《綜合性可行性報(bào)告資料》高效太陽能逆變器開發(fā)思路和方案

1、內(nèi)容摘要： 摘要：針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法研究進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述。從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對(duì)逆變器的要求出發(fā)，分析了各種不同的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法，比較其運(yùn)行效率和控制效果。對(duì)于目前國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決的問題進(jìn)行了闡述，指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行的發(fā)展方向。摘要：針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件 逆變器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法研究進(jìn)行了詳細(xì)分析和闡述。從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對(duì)逆變器的要求出發(fā)，分析了各種不同的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法，比較其運(yùn)行效率和控制效果。對(duì)于目前國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決

2、的問題進(jìn)行了闡述，指出光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；最大功率點(diǎn)跟蹤；孤島效應(yīng) O 引言 由于傳統(tǒng)能源的枯竭和人們對(duì)環(huán)境的重視，電力系統(tǒng)正面臨著巨大變革，分布式發(fā)電將成為未來電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。其中，光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為技術(shù)含量高、最有發(fā)展前途的技術(shù)之一。但是光伏發(fā)電系統(tǒng)存在著初期投資大、成本較高等缺點(diǎn)，因而探索高性能、低造價(jià)的新型光電轉(zhuǎn)換材料與器件是其主要研究方向之一。另一方面，進(jìn)一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)自身損耗、提高運(yùn)行效率，也是降低其發(fā)電成本的一個(gè)重要途徑。逆變器效率的高低不僅影響其自身損耗，還影響到光電轉(zhuǎn)換器件以及系

3、統(tǒng)其他設(shè)備的容量選擇與合理配置。 因此，逆變器已成為影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，研究其結(jié)構(gòu)與控制方法對(duì)于提高系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有極其重要的意義 5 。 本文從電網(wǎng)、光伏陣列以及用戶對(duì)于并網(wǎng)逆變器的要求出發(fā)，分析了不同的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法，比較了其運(yùn)行效率和控制效果。對(duì)于目前國內(nèi)外光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究現(xiàn)狀、亟待解決的技術(shù)問題進(jìn)行了綜合，進(jìn)一步指出了光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器高效可靠運(yùn)行的發(fā)展方向。 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列、逆變器和控制器 3 部分組成。逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，它完成控制光伏陣列最大功率點(diǎn)運(yùn)行

4、和向電網(wǎng)注入正弦電流兩大主要任務(wù)。 1 1 電網(wǎng)對(duì)逆變器的要求 逆變器要與電網(wǎng)相連，必須滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量、防止孤島效應(yīng)和安全隔離接地 3 個(gè)要求。 為了避免光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的污染，逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。影響波形失真度的主要因素之一是逆變器的開關(guān)頻率。在數(shù)控逆變系統(tǒng)中采用高速 DSP 等新型處理器，可明顯提高并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率性能，它已成為實(shí)際系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一；同時(shí)，逆變器主功率元件的選擇也至關(guān)重要。小容量低壓系統(tǒng)較多地使用功率場效應(yīng)管 (MOSFET) ，它具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率；但 MOsFET 隨著電壓升高其通態(tài)電阻增大，因而在高壓大容量系統(tǒng)中一般采用

5、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) ；而在特大容量系統(tǒng)中，一般采用可關(guān)斷晶閘管 (GTO) 作為功率元件6 。 依據(jù) IEEE 2000-929 7 和 UL17418 標(biāo)準(zhǔn)，所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)的功能。孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)并切離電網(wǎng)，使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與周圍的負(fù)載形成一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島 g 。防孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是對(duì)電網(wǎng)斷電的檢測。 為了保證電網(wǎng)和逆變器安全可靠運(yùn)行，逆變器與電網(wǎng)的有效隔離及逆變器接地技術(shù)也十分重要。 電氣隔離一般采用變壓器。在三相輸出光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其接地方式可參照國際電工

6、委員會(huì)規(guī)定的非接地 (I - T) 方式、單個(gè)保護(hù)接地 (T- T) 方式和變壓器中性線直接接地。而用電設(shè)備的外殼通過保護(hù)線 (PE) 與接地點(diǎn)金屬性連接 (T-N) 。 1 2 光伏陣列對(duì)逆變器的要求 由于日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度都會(huì)影響光伏陣列的功率輸出，因此必須通過逆變器的調(diào)節(jié)使光伏陣列輸出電壓趨近于最大功率點(diǎn)輸出電壓，以保證光伏陣列在最大功率點(diǎn)運(yùn)行而獲得最大能源。常用的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 方法有：定電壓跟蹤法、“上山”法、干擾觀察法及增量電導(dǎo)法。 1 3 用戶對(duì)逆變器的要求 從光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶來說，成本低、效率與可靠性高、使用壽命長是其對(duì)逆變器的要求。因此，對(duì)逆變器的要求通常是：

7、具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格篩選的元器件；具備輸入直流極性反接、交流輸出短路、過熱過載等各種保護(hù)功能。具有較寬的直流輸入電壓適應(yīng)范圍。由于光伏陣列的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，因此逆變器必須能在較寬的直流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，且保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。盡量減少中間環(huán)節(jié) ( 如蓄電池等 ) 的使用，以節(jié)約成本、提高效率。 2 逆變器結(jié)構(gòu)的發(fā)展為了能夠設(shè)計(jì)出盡量滿足上述各項(xiàng)要求的并網(wǎng)逆變器，大多數(shù)研究人員一直集中于逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法 2 方面的研究。它采用單級(jí)無變壓器、電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、魯棒性強(qiáng)；但受限于當(dāng)時(shí)開關(guān)器件水平，使系統(tǒng)的輸出功率因數(shù)只有 0 6 0 7

8、， 且輸出電流諧波大 引。隨著電子開關(guān)器件的發(fā)展， 高頻 ( 頻率 > 16 kHz) 雙極晶體管， MOSFET 或 IGBT 等逐漸取代了并網(wǎng)換相晶閘管。由于采用 PWM 全橋逆變電路和高頻開關(guān)電子器件，能夠很好地控制輸出諧波；但 16 kHz 2O kHz 開關(guān)頻率使得開關(guān)損耗增大，效率降低。單級(jí)逆變系統(tǒng)直接將直流轉(zhuǎn)換為交流，它的主要缺點(diǎn)是： 需要較高的直流輸入，使得成本提高，可靠性降低； 對(duì)于最大功率點(diǎn)的跟蹤沒有獨(dú)立的控制操作，使得系統(tǒng)整體輸出功率降低；結(jié)構(gòu)不夠靈活，無法擴(kuò)展，不能滿足光伏陣列直流輸入的多變性。因此，在直流輸入較低時(shí)，考慮采用交流變壓器升壓，以得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓與頻

9、率，同時(shí)可使得輸 入輸出之間電氣隔離。為帶工頻變壓器結(jié)構(gòu)的光伏逆變系統(tǒng)。其最大優(yōu)點(diǎn)是逆變器在低壓側(cè)，因此逆變橋可以采用高頻低壓器件MOSFET ，節(jié)省了初期投資；而且逆變器的控制在低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)，使得控制更易實(shí)現(xiàn)。此結(jié)構(gòu)還適用于大電流光伏模塊。工頻升壓變壓器體積大，效率低，價(jià)格也很昂 貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 采用高頻升壓變換能實(shí)現(xiàn)更高功率密度逆變。升壓變壓器采用高頻磁芯材料，工作頻率均在 20 kHz 以上。其體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電 ( 通常在 300 V 以上 ) ，再由工 頻逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變 。多轉(zhuǎn)換級(jí)

10、帶高頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)相比帶工頻變壓器的逆變結(jié)構(gòu)，功率密度大大提高，逆變器空載損耗也相應(yīng)降低，從而效率得到提高，但也導(dǎo)致了逆變器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。光伏逆變器由單級(jí)到多級(jí)的發(fā)展，使電能轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)增加，能夠便于滿足最大功率點(diǎn)跟蹤和直流電壓輸入范圍的要求；但是單級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)緊湊，元器件少，損耗更低，逆變器轉(zhuǎn)換效率更高，更易控制。因此，在結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)的前提下，盡可能提高直流輸入電壓，就能提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率。早期采用了集中式技術(shù)提高輸入電壓，如圖 4(a) 所示。將光伏模塊串并聯(lián)連接，產(chǎn)生直流高電壓和電流，以增加轉(zhuǎn)換效率。該結(jié)構(gòu)方式不夠靈活，會(huì)產(chǎn)生許多電能 質(zhì)量問題。現(xiàn)階段的光伏并網(wǎng)逆變器大多

11、采用串級(jí)型，其結(jié)構(gòu)如圖 4(b) 所示。把光伏模塊串聯(lián)輸入，同時(shí)盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，減少中間環(huán)節(jié)，導(dǎo)致如圖 4(c) 所示結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)更靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)，可即插即用。圖 4(d) 所示為多串級(jí)逆變器結(jié)構(gòu)，它融合了 串級(jí)的設(shè)計(jì)靈活、高能量輸出與集中型低成本的優(yōu) 點(diǎn)，是今后光伏并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢 。最近，一些新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和連接概念 被提出來，如主從連接概念、隊(duì)連接概念等。其研究不再僅僅局限于單個(gè)逆變器效率的提高，而是多個(gè)逆變器連接的效率即整個(gè)系統(tǒng)效率的提高。3 逆變器的控制策略光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相( 功率因數(shù)

12、為1) ，而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。這些都依賴于逆變器的有效控制策略。光伏并網(wǎng)逆變器的控制一般分為 2 個(gè)環(huán)節(jié)：第 1 個(gè)環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)功率點(diǎn)，即光伏陣列工作 點(diǎn)；第 2 個(gè)環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的跟蹤。同時(shí)，為保證光伏逆變器安全有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)必須具備一定的保護(hù)功能和防孤島效應(yīng)的檢測與控制功能。3 1 光伏陣列工作點(diǎn)跟蹤控制光伏陣列工作點(diǎn)的控制主要有恒電壓控制 (CVT) 和 MPPT 這 2 種方式。CVT 是通過將光伏陣列端電壓穩(wěn)定于某個(gè)值的方法，確定系統(tǒng)功率點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，系統(tǒng) 穩(wěn)定性好。但當(dāng)溫度變化較大時(shí)， CVT 方式下的光 伏陣列工作點(diǎn)將偏離最大

13、功率點(diǎn) r1 。MPPT 是當(dāng)前較廣泛采用的光伏陣列功率點(diǎn) 控制策略。它通過實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，跟蹤 陣列的最大工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率輸 出 r1 。它是一種自主尋優(yōu)方式，動(dòng)態(tài)性能較好， 但穩(wěn)定性不如 CVT 。其常用方法有“上山”法、干擾觀察法、電導(dǎo)增量法等，具體實(shí)現(xiàn)見文獻(xiàn)?，F(xiàn)在對(duì) MPPT 的研究集中在簡單、高穩(wěn)定性的 控制算法實(shí)現(xiàn)上，如最優(yōu)梯度法 r1 、模糊邏輯控制法等、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法一 等，也都取得了較顯著 的跟蹤控制效果。3 2 逆變器跟蹤電網(wǎng)控制對(duì)電網(wǎng)的跟蹤控制是整個(gè)逆變系統(tǒng)控制的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量和運(yùn)行效率。由于光伏并網(wǎng)逆變器是基于 PWM 逆變實(shí)

14、現(xiàn)的，所 以其控制屬于逆變器 PWM 電流控制方式 r1 引。較早出現(xiàn)的 PWM 非線性控制方法有瞬時(shí)比較方式和三角波比較方式 r1 引。    所示的瞬時(shí)比較方式，電流誤差的補(bǔ)償和 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生同時(shí)在同一控制單元完成，并且 構(gòu)成了閉環(huán)反饋，使得控制器實(shí)現(xiàn)簡單，具有良好的 動(dòng)態(tài)響應(yīng)和內(nèi)在的電流保護(hù)功能。但是它具有控制 延時(shí)、開關(guān)頻率不固定、無法產(chǎn)生零電壓矢量等不足，因此輸出電流波動(dòng)、諧波畸變率都很大。為避免器件開關(guān)頻率過高，可采用滯環(huán)寬度根據(jù)輸出電流 而自動(dòng)調(diào)節(jié)的滯環(huán)比較器；或采用定時(shí)控制的瞬時(shí) 值比較方式，但此方法的補(bǔ)償電流誤差不固定 l2 引。三角波比較方式的原理

15、，放大器 A 常采用比例或比例積分放大器。與瞬時(shí)值比較方式相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓中所含諧波較少 ( 含有與三角波相同頻率的諧波 ) ，器件的開關(guān)頻率固定 ( 等于三角波的頻率 ) ；但該方法硬件較為復(fù)雜，跟隨 誤差較大，放大器的增益有限，電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢 。目前更好的閉環(huán)電流控制方法是基于載波周期的一些控制方法，例如無差拍 PWM 技術(shù)。它是將目標(biāo)誤差在下一個(gè)控制周期內(nèi)消除，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差效果。此方法計(jì)算量較大，但其開關(guān)頻率固定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適宜于光伏并阿的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)引。隨著微處理器技術(shù)，尤其是數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論中許多先進(jìn)算法也被應(yīng)用到光伏逆變系統(tǒng)的控制中，

16、如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、模糊控制等，它們?cè)诟髯灶I(lǐng)域解決了某些控制問題，但同樣具有各種相應(yīng)的局限性。例如：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的精度依賴于模型訓(xùn)練樣本；自適應(yīng)控制要求在線辨識(shí)對(duì)象模型，算法復(fù)雜、計(jì)算量大；滑模變結(jié)構(gòu)控制存在系統(tǒng)抖振問題；模糊控制依賴于隸屬函數(shù)的選取，控制精度有待提高等。三相并網(wǎng)系統(tǒng)中，較多地采用將交流變量轉(zhuǎn)換為直流變量，將三相變換為兩相的控制策略，并提出在 d-q 同步參考坐標(biāo)系下基于空間矢量 PWM(SVPWM) 的線性電流控制器 z 。 SVPwM 控制在解耦的 d 軸和 q 軸形成電流控制環(huán)，具有固定的開關(guān)頻率，很好地輸出諧波頻譜，優(yōu)化了開關(guān)控制方案和直流電壓利用率

17、。但它輸出的電流質(zhì)量一般，并且不具備內(nèi)在的過電流保護(hù)能力。近幾年，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的綜合控制成為其研究發(fā)展的新趨勢。文獻(xiàn) 33- 研究了基于瞬時(shí)無功理論的無功與諧波電流補(bǔ)償控制，使得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)既可以向電網(wǎng)提供有功功率，又可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功和諧波電流補(bǔ)償。這對(duì)逆變器跟蹤電網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)特性要求更高。研究適合于這類逆變器的控制方法對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高具有重大意義。3 3 逆變器對(duì)于孤島效應(yīng)的檢測及控制逆變器直接并網(wǎng)時(shí)，除了應(yīng)具有基本的保護(hù)功能外，還應(yīng)具備防孤島效應(yīng)的特殊功能。從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的；孤島 發(fā)生時(shí)必須快速、準(zhǔn)確地切除并網(wǎng)逆變器，由此引出了對(duì)于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測

18、控制的研究。孤島效應(yīng)的檢測一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式檢測是利用電網(wǎng)監(jiān)測狀態(tài) ( 如電壓、頻率、相位等 ) 作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù) 9 。如果電網(wǎng)中負(fù)載正好與逆變器輸出匹配，被動(dòng)法將無法檢測到 孤島的發(fā)生。主動(dòng)檢測法則是通過電力逆變器定時(shí) 產(chǎn)生干擾信號(hào)，以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù) 9 ，如脈沖電流注入法 、輸出功率變化檢測法、主動(dòng)頻率偏移法和滑模頻率偏移法。 等。它們?cè)趯?shí)際并網(wǎng)逆變器中都有所應(yīng)用，但也存在著各自的不足。當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí)，頻率偏移法無法檢測到孤島效應(yīng)，即存在“檢測盲區(qū)。輸出功率變化檢測法雖不存在“檢測盲區(qū)”，然而光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受到光照強(qiáng)度等影響，其 光伏輸出功率隨時(shí)在波動(dòng)，對(duì)逆變器加入有功功率 擾動(dòng)，將會(huì)降低光伏陣列和逆變系統(tǒng)的效率。為了解決這個(gè)問題，光伏并網(wǎng)的有功和無功綜合控制方 法經(jīng)常被提出來。隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用，當(dāng)多個(gè)逆變器同時(shí)并網(wǎng)時(shí)，不同逆變器輸出的變化非 常大，從而導(dǎo)致上述方法可能失效。因此，研究多逆 變器的并網(wǎng)通信、