100kW光伏并网逆变器设计方案讲解

100kW光伏并网逆变器设计方案目录1. 百千瓦级光伏并网特点 (2)2 光伏并网逆变器原理 (3)3 光伏并网逆变器硬件设计 (3)3.1主电路 (6)3.2 主电路参数 (7)3.2.1 变压器设计............................................................................. 错误!未定义书签。

3.2.3 电抗器设计 (7)3.3 硬件框图 (10)3.3.1 DSP控制单元 (11)3.3.2 光纤驱动单元 (11)3.3.2键盘及液晶显示单元 (13)3 光伏并网逆变器软件 (13)1. 百千瓦级光伏并网特点2010年全球太阳能光伏发电系统装机容量将达到10000MWp（我国将达到400MWp），2010年以后还将呈进一步加速发展趋势。

百千瓦级大型光伏发电并网用逆变控制功率调节设备，成本低，效率高，容量大，被国内外光伏界公认为是适合大功率光伏发电并网用的最具技术含量、最有发展前景的新一代主流产品，直接影响到未来光伏发电的走向。

百千瓦级大功率光伏并网逆变电源其应用对象主要为大型光伏并网电站，从原理上讲，其并网控制技术与中小功率光伏并网系统的控制技术基本相同，但由于装置容量较大，在技术指标的实现达标和功能设计方面却有较大区别。

在技术指标上，主要会影响：1.并网电流畸变率在系统的额定容量达到一定数量级时，一些存在的技术问题将会逐步暴露并影响到系统的性能指标，其最重要的一点就是并网电流波形畸变率的控制和电流滤波方式。

该系统中的主变压器一般选择为三相Δ/Y型式，且容量较大，此时变压器的非线性和励磁电流对并网电流波形的影响不容忽视，否则会引起并网电流波形的明显畸变和三相电流不平衡。

2.电磁噪声由于是三相桥式逆变结构，受IGBT功率模块的开关频率限制及考虑系统的效率指标，系统的电流脉动要远高于中小功率系统，对电流的滤波和噪声控制需要特别注意，此时对系统的滤波电路设计和并网电流PWM控制方式的研究至关重要。

由于系统的dv/dt、di/dt和电流幅值较大，其EMI和EMC的指标实现可能存在技术难度，由于系统的噪声可能影响其电流、功率的检测和计算精度，在最大功率跟踪和孤岛效应识别等方面的影响还难以预计。

在技术指标上，主要考虑：1)主电路工艺结构设计2)散热工艺结构设计3)驱动方式设计2 光伏并网逆变器原理光伏并网发电系统将光伏阵列的直流电能转换为与电网同频同相的交流电能馈送给电网，并保证具有较高的并网功率因数。

光伏系统并网的三相逆变器的开发有多种思路。

设计决策的关键在于实现一个良好的系统并且使其满足客户的需要。

在5kW到1MW容量之间的较大规模光伏系统已日趋普及，随之而来的是光伏系统工业中三相并网逆变器重要性的提升。

2.1 光伏系统组成一个所谓的光伏系统包括一个光伏阵列及许多称作系统平衡(BOS)的部件，这些部件对使太阳能加以利用懂得准备工作是必需的。

一般来说一个光伏装置如图2-1所示。

图2-1 一个光伏系统的基本组成光伏阵列发出夹有变化的电压及电流的直流电，它可以直接向直流负载供电。

如果要向交流负载供电，就需要通过一个逆变器将光伏阵列发出来的直流电转化成规定电压和频率的交流电。

如果光伏阵列不是直接向负载供电的话就需要有一个存储装置。

大多数情况下这个装置是电池但还有其它技术诸如利用水泵存储器、飞轮、超导线圈及氢气等目前处于试验阶段，有的也已经投入运行了。

这种系统是独立于电网的。

增加这种小存储设备供电可靠性的一种方法是将光伏装置与其它类似的发电装置如柴油机发电装置或风能转换器相结合。

这些系统称为混合型系统。

本方案重点介绍并网的光伏系统。

这种系统相对便宜、易于控制，而且它们不需任何存储设备。

2.2 太阳能电池光伏系统内最小的组成部件是太阳能电池。

它是一种半导体装置、十分特殊的一种二极管。

在入射光的照耀下有自由电子产生，他们在电势差的作用下从P—N结处分离出来。

这样就会有电压产生，接有负载时就可产生电流(如图2-2所示)。

图2-2 太阳能结晶电池向电阻负载供电示意图目前，每年生产的太阳能电池中超过80%的是由硅制成的。

但是，也有其它的半导体材料在应用而且许多技术在研究中[1][2]。

薄膜技术可以节省很大开销。

目前它们主要用于消费产品及一些微型的独立应用。

到2010年它们有望成为除硅晶片外有价值的可供选择材料。

但是，它们仍然不可能完全取代硅晶片。

2.3 光伏组件为了使光伏发电在实际应用中易于控制，太阳能电池被安装于光伏系统组件内部。

在组件内部，电池通过串并联连接来达到要求的电压、电流。

特殊的组件是根据物理结构决定的机械和光学特性来选择的。

玻璃/tedlar典型组件是大批量生产的标准型组件。

为易于安装它们通常有一个铝制框架。

但是，也有无框的玻璃/tedlar组件。

玻璃/tedlar组件主要应用于建筑中集成的光伏系统。

I sc和U oc分别是短路电流和开路电压。

MPP代表“最大能量点”，在U/I曲线上指所发出的功率达到它的最大值的点。

在MPP点处通常给出电流、电压比及功率的大小。

光伏系统组件的典型电压/电流曲线如图2-3所示图2-3 光伏系统组件的U/I曲线硅晶片元件的开路电压U MPP随温度的上升以大约0.4%的速度降低。

短路电流随温度的上升增加的极其缓慢，但它与太阳辐照度成比例增长。

2.4 光伏逆变器拓扑实际中的DC/AC转换通常是用脉冲宽度调制(PWM)的逆变器来实现的。

PWM转换器是设计来与电网连接的通常以电流源形式工作的。

当电压和频率由电网决定时，它们向电网注入最大电流，功率因数通常接近1。

如果电网断开，逆变器绝不可以继续工作。

逆变器设计的第一个重要决策是对主电路拓扑进行选择。

太阳能板极电压和并网应用电压都将决定拓扑的选择。

功率、温度和建模方式的综合作用将使直流输入电压变化范围扩大。

首要的拓扑思路是决定是否使用DC/DC变换器来对直流母线电压进行预调节，DC/DC变换器工作在一个较宽的直流输入范围内，但其价格较高且在工作点处的变换效率较低。

如果不使用DC/DC变换器，考虑太阳能电池板的耐压，光伏逆变器需要配置一50Hz的隔离变压器，隔离变压器则提供了网络结点电压应用的灵活性，但它却降低了系统的总效率。

本方案设计三相光伏并网拓扑结构如图2-4所示。

图2-4 三相光伏并网拓扑太阳能电池板输出的正负极接到三相全桥逆变电路的直流母线上，逆变桥输出经电抗器连接到工频隔离变压器一次侧，变压器二次侧通过一个交流接触器接到市电网。

考虑直流母线电压过低时，在同等功率条件下，母线电流增大，长线传输损耗会增大，而直流母线电压过高时，功率开关管的耐压受到限制，且太阳能阵列组允许承受的电压幅值（最大1000v）。

3 光伏并网逆变器硬件设计3.1主电路图1为采用工频变压器隔离的三相光伏并网逆变器的主电路。

文件夹：100kW 技术转让资料\电路图\100kw主电路.DDB\100kW主电路P1.SCH。

料单见电路图文件夹下的“100KW并网主电路料单.doc”。

图3-1工频变压器隔离的主电路太阳电池阵列输出直流电压，经防反二极管连接到逆变桥的直流母线，二极管主要防止夜间电网向太阳电池阵列反灌电能。

逆变桥使用SPWM技术进行DC/AC的输出转换，其交流侧经电抗器L与工频变压器连接，再由工频变压器隔离、升压并入电网。

逆变电路中的功率开关器件选用具有开关损耗低、工作频率高、安全工作区宽等优良特性的绝缘门极双极型晶体管IGBT，其额定电压由直流侧电压决定，并适当考虑安全裕量；变压器起隔离逆变器和电网的作用，逆变器功率器件开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小直流电流均被有效隔离和抑制，不会对电网产生不良影响。

3.2 主电路参数3.2.1 电压矢量分析为分析方便，将图3-1中变压器及其后级（电网侧）等效为电网，忽略主电路内阻，则主电路等效电路如图11所示。

其中，U n为逆变桥输出电压，U L为电感压降，U eb为等效电网电压，i为并网电流。

Un+-U L图3-2 主电路等效电路图3-2中，电压矢量满足等式：eb L n U U U += (1)根据图11中电压与电流参考方向，并网时，系统控制电感上的电流与电网电压同频同相，可得电压矢量如图3-3。

L图3-3 并网时电压矢量电压幅值满足下式：22eb L n U U U += (2)太阳电池板的耐压受一定限制，直流侧电压不能太高，设计直流电压最高不超过800V 。

3.2.2 变压器设计三相桥式PWM 逆变电路U 相和V 相输出端相对于直流电源中点电压的基波分量u UN1和u VN1分别为:[])sin(21Φ+=t a U u r d UN ω (3) ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-Φ+=)32sin(21πωt a U u r dVN (4)则输出线电压u UV 的基波分量为:)61sin(23)32sin()sin(21πωπωω+Φ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-Φ+-Φ+=t a U t a t a U u r d r r dUV (5) 当调制度a 为最大值1时，u UV1的幅值为d U 23。

考虑死区电压损失7％，则逆变桥输出线电压有效值为:d d n U U U 6.0%932321≈= (6) 按额定功率下电抗器压降U L 为U eb 的0.2倍考虑，同时考虑U L 有3倍的调节余量，由式(2)可得：eb eb eb eb L n U U U U U U 17.136.02222=+=+= (7)联立式(6)和式(7)，有：d eb U U 513.0= (8)假设太阳电池阵列工作电压范围400V ～800V ，变压器一次侧的电压有效值为：V V U U d eb 205400513.0513.0=⨯==因此，变压器可选择为一次侧200V ，二次侧380V 的Δ/Y 的工频变压器。

3.2.3 电抗器设计系统中并网滤波电抗的作用是连接电网和平滑并网电流，其参数的选择关系到并网电流波形的误差脉动幅度和跟踪电流的有效范围。

若电抗器L 值选择过大，则在同样开关频率下，输出电流纹波会较小；但电流跟踪幅值有效范围减少，太阳电池并网功率会受到限制；反之，若L 值选择过小，虽然电流跟踪有效范围增大，但输出电流纹波会较大，并产生与装置容量不符的较大的电磁噪声和干扰。

故电感值的设计选择应以满足并网功率要求和最小电流脉动幅度为设计约束条件。

当变压器一次侧为150V 时，根据系统额定功率P e （100kW ）可定出电抗器的额定电流：)(38415031000003A U P I eb e=⨯==工程上一般设计额定功率下电抗器压降U L 为U eb 的0.2倍考虑，即变压器一次侧150V 时，电抗器压降U L 为30V ，因此电抗器设计为380A/40V 。