基于導(dǎo)抗變換器的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

盧春華，范秋鳳（安陽(yáng)工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

基于導(dǎo)抗變換器的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

盧春華，范秋鳳
（安陽(yáng)工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

在太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，于光伏并網(wǎng)逆變器是其中最關(guān)鍵的組成部分，一般情況下，其又包括了電流型與電壓型兩種。本文就針對(duì)于電壓型光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)當(dāng)中所U存在的問(wèn)題，來(lái)進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)研究，并設(shè)計(jì)出一種三相電流型光伏并網(wǎng)逆變器。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，本裝置能夠通過(guò)運(yùn)用導(dǎo)抗變換器，來(lái)完成光伏系統(tǒng)電流型并網(wǎng)。這樣一來(lái)，不僅能夠有效的促進(jìn)光伏發(fā)電效率的提升，同時(shí)，由于其裝置體積相對(duì)來(lái)說(shuō)更小，所以具有抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

逆變器；并網(wǎng)；導(dǎo)抗變換器；電流型

0　引言

在長(zhǎng)期的社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，全球都面臨著越來(lái)越重的環(huán)境與能源危機(jī)。在這樣的社會(huì)背景下，可持續(xù)發(fā)展道路已經(jīng)逐漸發(fā)展成為各個(gè)國(guó)家的共識(shí)，因此，我們必須要全面促進(jìn)可再生能源的發(fā)展與進(jìn)步。作為新能源發(fā)電的一種主要形式，分布式發(fā)電系統(tǒng)包括了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電等各種。而作為一種重要的清潔型能源，太陽(yáng)能自身具有明顯的儲(chǔ)量大、無(wú)污染特點(diǎn)，并因此而受到了人們的廣泛關(guān)注，使得太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)也引起了越來(lái)越多的關(guān)注。作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的核心組成部分，太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器最主要的作用，就是對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，并以此來(lái)將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，獨(dú)立的為局域網(wǎng)供電或者與交流電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。本文主要研究光伏并網(wǎng)，也就是光伏逆變器的輸出交流電能送到電網(wǎng)上去。為了獲得良好的并網(wǎng)性能和較高的功率因數(shù)，光伏逆變器的研究重點(diǎn)就在兩方面：1.DC-AC變流；2.并網(wǎng)電能同步鎖相。本文就這兩方面內(nèi)容做詳細(xì)研究設(shè)計(jì)。

1　逆變器的結(jié)構(gòu)分析

一般情況下，并網(wǎng)逆變器主要包括了電流型與電壓型這兩種類(lèi)型。其中，就針對(duì)于傳統(tǒng)的電壓型逆變器來(lái)說(shuō)，無(wú)論是其儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)能效率，還是價(jià)格與體積等，都比電流型的逆變器存在優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)，其自身還有著更加顯著的雙向并網(wǎng)逆變功能。但是其為了能夠有效的減少饋入電流所產(chǎn)生的電力諧波，就需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的反饋控制，這樣一來(lái)，將會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)電流受到嚴(yán)重的電網(wǎng)影響作用，并且其控制算法也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。但是，就針對(duì)于傳統(tǒng)的電流型逆變器來(lái)說(shuō)，其所運(yùn)用的，主要是一個(gè)大的直流電抗器，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電流型并網(wǎng)，從本質(zhì)上來(lái)講，其雖然不需要進(jìn)行反饋控制，但是將會(huì)使得系統(tǒng)的體積增大，這樣一來(lái)，就難以實(shí)現(xiàn)裝置的小型化與成本的降低。此外，為了能夠更好的抑制諧波，其將會(huì)進(jìn)一步加大電路的復(fù)雜性和系統(tǒng)成本，且抑制效果并不理想。有鑒于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，本文就提出了一種電流型并網(wǎng)逆變器，該逆變器主要是運(yùn)用導(dǎo)抗變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，能夠更加辯解的實(shí)現(xiàn)電壓源與電流源之間的轉(zhuǎn)換。

1.1導(dǎo)抗變換器結(jié)構(gòu)原理

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，導(dǎo)抗變換器其實(shí)指的就是導(dǎo)納—阻抗變換器的一個(gè)簡(jiǎn)稱(chēng)，其不僅可以進(jìn)行導(dǎo)納—阻抗的變換，同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)電壓源和電流源的合理變換。通常情況下，導(dǎo)抗變換器在弱電領(lǐng)域當(dāng)中的運(yùn)用，主要是使用霍爾元件、運(yùn)算放大器等。常見(jiàn)的導(dǎo)抗變換器主要包括下面四種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　四種導(dǎo)抗變換器的結(jié)構(gòu)組成圖

在上圖中，LCLC型結(jié)構(gòu)可以被當(dāng)做是LCL型的改型，同時(shí)，CLCL型也可以被當(dāng)做是CLC型的改型。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)LCL型與CLC型在輸出電流特性、效率特性均基本相似。一般LCL型的運(yùn)用范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)更加廣泛。由于在CLC型結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其只運(yùn)用了一個(gè)電感，所以，該電感內(nèi)阻對(duì)于電路計(jì)算所產(chǎn)生的影響也就相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。而CLCL型與LCLC型自身的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加復(fù)雜，導(dǎo)致其自身的哥哥元件本身對(duì)于輸入輸出的特性的敏感度更高，但是其效率特性反而沒(méi)有改進(jìn)，因此不建議使用。本文采用LCL型導(dǎo)抗變換器，如圖1（a）所示。其中，，其四端子表達(dá)式如下：

從式（3）中我們可以看出，就針對(duì)于導(dǎo)抗變換器的輸出電流i2與輸入電壓u1而言，兩者之間所存在的是正比例關(guān)系，也就是說(shuō)，電流i2并不會(huì)受到負(fù)載的影響作用，其只和電壓u1之間存在關(guān)系。

1.2并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2　三相電流型逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

從圖2中我們可以看出，并網(wǎng)逆變器的主電路前端是由VT1～VT2所組成的高頻逆變橋，該逆變橋的主要作用，就是對(duì)光伏電池所輸出的直流電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，并使之形成高頻脈寬電壓之后，再將其輸入到導(dǎo)抗變換器當(dāng)中，以此來(lái)完成電壓源到電流源之間的合理轉(zhuǎn)換。然后再在此基礎(chǔ)上，來(lái)通過(guò)運(yùn)用高頻變壓器TR，進(jìn)行其和電流等級(jí)之間的合理變換，完成這些之后，再經(jīng)過(guò)周波變換器來(lái)完成裂相調(diào)制，過(guò)濾掉高次諧波，完成并網(wǎng)工作。

下面，我們將對(duì)該電路的實(shí)際工作原理進(jìn)行分析：

（1）若光伏電池的輸出電壓是Ed，那么可以得出：UA=Ed。

（2）在經(jīng)過(guò)高頻逆變橋PWM脈寬來(lái)對(duì)Ed電壓進(jìn)行調(diào)制之后，選擇PWM脈寬電壓波形來(lái)對(duì)其進(jìn)行同步調(diào)制，因此左右應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng)，脈沖寬度為Dπ（D為占空比），如圖3所示。

圖3　高頻逆變橋PWM脈寬調(diào)制波形

圖中高頻逆變器的輸出電壓為

ωs——逆變器開(kāi)關(guān)調(diào)制頻率，即導(dǎo)抗變換器諧振頻率。將圖3所示波形展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，有

（3）從本質(zhì)上來(lái)講，導(dǎo)抗變換器其實(shí)就是一種比較特殊的帶通濾波器，其在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，通常只能夠允許諧振頻率附近的信號(hào)通過(guò)。通過(guò)式（3）的計(jì)算我們可以得出，導(dǎo)抗變換器能夠?qū)⑤斎氲碾妷涸催M(jìn)行有效的變換，并最終使之轉(zhuǎn)變成電流源輸出，與此同時(shí)，該電流通常為電壓的倍，因此，我們可以得C點(diǎn)電流為

（4）假設(shè)變壓器變比為1︰n，經(jīng)變壓器升壓之后，D點(diǎn)電流下降1/n，即：

在經(jīng)過(guò)周波變換器的裂相調(diào)制之后，我們能夠得出三相的輸出電流，即：

從式（8）當(dāng)中我們可以得出，在完成了上面的各項(xiàng)控制之后，最終輸出的可以是任意頻率的三相正弦電流，這也就從根本上完成了電壓源到電流源之間的有效變換。

2　控制方法分析

2.1同步鎖相策略

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，如果我們想要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的并網(wǎng)，就必須要保證逆變器的輸出電流和電網(wǎng)電壓之間做到同頻同相。在這樣的情況下，在并網(wǎng)逆變器當(dāng)中，實(shí)際的輸出電流Iout其實(shí)就是其最主要的目標(biāo)控制量。圖4為等效電路和電壓電流矢量圖，其中，Uout所代表的是并網(wǎng)逆變器的輸出電壓，Unet所代表的為電網(wǎng)電壓，而Iout則代表了并網(wǎng)逆變器的輸出電流。

圖4　等效電路和電壓電流矢量圖

從圖4中我們可以看出，我們要想實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的輸出，就必須要經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波，因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了能夠確保輸出電流和電網(wǎng)電壓的同頻同相，就必須要讓電網(wǎng)電壓比輸出電壓滯后。

2.2雙環(huán)控制策略

文本所運(yùn)用的主要是直接電流雙環(huán)控制的方法，來(lái)完成上述目標(biāo)。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)對(duì)比分析我們可以看出，該方法與其他直接電流控制大致相同。為了能夠更好的控制直流電壓的穩(wěn)定性，其外環(huán)的控制變量主要運(yùn)用直流母線(xiàn)電壓UC2。通過(guò)運(yùn)用增量式PID，來(lái)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，并得出實(shí)際所存在的偏差之后，再運(yùn)用PI調(diào)節(jié)器來(lái)對(duì)其加以處理，以此來(lái)形成一個(gè)正弦脈寬調(diào)制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。通過(guò)電流環(huán)控制并網(wǎng)變流器自流側(cè)和電網(wǎng)之間所存在的電能變換，這樣一來(lái)，變流器系統(tǒng)的抗干擾能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，主要就是取決于電流內(nèi)環(huán)的性能。

圖5　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)論

綜上所述，本文主要是把光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)和導(dǎo)抗變換器有效的結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)運(yùn)用導(dǎo)抗變換器，來(lái)完成三相電流型光伏并網(wǎng)。相比于電壓型并網(wǎng)，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特征；若與傳統(tǒng)的電流型逆變器相比而言，通過(guò)合理的運(yùn)用導(dǎo)抗變換器，來(lái)將光伏電池的電壓流加以轉(zhuǎn)換使之變成電流源，不僅能夠省去直流電抗器，還可以降低電抗器的體積，這樣一來(lái)，就可以在成本的降低的同時(shí)，來(lái)完成并網(wǎng)需要。

［1］李鵬飛.電力電子技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社.2012.01

［2］陳春根，黃躍杰等.四種導(dǎo)抗變換器的特性比較.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2004.26（6）

［3］秦碩等.光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì).太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015年2月

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.250