新型太陽能單相光伏逆變器應用性能研究

陳卓，李宗原，韓聰

（許昌開普檢測研究院股份有限公司，許昌 461000）

引言

傳統能源隨著使用正在逐漸減少，對可再生能源的開發利用勢在必行，其中代表性的可再生能源即為太陽能，其作為無污染的綠色潔凈能源，被越來越廣泛的應用于可再生能源開發中[1]。新型太陽能光伏發電從根本上解決了世界上逐漸減少的能源需求，被眾多學者研究而逐漸運用[2]。其中，光伏并網發電是眾多學者探討的主要方向之一，而光伏并網發電系統的核心部件即為并網逆變器，為避免電流諧波向電網內流入，需通過濾波器與電網連接，那么提升進入電網的電流質量便成為光伏并網發電系統的關鍵問題[3]。

逆變器開關頻率及其整數倍的頻率位置為并網電流高次諧波的關鍵聚集之處[4,5]。LLCL濾波器屬于一種新型的濾波裝置，其之所以較傳統濾波器有更優越的濾波效果，原因在于其將一個小電感值的電感串聯于傳統LCL濾波器的電容支路上，能夠與電容共同形成一個串聯諧振電路，且于開關頻率位置設置串聯諧振頻率，能夠更大的衰弱開關頻率位置的電流諧波，提升向電網輸送電流的質量[6]。基于此本文針對新型太陽能單相光伏逆變器進行研究與分析，為提高輸送到電網電流的穩定與質量奠定基礎。

1 新型太陽能單相光伏逆變器性能分析

1.1 太陽能光伏發電的構成

通過光伏組件半導體材料的光伏效應轉換太陽光輻射為電能的整個過程即為太陽能光伏發電[7]。其構成為：太陽能光伏電池陣列、蓄電池組、直流/交流逆變器與交直流負載等，優點為無噪音、無污染且便于維護等。太陽能光伏發電構成圖如圖1所示。

太陽能光伏發電的關鍵是太陽能光伏電池，當下太陽能光伏電池的類型主要有三種，分別為：單晶硅、多晶硅及非晶硅，其中光電轉換效率最高且最耐用的即為單晶硅[8-10]，所以在此采用單晶硅太陽能光伏電池設計本文系統。此電池板的短路電流與開路電壓分別為2.8 A、11 V。

圖1 太陽能光伏發電構成圖

1.2 單相并網電路拓撲結構與控制策略

1.2.1 單相光伏并網系統結構

由單晶硅太陽能光伏電池、逆變器、Boost DC/DC電路、操控電路共同構成單相光伏發電并網系統[11]。為調整太陽能光伏電池陣列的輸出電壓，需由前級Boost電路對占空比進行調整實現，達到追蹤最大功率點電壓的目的；太陽能光伏電池最大功率的并網傳輸通過后級逆變電路完成。單相光伏并網系統結構圖見圖2。

圖2 單相光伏并網系統結構圖

其中，由太陽能光伏電池陣列PV、LLCL濾波器、DC/AC逆變器、DC/DC變換器與電路對應的操控單元共同構成主電路。在Boost DC/DC電路內采用最高功率點追蹤控制方法對開關管的占空比進行操控，并對太陽能光伏電池在輸出最高功率時的電池端電壓eh進行追蹤，將作為DC/AC并網逆變操控內逆變器操控的瞬間參考電流，且的峰值為太陽能光伏電池最高功率追蹤輸出時的直流電流Lmax，相位與頻率是電網電壓的相位與頻率。因而此控制方法不僅可以令并網逆變器追蹤電網的相位和頻率，而且可及時輸送最高功率到電網，完成最高功率點的追蹤；除此之外，另將電網電壓前饋控制與濾波電容電流內環操控理念加入，提升整體控制系統的穩固性[12]。以往的逆變器輸出電流內的諧波分量大多采用LCL濾波器進行衰弱，這種濾波器的缺陷是當并網逆變器功率較高時，開關的頻率較低，使用此濾波器所需電感量較高，電感量值的提高對逆變器的操控不利且會造成成本的增長[13,14]。因此本文選用LLCL型濾波器用于并網逆變器的設計之中，不僅能夠將并網電流內的諧波分量降低，且可以減少電感設計。

1.2.2 控制策略

太陽能光伏電池運行時最高功率的變換電壓以Hqw表示，設其為逆變器前端DC/DC的輸出電壓，并將逆變器設為一個Gpwm電壓增益的變換器，基于此可將圖2內的并網逆變器和LLCL濾波器模型進行簡化成圖3所示的電路結構圖。

由LLCL濾波器將一個小電感串聯到以往的LCL濾波器電容支路內，與電容共同構成串聯諧振電路，其串聯諧振頻率表達式為：

通過圖3能夠將LLCL濾波器的等效模型得出，見圖4，并將系統開環的傳遞函數得出，其式為：

由于諧振尖峰的缺陷在使用LLCL濾波器的系統內依然存在，并且其增益高于0 dB，因此為令系統更加穩定，應對諧振尖峰給予控制。對LLCL濾波器的控制可采用LCL諧振的有源或者無源阻尼的控制方式。在此選用串聯諧振電路電流內環與網側電流外環的雙電流閉環有源阻尼方法，且將電網電壓的前饋控制方式加入，降低并網電流因電網電壓干擾或畸變帶來的擾動[15]。前饋控制原理圖見圖5。

其中，Lref、Lkfjb分別表示給定的參考電流信號與逆變器實際輸出的并網電流，網側電流外環調節器、串聯諧振電路電流內環比例調節器分別表示為Kx、G，并網逆變器實際輸出電流的傳遞函數可依據圖5得出，即為：

式中，并網輸出電流和參考電流存在直接相關性，通過以上前饋控制可消除電網電壓對并網電流的干擾。

圖3 LLCL濾波的單相光伏并網逆變器

圖4 LLCL濾波器等效模型

圖5 電網電壓前饋控制原理圖

1.3 網側電流外環PI控制

以電流內環為控制對象的網側電流外環控制模型見圖6所示。

表達式為：

將外環控制看作二階系統，那么其式為：

2 仿真實驗結果分析

通過對應用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統應用效果進行檢驗，可驗證新型太陽能單向光伏并網系統中逆變器應用性能。實驗采用Matlab/Simulink建立新型太陽能單向光伏并網系統的仿真模型，系統的仿真參數見表1。

圖6 網側電流外環控制模型

表1 系統仿真參數

2.1 動態性能

對實驗新型太陽能單向光伏并網系統中采用的本文所研究的并網逆變器進行仿真實驗，觀察實驗過程中并網電流和電網電壓的變化情況，具體變化情況見圖7。

通過圖7可看出，在并網逆變器仿真結果中，電網電壓在0.15 s時突然出現下降趨勢，并網電流幅值在0.09 s時下降一半，并網電流可及時追蹤參考電流，且抗電網電壓干擾性能較好，說明采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統具備較好的動態性能。

圖7 并網逆變器仿真結果

2.2 濾波性能對比

在仿真實驗中對電網電壓所存在的諧波次數進行模擬，分別為2、4、6、8、10次諧波。對新型太陽能單向光伏并網系統中所使用的LLCL濾波器與傳統LCL濾波器進行對比，通過對二種濾波器濾波時的并網電流分別進行傅里葉分析，得出對比結果。見圖8。

通過分析圖8可得出，在電網電壓存在較大的2、4、6、8、10次諧波時，傳統的LCL濾波器濾波時在開關頻率周圍聚集大量并網電流的高次諧波，且其并網電流的諧波總畸變率（THD）為0.55 %；而采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統的LLCL濾波器極大的衰弱了開關頻率周圍的并網電流諧波，且其THD值為0.38 %，低于LCL濾波器的THD值，由此說明，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統的LLCL濾波器性能更優越。

圖8 不同濾波情況下并網電流傅里葉分析

2.3 應用性能對比

在此設定四種光照強度，依次為：0～0.1 s時光照強度是900 W/m2、0.1～0.2 s時光照強度是100 W/m2、0.2～0.3 s時光照強度是700 W/m2、0.3～0.4 s時光照強度是200 W/m2，將四種光照強度分別作用到采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統的內光伏電池與單相光伏離網型系統內的光伏電池上，對比兩種系統在不同光照強度下，輸出電流的變化情況，驗證采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統應用性能，結果如圖9所示。

圖9 輸出電流對比

通過分析圖9能夠得出，采用所研究逆變器的新型太陽能單向光伏并網系統輸出的電流與入射光強度成正比，既能夠及時追蹤系統內光伏電池的最高功率，又能夠令輸出的并網電流更加穩定，說明所研究逆變器提高了新型太陽能單向光伏并網系統的運行質量，所研究逆變器的應用性能較好。

3 結論

本文建立新型太陽能單向光伏并網系統，對其核心位置的并網逆變器進行設計與分析，將LLCL濾波器用于逆變器中，可將諧波聚集較多的開關頻率位置的并網電流高次諧波衰弱，提升電流的質量，采用電網電壓前饋控制提升系統的抗干擾能性能，結合網側電流外環PI控制對電流內環進行控制，提升系統穩定性。通過仿真實驗驗證了本文系統的穩定性較好且輸出電流的質量較高，由此說明本文新型太陽能單相光伏逆變器具備優越的應用性能。