光伏并网逆变器孤岛检测技术研究_图文

光伏并网逆变器孤岛检测技术研究_图文内容摘要：

对光伏阵列输出电压要求较髙，电压变化不 能太大，而且控制相对复杂，不易达到最优控制。 两级光伏并网逆变器相较于单级逆 变器逆变级前多出一级 DCDC变换级，可将升压与逆变分配在两个独立的环节进行， 前后级间耦合不紧密，系统控制相对简单，且 DCDC环节可使逆变环节输入相对稳 定，有利于提高 逆变环节转换效率，适用于小功率逆变电路中；多级光伏并网逆变器 则适用于小功率逆变电路中。 基于本篇论文旨在设计与制作家庭型小功率光伏并网逆变器，为降低生产成本、 减轻逆变器质量，且考虑到家庭型小功率光伏并网逆变器运用场合光伏阵列输出电压 一般都较低，为获得较好的并网电流和控制上简单化，本文的光伏并网逆变器采用两 级式非隔离型结构。 本文旨在设计小功率户用型单相光伏并网逆变器，结合前文分析与讨论，故采用 非隔离型的两级拓扑：前级采用 DCDC变换器，后级采用 DCAC逆变器，级与级 间通过 DCBus相连接，控制方式采用电压源输入电流源输出控制。 电路拓扑如图 所示。 硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 7 在 DCDC变换器中， Buck和 Boost电路的效率最高，而效率对于光伏并网逆变 器实际产品是非常重要的，故在实际产品中，很少采用 BuckBoost、Cuk等电路。 在 实际系统中，光伏阵列输出的额定电压一般较小 (通常在 200V以下 )，而本文所设计 的光伏并网逆变器无隔离变压器，故为实现直接并网，需将 DCDC变换器设计成升 压变换器，以便将光伏阵列输出电压升至 350V。 Boost电路为升压型电路，其结构简 单，控制较为方便，且驱动电路简单，较为适合作为光伏并网发电系统最大功率点跟 踪控制电路。 同时， Boost电路中的二极管可以作为光伏阵列的防范冲二极管，有效 防止电网侧能量倒灌给光伏阵列从而省去一个防反冲二极管，提高系统发电效率，节 省成本 [14]。 本文所设计的单相光伏并网逆变器采用单相全桥逆变电路作为后级的DCAC逆 变电路，旨在将直流母线电压逆变成 220V/50HZ交流电流，并网使用。 前后级直接 通过 DCBus连接，同时 DCBus实现前后级的功率传递。 整个系统中，控制芯片采用 TI公司的 TMS320F28335芯片，其优越性能可确保完成最大功率跟踪，输送高品质 同频同相电流到电网中供用户使用。 Boost电路的工作原理 Boost电路由电感 L，二极管 D)， 开关管 0，电容组成。 Boost电路可将光伏 阵列输出直流电压 Upv升压到 Udc，其电路原理图如图。 2单相光伏并网逆变器的总体设计及工作原理 硕士论文 8 Boost电路有连续与不连续两种工作模式。 当 Boost电路工作在不连续模式下时， 光伏阵列输出电能将会有一部分被浪费，并且纹波也会比较大。 考虑到实际产品的效 率，在设计时应选择合适电路参数，使之工作在连续工作模式下。 图 Boost电路在连续工作模式下的稳态波形，其中 D为占空比。 硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 9 图 Boost电路连续工作模式下稳态波形 其工作过程为 ： 开关管 0导通，二极管乃反偏，输出与输入隔离，光伏阵列输出 电压 Upv向电感 L1供应能量，输出端由电容 Cdc维持，电容 Cdc处于放电状态；开关管 Q关断，二极管 D导通，输出端输出来自光伏阵列和电感的能量，电容处于充电状态 [15]。 其工作过程如图。 2单相光伏并网逆变器的总体设计及工作原理 硕士论文 10 假定，理想情况下， Boost电路本身功率损耗为 0，由 Boost电路工作原理可知 : 在光伏并网逆变器控制中，直流母线电压的控制和稳定是在后级逆变环节实现 的，也就是说，对于 Boost电路而言，输出电压是保持不变，这样结合式 ()，可以 知道，通过调节占空比 D可以改变 Boost电路的输入电压，也就是光伏阵列的输出电 压，从而实现最大功率跟踪。 由前面的分析可知，后级采用电压源输入电流源输出单相全桥逆变电路，其原理 图如。 图 图 ， Cdc为直流母线电容， Q1Q4为主功率开关管， L2为并网电感通过适 当的 SPWM波对 Q1Q4进行控制，使得流经电感 L2的电流为正弦波。 逆变电路控制目标是输出与电网电压 U保持同频同相的输出电流 ii2，这样便可 使得系统输出功率因数为 1，以达到将光伏阵列输出能量最大化转硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 11 换目的。 为达到这 一目的，并网侧的电感是关键所在，它可对并网电流起到滤波和抑制波动的作用；同 时滤波电感的存在会使并网电流在其上产生一个电压降，这样逆变桥交流侧电压 U0。 与电网电压之间便会有一个相位差控制逆变桥交流侧电压满足如图 示，就可实现单位功率因数控制。 2单相光伏并网逆变器的总体设计及工作原理 硕士论文 16 (a)并网等效电路 (b)电压电流矢量图 在逆变环节，需要注意的是应先使直流母线电容预先充电并使之接近电网电压的 峰值，而想得到预期的电流，即电流波形和相位得到控制，需保证直流母线电压始终 不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管会运行在传统整流方式下，这会导致输出 电流不完全可控。 由上文的分析可知，本文所设计的光伏并网逆变器为电压源电流源输出型逆变 器。 其输出采用电流控制，通过控制输出电流来跟踪电网电压，以达到并网目的。 图 图 ，为被控对象，逆变器并网工作时的 等效电路和电压电流矢量图，为逆变桥交流侧电压、其中为电网电压、 ^为 流经滤波电感的电流。 由于滤波电感的存在使得逆变器交流侧电压超前于电网电压， 两者相位角差为 0，这样即可满足输出电流与电网电压同频同相。 我国的电网电压频率为 50Hz， 有效值为 220V， 为了减少并网装置接入电网时对 电网的冲击，要求并网装置并网时要满足： (1) 并网装置输出交流电与电网电压频率接近，频率偏差一般不允许超过 〇 .4Hz。 (2) 并网装置输出交流电流相位与电网电压相位接近，相位偏差一般不允许超过 10%。 在满足上述两个条件时，还需满足逆变桥交流侧电压高于电网电压 10%，设占空 比为 D， 直流电压为 U， 电网电压为调制比为 m， 为实现并网装置的成功并网， 前述四个变量之间须满足式 (): 硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 17 () 逆变器的输出采用电流源控制方式，其控制目标是输出与电网电压同频同相的正 弦电流；所以，获取参考电流并使逆变器按照期望输出参考值，成为关键。 目前运用 较为广泛的光伏并网逆变器的电流跟踪控制方式如下： PWM控制方式 定时比较 PWM控制方式是设定一个比较器，定时控制它在每个周期内对电流误 差判断产生相应 PWM控制信号，改变主开关管的通断，实现对输出电流的控制。 定 时比较 PWM控制策略的工作原理决定了 PWM信号至少在一个时钟周期后才会发生 一次改变 [16]。 其原理如图 ： 图 PWM控制方式工作原理图 此策略要求主开关器件开关频率固定，且不超过时钟频率的一半，这样可以避免 功率器件开关频率过高情况发生，缺点是补偿电流的跟踪误差是是可变化的 [17]。 该种控制方式通过比较期望电流与实际并网电流，将两者间的误差输入到滞环比 较器中，通过滞环比较器产生 PWM信号，该信号经驱动电路放大后可用来控制主功 率电路开关器件的通断，进而达到控制并网输出电流的目的 [18_19]。 其工作原理如图 ： 3光伏并网系统孤岛效应即反孤岛策略研究 硕士论文 18 该方法有如下特点 [M]: (a) 电流响应快，实时性高； (b) 硬件电路较为简单，便于控制； (C)采用滞环控制，故无需引入载波，这样便不会使得输出电压中含有特定频率 的谐波分量； (d) 电流误差范围受滞环宽度制约，若滞环宽度固定，则其亦会固定，但是开关 管开关频率不固定，使得滤波器设计增加难度，会引起谐波干扰。 SPWM控制方式 SPWM控制策略，即三角波比较的电流跟踪控制方式，其原理如图 所示。 它将电流误差经 P或 PI调节后与三角波比较，输出 SPWM信号 [21]。 该方法有如下特点 [22]: (a) 软硬件实现相对复杂； (b) 输出电流中含有特定频率谐波； (c) 电流相应相对于瞬时值比较方式较慢。 根据前文分析，本文采用 SPWM控制方法，图 网逆变 器的控制框图。 本文采用无隔离两级拓扑结构，前后级通过 DCBus相连，前后级间能量解耦， 故可分开设计。 前级 Boost变换器检测光伏阵列输出电压与电流，通过 MPPT控制算法得 比较器 图 SPWM控制方式工作原理图 硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 19 出调节 光伏电池工作点的电压指令 [/，然后将； 7与光伏阵列输出电压的采样值 4想减， 并经过 PI调节以进行 Boost变换器的输入电压闭环控制，从而实现光伏阵列的 MPPT 功能。 后级逆变环节在控制上采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。 电压外环是 根据功率平衡的原理来实现直流母线的稳压控制，而电流内环则主要实现电网侧电流 跟踪控制，以实现并网逆变器的单位功率因数控制。 其控制策略整体设计框图如图 ： 图 图 ， Kpwm/（ Ts+1） 为逆变器传递函数，等效为一个高增益的惯性环节； 为电网电压前馈系数，其值为逆变器传递函数的倒数； 1/(从 +及 )为滤波电感等 效传递函数； PLL为同步锁相环。 为能够实现光伏并网逆变器单位功率因数电流输出，即其输出并网电流与电网电 压同频同相，需要运用同步锁相技术 (PLL)保证并网电流与电网电压同频同相。 同时， 孤岛检测技术往往也是建立在同步锁相技术上实现的。 光伏并网逆变器输出端连接电网时，电网被视作扰动量，电网幅值以及频率的波 动、谐波的存在会对系统控制产生影响；故需引入电网电压前馈控制，以避免电网电 压的波动对输出并网电流产生的影响，这样可大大减小参考电流，减小并网电流脉动， 同时也减小变压器和电感等的噪声。 本文侧重于探讨光伏并网逆变器的孤岛检测技术研究以及其运用，所以有必要对 孤岛检测并网标准及系统等效模型进行相关介绍。 为方便后文介绍，需要先介绍几个概念： (1) 公共稱合点 (Point of Common Coupling, PCC):并网逆变器接入电网时，与本 地负载、电网相连处，称之为公共耦合点。 (2) 不可检测区 (NonDetection Zone, NDZ):针对孤岛检测问题，学术界有多种 反孤岛策略，但是几乎每一种反孤岛策略都不能对所有情形都能 3光伏并网系统孤岛效应即反孤岛策略研究 硕士论文 20 产生效果，所谓不可 检测区即是用来衡量和评估反孤岛策略失效情形的。 (3) 负载品质因数 0/(1:负载品质因数 0/(1等于谐振时每周期最大储能与所消耗能 量比值的 2。 r倍，其表达式为： 式中，户为负载消耗有功功率， /^为感性负载消耗的无功功率，为容性负载 消耗的无功功率。 随着光伏并网系统技术和市场发展，考虑到产品的标准化和安全化，国际社会上 先后出台了一系列的并网技术标准，如 IEEE (IEEE Remended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems) p3]、 IEEE Std. 15472020 (IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems) [24]。 这些标准均规定了并网发电装置需具备孤岛保护功能。 由于不同国家对并网技术要求以及配电网运作制度和结构的不同，国际上对孤岛 效应保护方案没有明确的规定。 一些国家对检测方案有要求：部分国家只要求逆变器 配备 OFP/UFP来检测孤岛，如荷兰；一些国家则明确规定采用 ENS装置或者阻抗测 量方案，如德国。 另外一些国家则对检测时间有要求：有选择 Is的，如美国；有选 择 ，如日本；有选择 5s的，如德国。 Std. 15472020是第一个规范分布式电源系统并网标准的，其按不同情况对孤岛 效应检测时间的规定如表。 它是以 60Hz的电网系统为考虑标准的，故针对 中国的 50Hz的市电，应该做适当修正。 需要指出的是表 ％是电网电压幅值的额定值，按我国单相市电国家标准 换算应为交流 220V(有效值 )； 厶是电网电压的频率的额定值，按我硕士论文 光伏并网逆变器孤岛检测技术研究 21 国单相市电国家 标准换算应为 50Hz。 同时，需要强调的一点是表 只 适 用 于 额 定 功 率 不 超 过 30KW的 并 网 发 电 装 置。 我国的光伏系统并网技术要求 (GB/T。