光伏并網(wǎng)逆變器控制和仿真

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(lián)型注入變換技術(shù)。根據(jù)逆變器結(jié)構(gòu)以及光伏發(fā)電陣電流源輸出的特點，選用工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，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(guān)鍵詞：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)；太陽能電池組件；并網(wǎng)變換器；PSCAD

近年來，應(yīng)用于可再生能源的并網(wǎng)變換技術(shù)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域形成研究熱點。并網(wǎng)變換器在太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源分布式能源系統(tǒng)中具有廣闊發(fā)展前景。太陽能、風(fēng)能發(fā)電的重要應(yīng)用模式是并網(wǎng)發(fā)電，并網(wǎng)逆變技術(shù)是太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中所用到的逆變器主要基于以下技術(shù)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(wǎng)逆變器輸出電流的相位、頻率與電網(wǎng)電壓同步，波形畸變小，滿足電網(wǎng)質(zhì)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(fā)出簡潔、高效、高性價比的電路拓撲至關(guān)重要。

1 逆變器原理
該設(shè)計為大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，據(jù)文獻所述，一般選用工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。光伏陣列輸出的直流電由逆變器逆變?yōu)榻涣麟?，?jīng)過變壓器升壓和隔離后并入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是逆變器，而電力電子器件是逆變器的基礎(chǔ)，雖然電力電子器件的工藝水平已經(jīng)得到很大的發(fā)展，但是要生產(chǎn)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(wǎng)系統(tǒng)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(fā)展有著舉足輕重的作用，決定著光伏發(fā)電系統(tǒng)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(shù)方案，這導(dǎo)致變換效率的降低。大功率電流源變換技術(shù)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(yīng)用受到限制。注入式電流源型變換器的直流側(cè)電流電壓全控特性，使光伏電池發(fā)出的直流電僅經(jīng)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(shù)方案。

。構(gòu)成與Y／△相連的6脈波變換器的觸發(fā)脈沖整體滯后于與Y／Y相連的6脈沖變換器30°，使得兩變換器的輸出在變壓器一次側(cè)各相電壓同相。圖中的注入電路是由晶閘管與二極管的串聯(lián)或反串聯(lián)構(gòu)成，與上橋所接的開關(guān)是晶閘管與二極管反串，下橋則相反，通過對晶閘管發(fā)出不同觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)逆變器的四象限運行，同樣使上橋注入理想電流波形，使波形輸出理想。

圖6下主橋注入電流波形上部與下部對應(yīng)三相橋輸出直流電流大小相等，相位差為15°，電感支路電流為疊加少量紋波的直流，各支路電流平均值為IDC／6。交流電壓、電流波形見圖7。多電平電流波形的正弦度較好，電壓波形有明顯的毛刺，這是由開關(guān)切換時電感能量轉(zhuǎn)移引起的，各開關(guān)器件引入阻容吸收回路后，可使電壓毛刺明顯減少。

圖8中，CH1是A相電壓波形；CH2是B相電壓波形；CH3是C相電壓波形。結(jié)論是三相電壓正弦波形上疊加一些毛刺，與仿真相吻合。

3 實驗結(jié)論
各注入支路電力電子開關(guān)最佳組合控制方案的確定。多個注入支路具有多種開關(guān)組合方案，如何以較低復(fù)雜程度的開關(guān)組合方案實現(xiàn)變換要求，是研究的主要技術(shù)難點之一。在仿真中，使用PSCAD做了6級電流注入的研究，證明了該系統(tǒng)無需加設(shè)濾波器以及采用PWM技術(shù)，就能得到理想的輸出波形。正是由于該裝置具有非常低的諧波畸變率以及低的開關(guān)損耗，因此該裝置很適合應(yīng)用于大功率的應(yīng)用場合。