光伏并網逆變器控制與仿真設計

　　摘要：為了達到提高光伏逆變器的容量和性能目的，采用并聯型注入變換技術。根據逆變器結構以及光伏發電陣電流源輸出的特點，選用工頻隔離型光伏并網逆變器結構，并在仿真軟件PSCAD中搭建光伏電池和逆變器模型，最后通過仿真與實驗驗證了理論的正確性和控制策略的可行性。

　　關鍵詞：太陽能光伏發電系統；太陽能電池組件；并網變換器；PSCAD

　　近年來，應用于可再生能源的并網變換技術在電力電子技術領域形成研究熱點。并網變換器在太陽能光伏、風力發電等可再生能源分布式能源系統中具有廣闊發展前景。太陽能、風能發電的重要應用模式是并網發電，并網逆變技術是太陽能光伏并網發電的關鍵技術。在光伏并網發電系統中所用到的逆變器主要基于以下技術特點：具有寬的直流輸入范圍；具有最大功率跟蹤（MPPT）功能；并網逆變器輸出電流的相位、頻率與電網電壓同步，波形畸變小，滿足電網質量要求；具有孤島檢測保護功能；逆變效率高達92％以上，可并機運行。逆變器的主電路拓撲直接決定其整體性能。因此，開發出簡潔、高效、高性價比的電路拓撲至關重要。

　　1 逆變器原理

　　該設計為大型光伏并網發電系統，據文獻所述，一般選用工頻隔離型光伏并網逆變器結構，如圖1所示。光伏陣列輸出的直流電由逆變器逆變為交流電，經過變壓器升壓和隔離后并入電網。光伏并網發電系統的核心是逆變器，而電力電子器件是逆變器的基礎，雖然電力電子器件的工藝水平已經得到很大的發展，但是要生產能夠滿足盡量高頻、高壓和低EMI的大功率逆變器時仍有很大困難。所以對大容量逆變器拓撲進行研究是一種具有代表性的解決方案。作為太陽能光伏陣列和交流電網系統之間的能量變換器，其安全性，可靠性，逆變效率，制造成本等因素對于光伏逆變器的發展有著舉足輕重的作用，決定著光伏發電系統的投資和收益。市場主流光伏變換器大都采用電壓源型變換器，因為光伏電池的電流源輸出特性，所以為滿足光伏電池的直流端電壓可能大幅度變化的特性，都采用二級變換的技術方案，這導致變換效率的降低。大功率電流源變換技術因為強迫斷流緩沖電容的高價，低可靠性，使電流源型變換器的應用受到限制。注入式電流源型變換器的直流側電流電壓全控特性，使光伏電池發出的直流電僅經一級變換就可以完成，這一的特性使電流源型變換器有可能成為高效的光伏變換技術方案。

　　1．1 兩電平逆變器

　　傳統的逆變器通常也稱為兩電平變換器，并網逆變器一般使用橋式電路，這種拓撲結構比較簡單。太陽能光電池具有電流源型特性，光伏陣列串聯大電感后相當于電流源，以這種方式并接入電網，稱為電流源并網。為改善并網電流，在交流側需要加濾波電容器，光伏電池要串聯電感才能接在相應的直流母線上。由于大電感的存在，使直流回路電流不易變化，在逆變器開關動作時，如果不能保證逆變器輸入電流穩定，則易產生很高的di／dt，影響逆變器的安全運行。

　　1．2 多級注入式電流源型逆變器

　　將諧波注入的概念用在功率變換器已經有半個多世紀的歷史。但是將諧波注入用于功率變換器中作為減少諧波含量的一種方法。多級注入電流幅度與工作條件相匹配，通過附加晶閘管觸發控制和利用紋波電壓實現自然換相，注入電流的頻率和相位與供給電源取得同步。建立在直流電流和注入電流的固定幅值關系上，各種工作條件下的最優的諧波抑制得到保證，交流電流波形和直流電壓波形質量進一步提高。在文獻中，提出了一種新的直流電流注入的概念，并且發現了6倍基頻的注入電流用在12脈沖電流源變換器能夠起到完全抑制諧波的效果。其中非常規系統的研究方法來尋找注入電流波形的幅值，從而達到最小諧波畸變率的目的。并且經過嚴格的數學分析概括總結了這種思想，導出了能夠完全消除標準12脈波電流源變換器交流測輸出波形諧波的理想注入波形。12脈波電流源變換器，主電路的工作模式和普通三相全控橋式變換器相同，每個橋中的6個晶閘管間隔60°依序觸發導通，每個主橋開關導通120°。這樣，對兩個并聯的三相全控橋而言，每隔30°觸發一支橋臂上的開關，任意時刻都有兩只開關導通。它不需要交流系統提供換相電壓，與交流系統同步連接可以作為整流器運行也可作為逆變器運行。當有功功率從交流系統向直流系統輸送時，該裝置工作在整流狀態，當有功功率從直流系統向交流系統輸送時，此裝置工作在逆變狀態。多級注入式電流源型逆變器（MLCR—CSC）的直流電壓可正可負，變換器需要采用具有對稱特性的開關器件，即具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力的器件。所以IGBT不可以直接用于MLCR—CSC，二極管與IGBT串聯可以滿足這種性能要求，但是器件串聯又會引起額外的功率損耗。由于MLCR—CSC的相對較低的開關頻率，晶閘管適用于大功率的MLCR—CSC。由于直流側電感的存在，使得直流電流單向流動，而直流電壓極性可能瞬時改變，所以多級注入式電流源變換器需要的開關器件應具有雙向電壓阻斷能力和單向電流流通能力。

　　2 實驗仿真

　　2．1 太陽能電池模型搭建

　　根據文獻原理光伏電池的等效電路見圖2。在此基礎上搭建輸出0～450 V的直流電源在PSCAD中，模型如圖2所示。該仿真模型選取的是典型光伏參數，組件選用型號為YL85（17）1010×660，主要參數為：輸出峰值功率85 W、峰值電壓17．5 V、峰值電流4．9 A、開路電壓22 V、短路電流5．3 A。要求光伏陣列輸出5 000 W，可推算光伏組件連接方式為20串3并。