大功率光伏并網逆變器控制系統分析與實現

陳四雄，曾春保

（漳州科華技術有限責任公司，福建 漳州363000）

0 引 言

隨著世界能源短缺和環境污染問題的日益嚴重，能源格局正在發生重大的變化，其將成為21世紀人類所面臨的核心問題。清潔的可再生能源的發展和應用越來越受到世界各國的廣泛關注［1］。近二十年來，太陽能光伏發電技術得到了持續的發展，是我國“十二五”時期新能源領域的重點發展方向，光伏并網發電已經成為利用太陽能的主要方式之一。開展光伏發電并網系統的研究，對于緩解能源和環境問題，開拓廣闊的光伏發電市場和掌握相關領域的先進技術，具有重大的現實意義和經濟價值［2，3，4］。

光伏并網逆變器是將太陽能電池所產生的直流電能轉換成與電網電能同幅、同頻、同相的交流電能的一種電力變換裝置。大功率光伏并網逆變器主要應用在大型光伏并網發電系統中，是此系統不可缺少的重要組成部分。

本文深入分析了大功率光伏并網逆變器的控制系統，對其關鍵技術進行了研究，并對500 kW光伏并網逆變器進行了系統試驗，給出了樣機試驗結果。

1 光伏并網逆變器分類

光伏并網逆變器的分類有如下幾種方式：

（1）按輸出交流相數分為：單相逆變器；三相逆變器。

（2）按電氣隔離情況分為：隔離型；非隔離型。

（3）按工作環境分為：戶內型；戶外型。

（4）按電磁發射限值分為：A型逆變器，指非家用和不直接連接到住宅低壓供電網的所有設施中使用的逆變器；B型逆變器，指適用于包括家庭在內的所有場合，以及直接與住宅低壓供電網連接的設施。

（5）按照可接入電網電壓等級分為：低壓型；中高壓型。低壓型接入電網電壓等級為1 kV及以下，中高壓型接入電網電壓等級1 kV以上。

2 大功率光伏并網逆變器電路拓撲

大功率光伏并網逆變器的電路拓撲如圖1所示。光伏組件產生的電能經過電容儲能來保持直流電壓穩定，三相全橋逆變單元將直流電轉換成與電網同頻率、同相位的交流電，經過LC濾波器濾波后將電能饋送至電網。

3 大功率光伏并網逆變器控制系統及關鍵技術

3.1 整體控制系統

圖1 大功率光伏并網逆變器電路拓撲

為實現對大功率光伏并網逆變器的全數字化控制，項目采用“DSP＋FPGA”的控制架構，應用空間矢量SVPWM控制技術，以DSP為核心，FPGA為輔助。這一控制結構實現了全數字化控制，大大減小了外圍電路，提高了整體系統的可靠性。

DSP主要功能：DSP負責整體控制，包括控制算法計算、PWM脈沖生成、部分AD采樣、電能統計、與觸摸屏通信、總線存儲控制、與閃存芯片通信等。

FPGA主要功能：FPGA則負責故障實時判斷及保護、PWM監視、系統狀態機、有效值計算、頻率檢測、相序檢測、開關量控制、PWM脈沖的邏輯封鎖、外部AD芯片控制等。

3.2 關鍵技術分析

關鍵技術控制回路如圖2所示。

圖2 關鍵技術控制回路

（1）電流環

電流環采用了空間矢量及比例積分控制，控制示意圖如圖3所示。首先由前級的MPPT給出母線電壓參考值，再由電壓控制環給出輸出電流幅值Iscmd，再根據給定的功率因數將其分解為Idcmd、Iqcmd。Ia、Ib、Ic為三相反饋電流，相位角正弦sin及余弦cos信號來自三相電壓鎖相環。通過坐標變換，在同步旋轉坐標下，可將三相反饋電流變成直流量Id、Iq。然后分別對Idcmd－Id、Iqcmd－Iq做PI控制，即可得到逆變器電壓矢量Ud、Uq。將Ud、Uq做反派克變換，可得到Ualph、Ubeta，再通過空間矢量控制算法，即可得到三相占空比信號。為減少PI的超調，以及并網瞬間的沖擊，引入了前饋量UdFF、UqFF。

圖3 電流環控制示意圖

（2）PF（功率因數）控制

根據前級的電壓環給出的電流信號Iscmd，再根據功率因數命令參數PFcmd，將Iscmd分解為有功電流IdPF與無功電流IqPF，送給后級的電流環功率因數給定Idcmd、Iqcmd。

（3）電壓環

電壓環主要用來配合實現MPPT功能。電壓環采用了比例積分控制，直流母線電壓Ubus為反饋量。正常情況下，電壓環根據前級MPPT給定的電壓Ucmd計算輸出的電流信號，作為電流環的給定Iscmd，通過反饋環節可將直流母線電壓大小調節至Ucmd。

（4）MPPT

MPPT采用擾動觀察法，每秒擾動一次母線電壓，通過一定的步長后再比較前后功率及電壓的變化，如果功率和電壓均增大或者均減小，則增大母線電壓給定值，否則減小母線電壓給定值，使功率達到最大點。

（5）鎖相環

鎖相環的作用是為電流環提供相位信號，也是低電壓穿越中非常關鍵的一個技術要點。當電網電壓發生跌落時，能否繼續正常的鎖相是通過低電壓穿越的前提條件。鎖相環采用了三相線電壓坐標變換，得到Ud、Uq，然后以Uq作為誤差信號，使用PI控制，輸出相位角及其正弦余弦信號。

（6）孤島檢測

孤島分為被動孤島與主動孤島，被動孤島主要有電壓幅值及頻率上下限檢測，本項目的主動孤島采用了新穎的無功電流擾動方法。結合新標準對頻率上下限的放寬，如果要使頻率擾動出正常范圍，勢必要增大擾動量。為配合無功電流擾動，被動孤島還加入了頻率變化檢測，當頻率變化超過一定值時，即可認為出現孤島。這樣則無需將頻率擾動出正常范圍，只需要較小的擾動即可滿足孤島保護的要求。擾動量太小則會不起作用，太大則會對輸出電流的幅值以及功率因數造成影響。

4 實驗結果及結論

設計實例：設計并研制成功的500 kW光伏并網逆變器，獲得了優越的綜合性能。MPPT電壓范圍為450 V～820 Vdc，額定并網電壓為三相線電壓270 Vac，額定輸出功率500 kW，最大效率高達98.6%，額定功率下電流諧波總畸變率＜3%，額定功率下功率因數＞0.99。

500 kW光伏并網逆變器的試驗波形及指標分析如下：

（1）三相并網電流

三相并網電流如圖4所示，三相輸出電流相位差互為120°，較好地實現了對電網進行鎖相輸出，輸出功率因數高達0.995，波形質量好。

圖4 三相并網電流波形

（2）低電壓穿越

低電壓穿越波形如圖5所示，（a）為三相跌落到20%持續1 s，（b）為三相跌落80%持續2.71 s的試驗波形，（c）為兩相60%跌落瞬態波形，（d）為兩相60%恢復瞬態波形，跌落到60%持續時間為2.14 s。從波形可以看出，逆變器在電壓跌落過程中，能夠快速的實現鎖相并保持電流的輸出而不脫網；當電網恢復后逆變器實現對功率的快速恢復，快速的完成MPPT追蹤；整個過程逆變器為電網的恢復提供了有力的能量支撐保證，順利地實現了低電壓穿越的要求及功能。

圖5 低電壓穿越波形

（3）電流諧波 THDi

從試驗分析數據看，逆變器獲得較小的THDi，為2.13%，各次諧波均滿足標準的要求，并網電流質量好，對電網的諧波污染較小，并網電流諧波分析如圖6所示。

圖6 并網電流諧波分析圖

（4）整機效率曲線

500 kW光伏并網逆變器的效率曲線如圖7所示，在整個MPPT范圍內，輸入PV電壓在低端時的效率最高，達到98.6%，歐洲光伏并網逆變器效率為98.3%，隨著輸入電壓的升高，效率有所降低。

圖7 效率曲線

理論分析與試驗結果表明，通過采用“DSP＋FPGA”先進的控制架構，對關鍵技術進行全面的數字化實現，使得大功率并網逆變器的可靠性大大提高。針對控制系統開發的500 kW光伏并網逆變器，獲得了優異的電氣性能，整機效率高、并網諧波小、功率因數高、體積重量小、成本低。

［1］ 王長貴.新能源和可再生能源的現狀和展望［C］.太陽能光伏產業發展論壇論文集，新疆，2003：4－17.

［2］ Tomita T.Toward giga－watt production of silicon photovoltaic cells，modules and systems.Photovoltaic Specialists Conference［C］.Conference Record of the Thirty－first IEEE.NJ，USA：IEEE，2005：7－11.

［3］ 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛.太陽能光伏發電及其應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［4］ 陳 維，沈 輝.光伏發電系統中逆變器技術應用及展望［J］.電力電子技術，2006，8：130－133.