并网逆变器仿真研究

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" !++6 年第 ! 期
光伏并网要求并网逆变器的输出电流与电网 电压之间保持一定的相位关系， 以此来保证并网 系统不对电网产生污染， 故并网系统中需存在锁 相环节， 以保证系统给定电流基本与电网电压同 步。本设计中采用硬件查表法来保证二者的相位 关系。首先通过电网电压检测电路获得电网电压 的信息， 其中主要获得电网电压的过零点； 由于过 零点附近存在大量的毛刺， 因此需要对检测电路 获得的电网信息进行滤波， 消除检测信号过零点 附近的毛刺； 然后利用两个电压比较器分别获得 与电网电压正、 负半周相对应的方波， 该方波将成 为同步和电网频率检测的依据， 利用所获得的 ! 个方波对 ! 个单稳触发器进行触发， 获得与电网 电压过零点相对应的窄脉冲， 两个窄脉冲通过逻 辑或门相 “ 加” ， 得到了包含电网电压过零点信息 的脉冲列， 因此该脉冲列信号即包含电网电压的 相位信息； 以此窄脉冲列作为复位信号对应硬件 查表法中的正弦波， 查表电路中的地址发生电路 进行复位， 即可保证电网电压过零时给定正弦波， 亦可相应地从零开始。虽然该锁相方式和传统的 锁相环路的结构不完全相同， 但是基本上可以满 足并网型逆变器的相位关系要求。 ! ! !" 最大功率点跟踪算法的实现 通过对给定电压跟踪、 功率回授、 扰动观测以 及电导增量几种最大功率点跟踪方法的比较， 发 现电导增量法以优良的跟踪性能备受青睐。电导 增量法是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与 导抗的变化量的方法来完成最大功率点跟踪的功 能。通过太阳能电池的 " # # 曲线 （ 图 $ 所示） 可 因此有 得最大功率值 " %&’ 处的斜率为零， " " " " " " " ( $% " " " " )% )" (% *$ (+ )$ )$ % &% ( # &$ $ （!） （$） （,）
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防爆电机!
! ! ! （ UV,1W0RWQ 5 ,XWW2 U1UY-XRY +4YZRQU ） ! ! ! ! 第 3’ 卷 （ 总第 ’"& 期） !
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! "##6 年第 " 期
电导增量法实现 +,,- 单级光伏 并网逆变器的仿真研究
叶满园
华东交通大学电气工程学ຫໍສະໝຸດ ， 江西南昌 （ ..##’. ）
图 $" 太阳能电池阵列的曲线
$" 仿真与实验
为了研究上述方案的可行性， 依照图 3 的原 理图用电力电子专用软件 /.45 67 + 进行了仿真， 滞环宽度为 +7 3 ， 分别对滤波电感为 3+%8、 9%8、 3%8 的情况进行了仿真， 波形如图 , 所示。由图 可见滤波电感越小输出电流波形越接近理想的正 弦波。
! 收稿日期： "##$%#&%’$(
! 叶满园! 男! ’&)* 年生； 硕士研究生， 毕业于华东交通大学电力电子传动专业； 研究方向为电力电子技术及应用 (
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/ / )**5 年第 ) 期/ / / / / （ 78!+9(:9; < !=99, 7+7>?=:> #@>A:;7 ） / / / / / 第 %. 卷 （ 总第 .)6 期） / / / /
图 ./ 单级光伏并网逆变器结构框图/ / /
响 并网电流 %* 。当功率器件的开关频率很高时， 应速度非常快， 并且对负载及电路参数的变化很 不敏感。电流滞环控制通过反馈电流与给定的参 考电流相比较， 当反馈电流低于参考电流一定差 值时， 调节主电路功率开关的状态使系统的输入 侧电流增大； 反之， 当反馈电流高于参考电流一定 值时， 调节主电路功率开关的状态使系统输入侧 电流减小。通过这样不断地进行滞环比较调节， 保证输入侧电流始终跟踪给定电流， 且处于滞环 带中。 $$
#! 引言
可再生能源的开发利用是国内外近十几年来 的热点研究项目， 太阳能光伏利用是其中的重要 分支之一。近年来， 随着太阳电池的生产规模的 扩大， 太阳电池成本不断下降， 光伏并网技术在国 外已走出了实验室的研究阶段， 进入了商业化市 场运行机制。由于光伏并网发电有无污染、 运行 时无机械运动部件和可靠性高等一系列优点， 因 此作为常规能源的补充， 近几年光伏并网在能源 结构中所占的比重逐年提高。美、 日、 德等西方发 达国家除兴建大规模的光伏电站外， 小功率光伏
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公式 （,） 为要达到最大功率点的条件， 即当输出 电导的变化量等于输出电导的负值时， 太阳能电 池阵列工作于最大功率点。电导增量法是多种最 大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法， 可以使系统在环境快速变化的情况下具有良好的 跟踪性能。在辐照度和温度变化时， 太阳能电池 $,
图 )/ 并网工作下的等效电路以及矢量关系图
式中， ! —光伏阵列的输出功率； !. —负载消耗的功率； ! " —向电网输出的功率； # "$ —电网电压的幅值； % "$ —并网电流的幅值； !—电网电压与并网电流之间的相位差。
)/ 系统的实现
系统由两个部分组成， 分别为逆变部分和最 大功率点跟踪算法部分。逆变部分主要完成功率 变换功能； 最大功率点跟踪算法部分主要完成系 统给定正弦波的幅值运算功能， 以保证光伏阵列 工作在最大功率点附近。 ) ’ ./ 逆变部分的实现 单级式并网逆变器中逆变部分控制的关键量 是图 ) 中的 %* 。根据矢量图可知， 通过对 # & 的控 制， 可以完成对 %* 的控制； 还可以直接对 %* 进行 控制， 以完成对交流侧电流、 功率因数的控制。由 于电流滞环控制具有控制简单， 采用模拟器件很 容易实现的特点， 本文中采用电流滞环直接控制
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" " " （ :;/0<.4<= # /><<1 :0:?@>4? 5A?84=: ） " " " " 第 ,3 卷 （ 总第 3!B 期） " 阵列的输出电压能平稳地追随环境变化、 输出电 压摆动小。采用 -./$!+01!,+2 控制系统在最大 功率跟踪算法中主要完成运算功能。最大功率点 跟踪算法的实现， 主要依据电导增量法的基本原 理。首先检测光伏阵列的输出电压、 电流， 根据前 一采样周期光伏阵列的电压和电流计算出变化 量， 然后判断电压的变化量是否为零， 若为零， 则 再判断电流的变化量是否为零， 若都为零， 则表示 阻抗一致， 不需调节给定电流幅值。若电压变化 量为零， 电流变化量不为零， 则表示环境有变化， 若电流变化量大于零， 减小给定电流的幅值， 相反 则增加。若电压变化量不为零， 则公式 （, ） 是否 成立将是关键。若公式 （,） 成立， 表示阵列已经 工作在最大功率点； 若电导变化量大于负电导值， 则减小电流给定的幅值， 反之则增加。最后将本 次光伏阵列的电压、 电流值保存。
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随着电力电子及其控制技术的发展， 电压型 !"# 斩控技术越趋成熟， 电压型光伏并网逆变器更多 的被人们采用， 其中合肥工业大学新能源研究所 提出了一种电流寻优
［ $］
频、 同相， 同时希望通过调节输出电流的幅值使光 伏阵列工作在最大功率点附近。这里选择了并网 逆变器的输出电流作为被控制量。并网逆变工作 方式下的等效电路和电网电压、 并网电流矢量关 系如图 ) 所示。图中 # " 为电网电压； # & 为并网 逆变器交流侧电压； %* 为电感电流。由于并网逆 变器的输出滤波电感的存在， 使逆变电路的交流 侧电压与电网电压之间存在相位差。
设负载消耗的功率保持不变， 由式 （.） 可知， 并网电流可被调制成正弦波并且和电网电压同 相， 因此系统的功率因数近似为 . ； 从公式 （.） 还 可看出通过调制并网电流的幅值能够控制光伏阵 列的输出功率， 因此单级能量变换能够实现最大 功率跟踪功能。 综上所述， 单级能量变换结构的并网光伏逆 变器的控制目标为： 控制逆变电路输出的交流电 流为稳定的、 高品质的正弦波， 且与电网电压同
的光伏并网逆变器设计，
提高了系统的动态响应时间， 实现了正弦波电流 跟踪控制， 本文作者在此基础上提出了一种新型
［ %， &］ 的利用电导增量法 跟踪最大功率的电流型控
制方案， 并采用 ’(!$)*+,)%*- 芯片控制并实现 了真正的最大功率跟踪。
./ 单级并网光伏系统
单级式并网光伏能量变换环节的结构如图 . 所示。假设滤波电感、 滤波电容以及逆变电路的 损耗忽略不计， 忽略滤波电感的等效串联电阻， 光 伏阵列向本地负载和电网供电能力如下式 / / ! 0 !. " 0 !. 1 # "$ % "$ 234! ) （.）
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