光伏并网逆变器控制和仿真

摘要：为了达到提高光伏逆变器的容量和性能目的，采用并联型注入变换技术。根据逆变器结构以及光伏发电阵电流源输出的特点，选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，并在仿真软件PSCAD中搭建光伏电池和逆变器模型，最后通过仿真与实验验证了理论的正确性和控制策略的可行性。
关键词：太阳能光伏发电系统；太阳能电池组件；并网变换器；PSCAD

    近年来，应用于可再生能源的并网变换技术在电力电子技术领域形成研究热点。并网变换器在太阳能光伏、风力发电等可再生能源分布式能源系统中具有广阔发展前景。太阳能、风能发电的重要应用模式是并网发电，并网逆变技术是太阳能光伏并网发电的关键技术。在光伏并网发电系统中所用到的逆变器主要基于以下技术特点：具有宽的直流输入范围；具有最大功率跟踪(MPPT)功能；并网逆变器输出电流的相位、频率与电网电压同步，波形畸变小，满足电网质量要求；具有孤岛检测保护功能；逆变效率高达92％以上，可并机运行。逆变器的主电路拓扑直接决定其整体性能。因此，开发出简洁、高效、高性价比的电路拓扑至关重要。

1 逆变器原理
    该设计为大型光伏并网发电系统，据文献所述，一般选用工频隔离型光伏并网逆变器结构，如图1所示。光伏阵列输出的直流电由逆变器逆变为交流电，经过变压器升压和隔离后并入电网。光伏并网发电系统的核心是逆变器，而电力电子器件是逆变器的基础，虽然电力电子器件的工艺水平已经得到很大的发展，但是要生产能够满足尽量高频、高压和低EMI的大功率逆变器时仍有很大困难。所以对大容量逆变器拓扑进行研究是一种具有代表性的解决方案。作为太阳能光伏阵列和交流电网系统之间的能量变换器，其安全性，可靠性，逆变效率，制造成本等因素对于光伏逆变器的发展有着举足轻重的作用，决定着光伏发电系统的投资和收益。市场主流光伏变换器大都采用电压源型变换器，因为光伏电池的电流源输出特性，所以为满足光伏电池的直流端电压可能大幅度变化的特性，都采用二级变换的技术方案，这导致变换效率的降低。大功率电流源变换技术因为强迫断流缓冲电容的高价，低可靠性，使电流源型变换器的应用受到限制。注入式电流源型变换器的直流侧电流电压全控特性，使光伏电池发出的直流电仅经一级变换就可以完成，这一的特性使电流源型变换器有可能成为高效的光伏变换技术方案。

1．1 两电平逆变器
    传统的逆变器通常也称为两电平变换器，并网逆变器一般使用桥式电路，这种拓扑结构比较简单。太阳能光电池具有电流源型特性，光伏阵列串联大电感后相当于电流源，以这种方式并接入电网，称为电流源并网。为改善并网电流，在交流侧需要加滤波电容器，光伏电池要串联电感才能接在相应的直流母线上。由于大电感的存在，使直流回路电流不易变化，在逆变器开关动作时，如果不能保证逆变器输入电流稳定，则易产生很高的di／dt，影响逆变器的安全运行。
1．2 多级注入式电流源型逆变器
    将谐波注入的概念用在功率变换器已经有半个多世纪的历史。但是将谐波注入用于功率变换器中作为减少谐波含量的一种方法。多级注入电流幅度与工作条件相匹配，通过附加晶闸管触发控制和利用纹波电压实现自然换相，注入电流的频率和相位与供给电源取得同步。建立在直流电流和注入电流的固定幅值关系上，各种工作条件下的最优的谐波抑制得到保证，交流电流波形和直流电压波形质量进一步提高。在文献中，提出了一种新的直流电流注入的概念，并且发现了6倍基频的注入电流用在12脉冲电流源变换器能够起到完全抑制谐波的效果。其中非常规系统的研究方法来寻找注入电流波形的幅值，从而达到最小谐波畸变率的目的。并且经过严格的数学分析概括总结了这种思想，导出了能够完全消除标准12脉波电流源变换器交流测输出波形谐波的理想注入波形。12脉波电流源变换器，主电路的工作模式和普通三相全控桥式变换器相同，每个桥中的6个晶闸管间隔60°依序触发导通，每个主桥开关导通120°。这样，对两个并联的三相全控桥而言，每隔30°触发一支桥臂上的开关，任意时刻都有两只开关导通。它不需要交流系统提供换相电压，与交流系统同步连接可以作为整流器运行也可作为逆变器运行。当有功功率从交流系统向直流系统输送时，该装置工作在整流状态，当有功功率从直流系统向交流系统输送时，此装置工作在逆变状态。多级注入式电流源型逆变器(MLCR—CSC)的直流电压可正可负，变换器需要采用具有对称特性的开关器件，即具有双向电压阻断能力和单向电流流通能力的器件。所以IGBT不可以直接用于MLCR—CSC，二极管与IGBT串联可以满足这种性能要求，但是器件串联又会引起额外的功率损耗。由于MLCR—CSC的相对较低的开关频率，晶闸管适用于大功率的MLCR—CSC。由于直流侧电感的存在，使得直流电流单向流动，而直流电压极性可能瞬时改变，所以多级注入式电流源变换器需要的开关器件应具有双向电压阻断能力和单向电流流通能力。

2 实验仿真
2．1 太阳能电池模型搭建
    根据文献原理光伏电池的等效电路见图2。在此基础上搭建输出0～450 V的直流电源在PSCAD中，模型如图2所示。该仿真模型选取的是典型光伏参数，组件选用型号为YL85(17)1010×660，主要参数为：输出峰值功率85 W、峰值电压17．5 V、峰值电流4．9 A、开路电压22 V、短路电流5．3 A。要求光伏阵列输出5 000 W，可推算光伏组件连接方式为20串3并。

    由图3的光伏阵列的仿真模型，得出I-U特性曲线和P-U特性曲线如4所示。

    通过计算得出的最大功率为5．1 kW，与模型输出的功率基本吻合，输入量的其他参数也基本吻合，故可以在工程实践中使用。
2．2 逆变器拓扑电路
    在该拓扑结构(见图5)中主控桥采用由两组并联的三相全桥串联组成一个12脉波电流源变换器。主桥由24个换流阀组成，每一个开关阀由一个晶闸管组成。其交流侧通过变压器串联而成。变压器分别采用Y／Y和Y／△连接，变比分别为Kn：1和Kn：。构成与Y／△相连的6脉波变换器的触发脉冲整体滞后于与Y／Y相连的6脉冲变换器30°，使得两变换器的输出在变压器一次侧各相电压同相。图中的注入电路是由晶闸管与二极管的串联或反串联构成，与上桥所接的开关是晶闸管与二极管反串，下桥则相反，通过对晶闸管发出不同触发脉冲来实现逆变器的四象限运行，同样使上桥注入理想电流波形，使波形输出理想。

    图6下主桥注入电流波形上部与下部对应三相桥输出直流电流大小相等，相位差为15°，电感支路电流为叠加少量纹波的直流，各支路电流平均值为IDC／6。交流电压、电流波形见图7。多电平电流波形的正弦度较好，电压波形有明显的毛刺，这是由开关切换时电感能量转移引起的，各开关器件引入阻容吸收回路后，可使电压毛刺明显减少。

    图8中，CH1是A相电压波形；CH2是B相电压波形；CH3是C相电压波形。结论是三相电压正弦波形上叠加一些毛刺，与仿真相吻合。

3 实验结论
    各注入支路电力电子开关最佳组合控制方案的确定。多个注入支路具有多种开关组合方案，如何以较低复杂程度的开关组合方案实现变换要求，是研究的主要技术难点之一。在仿真中，使用PSCAD做了6级电流注入的研究，证明了该系统无需加设滤波器以及采用PWM技术，就能得到理想的输出波形。正是由于该装置具有非常低的谐波畸变率以及低的开关损耗，因此该装置很适合应用于大功率的应用场合。