光伏并网发电系统逆变器的研究

光伏并网发电系统逆变器的研究内容摘要：

电设备以交流供电为主，所以系统中需要逆变单元将直流电转换为交流电供负载使用，逆变器的效率将直接影响到整个系统的效率，因此光伏系统逆变器的控制技术就具有重要的研究意义。 4. 直流控制系统 在电能从光伏阵列到储能单元，再到逆变单元间的传输和交换过程，为了保证系统的高效与安全运行，还需要直流控制系统对整个过程进行调整、保护和控制，如最大功率点跟踪控制技术。 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 5 2. 并网逆变器电路结构的分析 并网逆变器的拓扑 针对并网逆变技术的现状和发展趋势，具体比较逆变器结构拓扑如下，根据输入输出隔离变压器的类型可以分为低频环节并网逆变、高频环节并网逆变以及非隔离型并网逆变。 [4] 低频环节并网逆变 1. 电路结构 低频环节并网逆变器结构如图 2 所示，该电路结构由工频或者高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。 LC滤 波 器LC太 阳 能 电 池或 者 蓄 电 池工 频或高 频逆 变器工 频 变 压 器滤 波 器电 网 图 2 低频环节并网逆变器电路结构 2. 拓扑族 低频环节并网逆变器可以由方波、阶梯波合成、脉冲调制等逆变器来实现。 其中拓扑族包括半桥式、全桥 式等电路，如图 3 所示。 a ) 半 桥 式a ) 全 桥 式图 3 低频并网逆变器拓扑族 这类低频环节并网逆变器具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变换、高效率、变压器体积和重量大、音频噪音大等特点。 高频环节并网逆变 1. 电路结构 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 6 高频环节并网逆变器电路结构如图 4 所示，该电路结构由高频逆变器、高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出滤波器构成。 LC滤 波 器高 频逆 变器高 频 变 压 器滤 波 器整流器电 网工 频逆 变桥 图 4 高频环节并网逆变器电路结构 2. 拓扑族 高 频并网逆变器拓扑族包括单管正激式、双管正激式等电路，见图 5 图 5 高频并网逆变器拓扑族 这类电路具有高频电气隔离、结构简洁、单相功率流、三级功率变换、直流变换级工作在 SPWM、工频逆变桥功率开关电压应力低且为 ZVZCS 等特点。 非隔离型并网逆变 对于非隔离型并网逆变通常是需要通过无变压器隔离的 DC/DC 变换器将很低的输入电压变换为高压输出供逆变桥使用，电路如图 6 所示。 D C / D C逆变器直 流 升 压 变 压 器滤 波 器 图 6 非隔离型并网逆变结构 并网逆变系统 /独立供电系统的 工 作原理 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 7 主电路拓扑结构分析 并网发电 /独立供电系统是一种将有源逆变与无源逆变结合于一体的逆变装置，除了需要两种不同的控制策略外，还需要两套不同主电路拓扑结构，但是发现这两种逆变主电路的不同之处在于滤波环节不同，实际上可以通过对滤波参数进行整合折中，选用相同的滤波参数以满足需要，这样就能省去一套滤波装置，从而可以一机两用。 本文采用了单相拓扑结构来实现两用功能。 三相与单相实现原理一样，只是控制上要复杂些。 系统主电路的拓扑电路如图 7 所示。 图 7 系统主电路的拓扑结构 系统的 工作原理 1. 前级 Boost 电路的工作原理 1) 电路原理图 Boost 电路由开关管 Q1，二极管 D，电感 L，电容 C 组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场 V 升压到 dcV ，其原理图如图 8 所示： 图 8 Boost 电路图 2) 工作过程 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 8 当开关管 Q1 导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量，当开关管 Q1 断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。 如图 9所示： 图 9 Boost 电路的工作过程 3) 工 作原理 根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。 由于电路在断续工作时电路，电感电流的不连续，就意味着太阳能输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费掉了，而且纹波也会大些。 因此电路的参数的选择应让电路工作在连续导电的模式下，如图 所示 ： 图 10 Boost 电路连续导电时的稳态波形 2. 后级单相全桥逆变器的工作原理 1) 电路原理图 如图 11 所示为以绝缘栅双极性晶体管 (IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中 NL 为交流输出电感， dC 为直流侧支撑电容，也即 前级 Boost 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 9 图 11 单相全桥逆变器的拓扑结构 电路的输出电容， T T4 是主开关管 IGBT， D D4 是其反并联二极管，对四个开关管进行适当的 PWM 控制，就可以调节输出电流 )(tiN 为正弦波，并且与网压 )(fiV 保持同相位，达到输出功率因数为 l的目的。 它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。 其启动的先决条 件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必须保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完全可控。 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文 光伏并网发电系统逆变器的研究 10 3. 太阳能电池特性及其最大功率跟踪控制 太阳能电池工作特性 1. 太阳能电池的极性 [5] 太阳能电池一般制成 P  /N 型结构或 N /P 型结构，其中，第一个符号，即P 和 N ，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；第二个符号，即N 和 P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。 太阳能电池的电性能与制造电池所用的半导体材料的特性有关。 在太阳光照射时，太阳能电池输出电压的极性， P 型一侧电极为正， N 型一侧电极为负。 2. 太阳能电池的电流 —— 电压特性 [6] 太阳能电池的电路及等效电路如图 12（ a） 、 （ b） 所示。 其中， LR 为电池的外负载电阻。 当 0LR 时，所测的电流为电池的短路电流 SCI ， SCI 值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大， SCI 值越大。 同一块太阳能电池，其 SCI 值与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时， SCI 值略有上升，一般温度每升高 1℃， SCI值约上升 78uA。 当 LR 时，所测得的电压为电池的开路电压 ocV。 太阳能电池的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。 当入射光谱辐照度变化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比；环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升 l℃， ocV 值约下降 2～ 3mV。 DI (二极管电流 )为通过 PN 结的总扩散电流，其方向与 SCI 相 反。 SR 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。 ShR 为旁漏电阻，它是由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起的。 一个理想的太阳能电池， SR 很小，而 ShR 很大。 由于 SR 和 ShR 是分别串联与并联在电路中的，所以在进行理想电路计算 时，它们都可以忽略不计。 图 12 太阳能电池的电路及等效电路图 此时流过负载的电流与输出电压关系： 淮北师范大学信息学院 2020 届学士学位论文。