浅论单相双级式光伏并网逆变器

浅论单相双级式光伏并网逆变器

单相双级式光伏并网系统就是用直流电和可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线，根据其工作原理来分析理论上的可行性，并进一步提出改进的变步长占空比扰动法，这样能有效提高快速性还有高效性。逆变器是以DSP为核心的并网策略，设计有并网逆变器电压、电流双闭环控制系统。双环中的外环是直流电来控制的，直流输入更加稳定。而内环则是并网电流控制的，输出电流与电网电压频率相同，相位也相同。现在还有一种有效跟踪锁相精度的软硬件组合的改进方法。而根据实验的结果，能发现并网逆变器可以最大功率进行点跟踪，还可以使输出电流的精确跟踪电网电压。

标签：单相双级式光伏并网逆变器；最大功率点跟踪；锁相环

太阳能是目前来说最清洁、规模最大、前景最好的可再生能源之一，太阳能光伏利用是很重要的发展走势。另外，高性能数字信号处理器（DSP）也使得一些控制策略能应用与光伏并网逆变器。而对太阳能并网的发电系统重要部分就是最大功率点跟踪MPPT（Maximum Power Point Traching）还有并网控制策略来进行一个更为深入的研究。

1 单箱双极式光伏并网系统

为了让太阳能电池实现最大化的效率，能将太阳能转化成电能，就必须对其进行MPPT。其中，光照强度、环境温度等都是不可控的条件，并且变化周期比较长，因此对MPPT的控制有很多不便之处。怎样能模拟太阳能电池的输出特性，能够使其简化研究中一些过程，还要控制其工作点来实现大功率输出是现在需要解决的一个问题。

以TMS320LF2407为例，由光伏阵列，DC/AC逆变环节，DC/DC变换环节，隔离变压器还有负载构成系统。DC/DC用来完成光伏阵列MPPT控制，DC/AC 完成直流逆变为交流。随后还要完成系统并网运行。Boost升压电路用在前级DC/DC中，由二极管，开关管，电感和电容所组成。当开关通时，二极管反偏，阵列向电感储存一定的电能，电感电流增大。开关关闭时，二极管导通，电感和阵列一起供给能量给电容，电感电流变小。电池阵列输出电流，要根据输入的电压开关所占空比。后级DC/AC逆变器用了全桥逆变，能够反向续流。可以在主电路配有工频变压器来保障与电网电压的匹配，并且和发电系统隔离开。

在整个系统里，太阳能电池可以输出额定50～100V的直流电压，并通过DC/DC转换成400V的直流电，再通过DC/AC得到220V的交流电，这样和电网电压就同频同相了。

2 太阳能电池特征和模拟电路

太阳能板是由许多电池板组成的，每个电池都是P-N截面的半导体，可以

直接转换光能。当其电池输出电压最大的时候，功率很小，在特定光强和环境温度下，必须使其在特定电压或者电流之下才可以输出最大功率。

对太阳能电池进行MPPT实验，用直流电和可变电阻模拟其输出特性的曲线，电压来模拟太阳能电池输出电压，设置功率变换电路，DC/DC变换器用Boost 变换器。对光伏发电系统来说，如果阵列输出电流不能连续，就会造成能量的部分损失。并且，大多光伏阵列输出电压比较低，而负载则需要在较高电压下工作，所以需要电压提升和输入电流要连续工作的Boost电路才能完成这个光伏系统的MPPT控制器。

3 MPPT和变换器的控制

可以用一种变步长的占空比扰动法来实现此项MPPT的功能，其工作原理为：对太阳能电池在不同工作地点进行检测其输出功率，然后对比，找出其确定日照与温度条件下输出最大功率的时候所相对的占空比。方法有两种：

3.1 让电池在某个确定占空比工作，检测输出功率，以定步长L1扰动PWM 信号的占空比。将输出功率铅华和扰动前的进行对比，如果值变大，表示扰动的方向无误，如果值减小，则把反方向L1为步长再次扰动。直到功率得出最大值。

3.2 设置一个功率Px作为一个起始值，然后选择较小的步长L2，搜索的方法与1相同，直到找出最大值（最大功率点）。以此类推，等到步长减小为最小单位的时候则可以找到最大功率点Py。

此外需要注意，如果Pn=Pn-1，就是二者是最先搜出的最大功率点，需要停止搜索，然后进行下一轮。与传统占空比扰动法比起来不同之处为，每当找到最大功率点Pm之后，不能进行扰动了，则是要停止。这样可以避免浪费能源，提高系统的效率。

在扰动停止之后，检测系统输出功率然后和Pm进行比对，若相同则是最大功率点，不同则继续寻找。

4 实现并网控制

4.1 电流控制

为了保证系统能够正常和稳定的运行，首先要采用调整逆变器输出电压大小还有相位控制系统有功和无功的输出问题，用锁相控制技术来与市电进行同步。但是又因为锁相回路响应慢，这样就不容易精确控制其输出电压了。因此要采用电流控制，先要控制逆变器的输出电流，跟踪电网的电压，使其相同。这样可以保持系统功率因数是1，可以和电压源并联运行。这个方法是运用较多，控制方法也比较简单的。

4.2 电压电流双闭环控制

让其逆变器输出的电流跟踪电网电压，保证频率和相位与其一致。太阳能光伏并网系统用双闭环控制策略，双闭环的外环是直流电压控制的，这样能控制并网逆变器直流输入端的电容电压更稳定。内环则是并网电流控制的，这样能控制并网逆变器的输出电流还有电网电压能够相同一致。外环电压值为MPPT输出值，反馈值是阵列输出电压值，二者间进行误差调节。

4.3 实现同步锁相环

同步锁相环可以保证并网电流和电压严格同频和同相，因此在发电系统中是非常重要的。其功能是调节逆变器来输出电流，让其与电网电压慢慢达到同步锁定的状态，这个系统中的锁相控制的环节是由硬件和软件的部分来实现的。

进行这个过程的同时，需要F2407来采集电网电压信号的准确相位，并要有硬件电路的辅助，把电网正弦波的电压信号进行过滤，然后转成同步的方波信号，它们具有相同过零点，也就是所谓的过零点产生脉冲跃变。方波信号输入F2407的外部中断口后，捕捉电网电压的过零点。在检测到有同步信号时候便产生同步中断。然后指针复位。再把PI调节，得到电流指令，与正弦表指针相对的数据相乘即可。

5 结束语

本文中的有输出隔离变压器的单箱双极式光伏并网逆变器，可以适应宽范围的直流输入电压，较低开关的频率之下能用调制方式改善并网电流的波形，可以使电流总畸变率小于3%，能够有效减少开关的损耗，提高工作效率。其控制电路的芯片采用的是TI公司的TMS320LF2407A，前级DC/DC变换器可以实现MPPT，后级DC/AC逆变环节可以让输出电流和电网的电压相同频率、相位，还能得到单位功率因数。这种变换器还能改进变步长占空比扰动观察法，集成了传统扰动法的优点还能在不同的寻优阶段用不同步长进行最大速度跟踪系统的最大功率点，提高了系统的快速还有高效性。在扰动到步长比特定值小了之后，保持当前点的稳定，这样可以减少因扰动带来的功率损耗，还可以进一步接近理论上最大功率点。后级逆变器用的是全桥逆变电路，其利用电流、电压双闭环控制来达到同电网电压频率、相位一样的电流。在整个实验中，该工作系统的稳定性较好，性能更可靠。

参考文献

[1]戴训江，晁勤.一种新颖的并网逆变器自适应电流滞环控制策略[J].电力自动化设备，2009，29（9）.

[2]罗明，杨金明.双极式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术，2009，43（5）.

[3]杨军.光伏并网逆变器的研制[J].北京交通大学，2007.