光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)

摘 要：本文根據(jù)光伏電池陣列和逆變電路的特點(diǎn)，研究比較了常見(jiàn)的光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種并網(wǎng)逆變器。選擇由前級(jí)DC-DC電路和后級(jí)DC-AC電路組成的雙極式系統(tǒng)；比較分析了各種DC-DC電路最終選擇了Boost電路作為升壓電路，后級(jí)的DC-AC電路采用了基本全橋逆變器。在設(shè)計(jì)光伏并網(wǎng)逆變器的基礎(chǔ)上，利用Matlab對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)以及主電路進(jìn)行了仿真，最終驗(yàn)證了控制的正確定性。

【關(guān)鍵詞】Boost電路 電流跟蹤 逆變器

1 逆變器或電源控制器（PCU）在并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中起著非常重要的作用

PCU的主要作用就是將發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為可以入網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)交流電，當(dāng)供電部門(mén)中止供電的時(shí)候，PCU會(huì)自動(dòng)切斷電源。當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能超過(guò)系統(tǒng)負(fù)載實(shí)際所需的電量時(shí)，將多余的電量傳輸給公共電網(wǎng)。在陰雨天或者夜晚，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能小于系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)際所需的電能，可通過(guò)公共電網(wǎng)補(bǔ)充系統(tǒng)負(fù)載所需要的電能。同時(shí)也要保證在公共電網(wǎng)故障或者維修的時(shí)候，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將不會(huì)把電能虧送到公共電網(wǎng)上，以使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。如圖1所示。

2 Boost電路工作原理

為了滿足并網(wǎng)的要求，升壓電路需要將光伏陣列的輸出電壓上升為比電網(wǎng)峰值更高的直流電壓。圖2為Boost的電路結(jié)構(gòu)。其中US為輸入電壓，VT為開(kāi)關(guān)管，C為儲(chǔ)能電容，L為升壓電感。VT為快速開(kāi)關(guān)管，使用PWM控制。

根據(jù)升壓電感電流的連續(xù)與否，Boost有兩種工作方式，連續(xù)和斷續(xù)狀態(tài)。為了保證電能質(zhì)量，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中要求Boost必須工作在連續(xù)狀態(tài)，這樣才能保證輸出電流不為脈沖狀態(tài)。Boost電路有兩個(gè)工作過(guò)程，儲(chǔ)能和放電。我們選擇Boost變換器為二級(jí)非隔離型逆變器的DC-DC環(huán)節(jié)變換器。選擇全橋逆變器為DC-AC電路。其主電路結(jié)構(gòu)如下：

采用的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路如圖3所示，并網(wǎng)逆變器選用兩級(jí)式非隔離型。本系統(tǒng)中的前級(jí)DC/DC 升壓電路選擇Boost電路，后級(jí)為全橋逆變電路。

我們選擇開(kāi)關(guān)頻率為fs=12.8kHz，所以逆變器輸出電壓的實(shí)際載頻率為2fs=25.6kHz。我們采用DSP作為實(shí)現(xiàn)控制的硬件結(jié)構(gòu)，使用TMS320LF2407DSP芯片作為本文控制系統(tǒng)核心。

3 基于DSP的并網(wǎng)控制系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

逆變器數(shù)字并網(wǎng)控制系統(tǒng)以TMS320LF2407芯片為控制核心，充分利用了DSP的硬件資源，如全比較單元PWM1/2，PWM3/4，捕獲口CAP2，A/D采樣，以及外部中斷XINT1等。LF2407芯片采集外部電壓、電流信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)DSP內(nèi)部的控制算法計(jì)算PWM脈寬，控制逆變器橋臂開(kāi)關(guān)開(kāi)通或關(guān)斷，鎖定電網(wǎng)電壓的頻率和相位，控制輸出電流單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

4 全橋逆變器控制方式和PI整定

我們采用三角波比較的方式對(duì)逆變器進(jìn)行控制，并利用PI整定作為放大器。PI的參數(shù)決定了三角波控制方式的跟蹤特性，三角波載波的頻率越高，輸出波形諧波更易濾除。加入PI整定環(huán)節(jié)后的三角波控制方式如圖5。

本文將光伏系統(tǒng)設(shè)置為二階系統(tǒng)，其目的是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高響應(yīng)速度。并利用最佳的二階系統(tǒng)工程方式對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行整定

PI 參數(shù)整定后光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

加入PI 調(diào)節(jié)能大幅度提升動(dòng)態(tài)性性能，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快。其中Tpwm=78us

我們選擇了單極性調(diào)制作為逆變器的調(diào)制方式，那么必須獲得逆變器的輸出參考電流才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制，逆變器的參考電流由電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)的輸出功率等條件獲得。

參考電流的獲取過(guò)程原理如圖6。

Upv光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost輸出直流電壓，Ipv光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost輸出直流電流，Ugird是電網(wǎng)電壓的有效值，Ppv是光伏器件的輸出功率。其中Ppv=Upv×Ipv，在不考慮電路損耗的情況下IERF=Ppv/Ugird。光伏電池的最大功率輸出保持在3200W 左右，與電網(wǎng)電壓平均幅值220v 相除，得到逆變器輸出電流的幅值，幅值乘以正弦，即得到給定電流。

5 仿真結(jié)果

我們利用Matlab對(duì)控制方式和電路進(jìn)行了仿真。

電流采樣仿真如圖7所示。

電流采樣的結(jié)果如圖8。其中上幅為采樣電流；下幅為d-q轉(zhuǎn)換后的dv和電壓波形對(duì)比。

逆變器仿真

逆變器的仿真結(jié)構(gòu)如圖9。逆變器仿真結(jié)果如10所示。

圖10中第一層示出采樣電流波形，第二層示出逆變器的電流，第三幅為電網(wǎng)電壓波形。由圖可以看出，逆變轉(zhuǎn)變后的電流波形與電網(wǎng)電壓同相。

6 結(jié)論

本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種并網(wǎng)逆變器，重點(diǎn)選擇和研究了主電路和控制方法，選擇了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了前級(jí)的Boost和后級(jí)的全橋逆變電路，分析了主電路各個(gè)部分的工作原理，并對(duì)主電路各個(gè)器件參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1]王愛(ài)超.光伏發(fā)電系統(tǒng)中單相并網(wǎng)逆變器的研究[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2012.96-105.

[2]日本光發(fā)電協(xié)會(huì)編，劉樹(shù)民，宏偉譯.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京：科學(xué)出版社，2006：58-72.

[3]趙爭(zhēng)鳴，陳劍，孫曉瑛.太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：389-400.

作者簡(jiǎn)介

趙若靜（1985-），女，山西省臨汾市人。現(xiàn)為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院教師。研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

作者單位

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省太谷縣市 030800