波形圖。

圖4為在實驗中并網逆變器運行時突然電網斷電時電流和并網電壓波形圖，以此來驗證控制系統的防孤島模塊。從圖4中可以看出：逆變器輸出電流在電網電壓掉電后115ms電流變為0。這滿足國際標準IEEEStd.2000－929和UL1741對孤島效應檢測時間標準。圖5為UPV變化時電流和并網電壓波形圖。

圖4 防孤島效應波形圖Fig.4 Waves of antiislanding effects

圖5為并網逆變器正常運行時，UPV瞬間突然變化時電網側輸出電流Igrid波形圖，可以看出：當UPV瞬間變化時輸出電流Igrid在很短時間內也跟著變化，說明系統具有很好的動態響應。

圖5 UPV變化時電流和并網電壓波形圖Fig.5 Inverter output current and grid voltage waveforms when UPVis change

5 結論

本文基于DSP芯片TMS320F28335搭建了1套2路直流輸入總功率為15kW的三電平光伏并網逆變器。詳細說明了光伏并網系統的結構及其控制原理，并深入地分析了控制軟件各個功能塊的工作原理。通過該裝置的現場運行，給出了相關結果。實驗結果表明本文所設計的逆變器的控制方案具有良好的穩定性和很高的效率，有效地防止了“孤島”效應的產生，系統具有可靠性強，工作效率高，穩定性好等優點。

［1］王繼東，朱雪玲，蘇海濱，等.三相光伏并網Z－源逆變器的比例諧振控制［J］.電機與控制學報，2010，14（4）：86－91.

［2］趙庚申，王慶章，許盛之.最大功率點跟蹤原理及實現方法的研究［J］.太陽能學報，2006，27（10）：997－1001.

［3］王飛，余世杰，蘇建徽，等.太陽能光伏并網發電系統的研究［J］.電工技術學報，2005，20（5）：72－74.

［4］廖華，許洪華.雙支路太陽能并網逆變器的研制［J］.電力電子技術，2007，41（9）：61－68.

［5］周皓，童朝南，周京華，等.基于TMS320F2812光伏并網逆變器的設計與研究［J］.電氣傳動，2011，41（3）：28－31.