单相光伏并网发电系统

单相光伏并网发电系统（精选12篇）

单相光伏并网发电系统 第1篇

光伏并网发电系统一般采用电压源PWM逆变器把直流电转化成交流电。逆变器要具有如下特征,例如,能产生高质量的输出电压、电流波形,以及低的谐波降,从而降低对电气设备的损害。从高质量的输出电压和降低开关设备频率的角度来看,级联多电平逆变器能够代替传统的电压源PWM逆变器,并且在相同开关频率下具有级联型电路输出电压的谐波含量更低,以及冗长开关状态和功率器件电压应力小[1,2]等优点。

本研究采用多DC-DC变换器和级联多电平逆变器相结合的光伏并网模型,不仅提高了光伏并网发电系统的功率和输出电压质量,同时降低逆变器单位功率的成本,提高系统的灵活性。

1 单相光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统主要由光伏阵列、DC-DC升压电路、DC-AC逆变电路、LC滤波电路DC-DC控制电路和DC-AC控制电路构成。光伏并网发电系统的结构框图如图1所示,其工作过程为:由光伏阵列产生的直流电经过DC-DC变换器升压,进入逆变器主回路,经逆变器转换成交流方波,再经滤波器滤波成为正弦波电压送至电网。本研究采用TMS320F2812控制芯片,控制光伏电池输出功率在最大功率点上,并保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同步[3,4,5]。

2 级联多电平电路工作原理

2.1 级联多电平逆变器拓扑结构

经过多年不断地发展,已经研究出多种多电平主电路拓扑结构。较为典型的有3种:二极管箝位型、飞跨电容型和级联多电平逆变器。其中级联多电平逆变器基于传统两电平全桥变换器结构单元,技术成熟,易于模块化,无需大量的箝位二极管和箝位电容,拓扑结构简单。

级联多电平逆变器有多个全桥逆变器组成,单相级联多电平逆变器的拓扑结构如图2所示。多电平逆变器的输出总电压为:

Vout=V1+V2+…+Vn (1)

式中:V—每个功率单元输出电压,V=1,2,…,n。

图2中的所有的dc电压源是相等的且等于Vdc,则逆变器是对称多电平逆变器。n单元级联多电平逆变器的输出电压电平数为:

Nstep=zn+1 (2)

最大输出电压Vmax为:

Vmax=n×Vdc (3)

2.2 级联多电平逆变器控制方法

级联多电平逆变器的基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多电平阶梯波输出以逼近正弦电压。 主要控制方法主要有:移相脉宽调制控制、多载波PWM控制、矢量空间PWM(SVPWM)。因为载波移相控制方法简单易行,本研究在不同的输出电压最适用于单元级联型电路下面具体讨论级联多电平逆变器在载波移相法的工作原理。

2.2.1 功率单元PWM控制原理

级联多电平逆变器单个功率单元如图3所示。功率单元PWM控制原理如图4所示,首先建立左、右桥臂相差180°的标准正弦波为参考信号,再建立控制信号三角波(如图4(a)所示)。左桥臂Sa1(如图4(b)所示)的控制信号由正的参考波与载波三角波比较得到,当参考波大于载波时Sa1导通、Sa2截止输出高电平;反之Sa1截止、Sa2导通输出低电平。所以Sa2的控制信号由Sa1反相得到。右桥臂Sb1(如图4(c)所示)的控制信号由负的参考波与载波三角波比较得到。当参考波大于载波时Sb1导通、Sb2截止输出高电平;反之Sb1截止、Sb2导通输出低电平。所以Sb2的控制信号由Sb1反相得到。左桥臂和右桥臂的控制信号之差得到的波形,与整个单元输出电压波形相同,如图4(d)所示。

2.2.2 级联多电平逆变器的载波移相实现方法

级联多电平逆变器由多个功率单元级联而成,级联功率单元数为N,参考波为正弦波,载波为三角波。功率单元的参考波相同,但是每个相邻的功率单元载波有相位差,相位差θ (相对于载波信号)由以下公式计算:

θ=360°/N (4)

控制信号生成原理:5个单元的控制信号采用同一参考波(正负Vsin)分别与相差72°的5个载波信号(Vf1、Vf2、Vf3、Vf4和Vf5)比较得到。载波信号和参考波波形如图5(a)所示,5个单元的输出电压相加得到的电压输出波形如图5(b)所示[6,7,8,9]。

3 级联多电平逆变器三角载波移相控制仿真

为了对级联多电平逆变器进行进一步分析,及检验级联多电平逆变器工作的正确性,本研究采用三角载波移相控制法输出的PWM电压波形,并采用Matlab/Simulink进行仿真研究。仿真参数:逆变器输出直流侧每单元电压为48 V,逆变桥开关频率为1 kHz。调制比为0.9的输出电压如图6(a)所示,调制比为0.95的输出电压如图6(b)所示。

4 光伏并网级联多电平逆变器

4.1 级联多电平逆变器的光伏并网结构和控制原理

基于五单元级联多电平逆变器光伏并网结构如图7所示,包括作为电源的光伏电池组,DC-DC升压变换器和五单元级联多电平逆变器。

光伏阵列中每一块的光伏电池单元电压约为0.5 V,通过串联和并联组成电池组,一般一块光伏电池组的电压有12 V、24 V、48 V等。以五单元级联多电平逆变器为例,如图根据逆变器的拓扑结构,可选用5块48 V的光伏电池组,再通过DC-DC升压到400 V左右,这样就能保证逆变后达到220 V的交流电。DC-DC升压环节不仅能提高太阳能电池的输出电压,同时控制其工作在最佳工作点上,有效提高了太阳能板的工作效率。

在光伏并网系统的逆变器控制策略方面,针对级联多电平逆变器的特性,采用改进的双环控制。级联多电平逆变器控制策略结构图如图8所示。

4.2 级联多电平逆变器的光伏并网结构仿真结果

根据上述控制原理,本研究采用Matlab/Simulink对系统进行仿真研究。仿真参数:逆变器输出直流侧每单元电压为48 V,逆变桥开关频率为4 kHz,滤波器电感为3 mH,电阻为0.01 Ω,参考电流为40 A。级联多电平逆变器的光伏并网结构仿真结果如图9所示。图中波形从上往下依次为输出电平电压,实际输出电流电网电流和电网电压。实际输出电流能够对电网电压频率和相位进行跟踪,并且THB测量值小于1%,而同等参数下全桥逆变器的THB测量值为3%左右。

5 光伏并网级系统硬件结构

单相电压源型11电平级联逆变器需要20路SPWM发生器,扩展到单相N单元级联逆变器,就需要4N路SPWM发生器。而目前功能最强大适合于逆变器控制的TMS320C2812 最多只能提供16路脉冲,现场可编程门阵列芯片(FPGA)内部包含的逻辑门数从几百至几万,具有可任意配置的几百个寄存器和I/O口,并且开发周期短,可灵活配置实现多种功能而无需改动硬件电路[10]。光伏并网结构硬件结构如图10所示。

6 结束语

光伏并网逆变器是光伏并网发电系统的核心器件之一,其性能的优劣直接影响着光伏并网发电系统所发电能的质量。本研究讨论了级联多电平逆变器的工作原理,在此基础上研究了基于多电平逆变器的光伏并网系统。通过仿真实验结果可以看出,并网电流很好地跟踪了电网电压,并且电流正弦度较好,谐波含量较少,达到了向电网输送高质量电能的目的。

摘要：针对光伏并网系统的改善输出电压和输出电流波形、降低谐波含量以及提高直流电压的利用率等问题,将级联多电平逆变器应用在光伏并网系统中。在分析级联式多电平逆变器工作原理和其载波移相控制方法的基础上,建立了多DC-DC变换器和多电平逆变器相结合的光伏并网模型,并用Matlab对模型进行了仿真。同时提出了TMS320C2812数字信号处理器(DSP)实现逆变系统的数字化控制方案,实现了多路SPWM脉冲对功率单元级联式逆变器的控制。研究结果表明,该模型具有优良的输出特性和有效的电压利用率。

关键词：级联逆变器,光伏并网,数字信号处理器,正弦脉宽调制

参考文献

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[3]吴玉荣,张国琴.基于DSP控制的单相光伏并网逆变系统的设计[J].继电器,2008,36(4):51-53.

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光伏发电生产运行管理系统设计原理 第2篇

随着光伏行业的发展，光伏发电技术已经趋于成熟和完善。发电企业愈来愈关心的问题就是如何减少发电量损失、提高发电效益、最大限度提升生产运维管理水平。

传统电站的运维模式：在设备管理方面，库管对设备的入库、出库信息进行手写登记，容易出现资料丢失、后期查看不方便或者工作交接有遗漏等问题；在人员管理方面，存在分工不明确，没有工作票、操作票货两票填写不规范等现象；在发电量统计方面，传统的人工抄表方式会导致电量信息误报、少报、不及时等问题。总之，在传统电站管理模式中，电站运行信息、设备状态及人员信息不能及时、准确地传达到决策层，不能为领导层决策分析提供可靠的理论依据。

国能日新结合光伏发电企业以及下属各电站的管理与运维模式，研究开发了光伏发电生产运行管理系统，为发电企业解决以上难题，实现电站高效监控及规范化管理，对设备故障及时诊断与定位，减少发电量损失，提高发电效益。

光伏并网发电系统对电网的影响分析 第3篇

关键词：光伏并网  太阳能  电网  影响

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0088-01

作为社会发展与科技进步的动力，能源是当前社会进步与发展的基础，与人民生产生活的发展与提高息息相关，随着近年来能源问题的逐渐凸显，诸如对化石能源的利用会造成大量有害气体的产生，进而会导致和加强环境污染和温室效应等等。作为一个发展中的工业大国，我国正面临着工业发展中资源能源不足的严重问题，所以，开发新能源已经成为当前发展中的首要策略。由于太阳能资源丰富，且光伏发电过程具有低碳、清洁的优势，成为了新能源开发利用中的首选。为应对国内局部电荒及部分电力资源浪费的局面，需要研究分析光伏并网发电系统对电网的影响，并制定出针对性的对策，进而推动对光伏并网发电系统的良好应用。

1 光伏并网发电系统的优势

首先，光伏并网组件的安装需要大量的地基，因此可将其建设在荒漠中等，有效减少了地面的蒸发量和对生产用地的占用，在系统的光伏板下种植喜阴类植物，可以保持所在地面的水分等;其次，并网后所发电馈入电网，使得不通过蓄电池就可进行运用，在建设的过程中节省了部分投资，促成了成本的有效降低，还减少了蓄电池对环境所造成的污染，具有良好的环保性;再次，除了大型光伏系统外，光伏并网发电系统还可以实施分布式建设，不仅增强了电力系统对自然灾害的抵御能力，还有效改善了电力系统的负载平衡，进退电网灵活性高，作用巨大[1]。

2 光伏并网发电系统对电网的影响分析

2.1 对继电保护的影响

在光伏电网发电系统运行时，由于处在电能传输的最末端，所以相应的电压等级就较低，加之目前大多为放射型的配电网络，所以其使用中很少会产生转移电流，这一特点使得在电网中早已大量存在的多数继电器不具备方向敏感性。随着现代科技的发展，大量分布式发电系统被大量投入使用，使配电线路上的潮流具有了双向流动的显示可操性。就当前电力系统发展而言，不会因为新增了分布式发电系统而大幅度改动现有的继电保护体系，若其不能与原有的继电保护协调配合以及形成相互适应的关系，就会导致当其他并联分支出现故障时，安装有光伏并网发电系统分支上的继电器出现误动现象。而这种误动，会进一步造成该无故障分支失去主电源。除上述影响外，当光伏并电网发电系统中的功率注入电网时，会导致原来的继电器保护区逐渐变小，对继电保护装置的正常运行造成一定的影响[2]。

2.2 对供电可靠性的影响

光伏并网发电系统在运行时，会影响电力系统尤其是处在网络最末端的配电系统，对其运行的可靠性造成一定的阻碍。例如，当光伏并网系统所处的交流电停电，同时遇到日光照射强度较低的情况，造成最需要电能的输送却不能有效满足需求的结果。除上述情况外，安装地点及与电网的连接方式和配置容量等也严重影响着光伏发电系统的运用可靠性。

2.3 对配电系统实时监控、控制和调节的影响

对比主网，配电网的开关操作以及能源调度和信息采集等相对简单，由供电部门统一管理，统一执行对其的监控和调度。光伏并网电力系统接入后，将大大加重了这一过程的复杂性。为了实现高效的监视、控制和调度，既要增加监控和調度所需的信息，又要以光伏并网发电系统的并网规程为基础重新划分监控和调度的管理职责及责任部门等[3]。

2.4 对电能计量方面的影响

光伏发电并网前，单一方向为电网中电能的基本流向。光伏发电并网后，个别配电网区域内的潮流流向出现了双向的情况。这导致原有的电能计量模式无法满足新时期的电能计量需求，需要针对其运行方式将单项计量模式改为双向计量模式，以适应电能计量的需要。

除此之外，基于光伏并网发电系统的发电成本较高的现状，在其运用的过程中，也要考虑到计量系统中合理地反映电价差别等方面，这也是对电网发展的影响。

2.5 对电网运行经济性的影响

作为常规能源的补充，光伏发电运用了太阳能这种取之不尽的清洁能源，从近期或远期的应用来看，其对环境的保护和对能源战略的实施都具有很重大的现实意义，对对电网的运行影响体现在下几方面：

从环境保护来看，因为光伏发电运用的是太阳能，具有季节性的特点，不会威胁到人类的生存环境，还可为人类的节约大量的环保开销。

从太阳能使用的广泛性和方便性来看，阳光无处不在，运用方便，可以解决诸如通信、信号电源等需求的特殊需要，应用领域十分广泛，也会产生巨大的经济效益。

2.6 其他方面的影响

在光伏并网发电系统的运行过程中，当电网发生故障时，光伏并网发电系统可能会解列运行。当再次接入电网时，在同期过程中，应考虑其对电网产生的冲击作用，应当通过一定的控制策略和手段，来尽量减少对电网的冲击。此外，光伏并网发电系统最大发电效率的孤岛系统，其检测技术、跟踪技术等也会对该类系统运行的稳定性造成一定的影响，进而对电网的静态及动态安全特性产生影响，不利于两者的结合运用。

3 结语

综上所述，新时期的电力系统发展中，光伏并网发电系统对电网的影响涉及到用电的方方面面，诸如对继电保护的影响、对配电系统的实时监控、控制和调节的影响等等，在未来的电力发展中占有重要的位置。基于此，我们应对其对电网的积极影响积极应用，进而改善其不利方面的影响，为我国的电力发展和人民生产生活水平的提高打下坚实的基础。

参考文献

[1] 陈炜，艾欣，吴涛，等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备，2013（2）：26-32+39.

[2] 刘建涛，张建成，马杰，等.储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析[J].电网与清洁能源，2011（7）：62-66.

单相光伏发电并网的研究 第4篇

1 最大功率点跟踪原理

最大功率点跟踪( MPPT) 就是通过一定的控制方法使光伏电池对外电路输出达到在当前环境条件下的最大功率值。光伏电池输出为直流电能,可将其等效为含有内阻r的直流电源,输出侧接电阻R。由电路原理中的最佳匹配原则,当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出。所以,可通过合理的控制手段,改变外电路的负载特性,以达到和电源内阻的匹配。本文通过DC - DC变换器对输出侧电压的调节作用改变外电路的负载特性。

利用DC - DC变换器调节直流侧负载特性,如图所示。DC - DC变换器在电路中的作用类似于变压器,通过其的控制作用,可使变换器的输入电压Uin和输出电压Uout成固定的比例关系,假设为n = Uin/ Uout,则输出侧电流Iout为输入侧电流Iin的n倍,即n = Iin/Iout,从而有输出侧电阻R的表达式为

由式( 1) 可得,光伏电池外电路可等效为电阻Rref,大小为n2R。这样外电路便可简化为只有电阻Rref的纯电阻电路。如果Rref和电池内阻r匹配就可输出最大功率。所以,只需通过DC - DC变换器调整n的大小即可调节外电路负载特性,从而使外电路负载特性与光伏电池内阻匹配。通过对DC - DC变换器的分析可知,n与DC - DC变换器的占空比Dc存在相互对应的函数关系,所以只要调节占空比Dc便可调节负载特性,从而控制光伏电池输出最大功率。

2 PFC技术

PF是功率因数校正的缩写,其全称为Power Factor。国际符号为 λ,PF的定义为有功功率P和视在功率S的比值[7],公式如下

式中,P1表示基波做功的功率; S是视在功率。当在输入端加正弦波输入时,除基波做功功率P1外,其他次谐波做功功率为0,则上式简化为

式中,Vi表示输入电压有效值; I表示输入电流有效值; I1表示输入电流基波分量有效值; φ 表示输入电压和输入电流之间的相位角差值。Kd= I1/ I表示波形畸变因数; Kα= cosφ 表示相移因数。

PFC可使交流输入电流更好地跟随输入电压,使得电流与电压之间的相位差基本不存在,从而大幅提高了电源的功率因数,减小电网的谐波污染,改善供电质量。单级PFC校正则是将PFC变换和DC /DC变换合为一体,复合掉一个功率开关管,利用一个功率开关管和一个控制系统实现对输入电流相位的调整以及输出电压的稳定输出。从而大幅度简化了电路,减少了电路元件并降低了成本复杂度。近年来,单级PFC校正的研究引起了广泛关注。因此,本文采用单级PFC校正。

3 设计的总体构想

本设计模拟光伏并网的运行,要实现最大功率跟踪和功率因数校正。当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出,此时负载两侧的电压是电源两端电压的1 /2,所以可对电源电压进行采样,通过改变Boost控制电路开关管的通断,使得负载电压为电源电压的1 /2,从而改变负载特性。

对输出电压与电流同样进行采样,通过STM32 进行调整使得输出电压与电流同相位,实现了功率因数校正。总体设想框图如图2 所示。

4 主电路的设计

用直流稳压电源Ud和电阻RL模拟光伏电池,而逆变器部分将使用电压型单相全桥逆变电路。如图3所示的电压型逆变电路有以下特点:

( 1) 直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗;

( 2) 由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,且与负载阻抗角无关,交流侧输出电流的波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同[8]。

滤波电容C的作用是和滤波电感一起用来滤除输出电压中的高次谐波,电容C大,则输出纹波小。但电容C增大的同时,逆变器的无功功率也要增加,从而增加了逆变器的电流容量,使系统效率降低。滤波电容的选取原则是在保证输出纹波满足要求的情况下,取值尽量小。

由于逆变器输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感两端,故增加滤波器电感量可更好地抑制低次谐波、减小输出电流的脉动量。然而滤波电感越大,电感电流的变化则越慢,动态时间越长,波形畸变越严重。故电感值的选取,应综合考虑其稳态与动态性能。选择合适的气息以防止负载时磁芯的饱和问题,且选择粗导线以降低电阻损耗。

5 软件的控制设计

系统的搭建是基于STM32 为控制芯片。其对输入电压进行采样处理实现最大功率跟踪。对输出电压电流进行采样实现锁频锁相,从而实现功率因数校正。并控制开关管实现电路的保护。当有过压过流现象时,切断电路安全可靠,也可实现电网的分部工作。

注:flag开始设置0。

6 仿真验证

图7 为系统的仿真图,仿真输出电压220 V,频率50 Hz。从图8 可看出,输出电压电流波形平滑符合要求,且电压电流同频同相实现了功率因数校正。Boost的输入波形行对稳定为输入电压的1 /2 实现了最大功率跟踪,验证了本设计的正确性。图10 为采样电流与电压电路实现锁频锁相的图形。图11 为实物做出的小功率验证图。

图11 为最终输出电压电流波形,可看出,当逆变器正常运行时,逆变器输出电流与电网电压同频同相,功率因数为1,电流THD功率THD用FLUKE 43B质量分析仪测量,电流总谐波含量最大为1. 8% ,各次谐波均< 1. 2% 。

7 结束语

以STM32 控制芯片为核心,仿真设计单相光伏并网逆变器,介绍了MPPT与PFC的工作原理和主回路以及STM32 的控制思想。通过该装置仿真运行,结果表明本文所设计的逆变器输出电流总谐波畸变率低、波形质量好,具有工作效率高、稳定性好等优点。

摘要：针对如何提高太阳能光伏发电系统的转化效率,对具有最大功率控制的系统进行研究,提出了一种双环控制方式。并以STM32为控制器,给出了其控制方法。通过Matlab建模设计光伏输出后的控制系统,新的控制系统实现了最大功率跟踪与功率因数校正。仿真表明,该方式具有简单、控制方便、效率高的优点。并通过实物加以验证该方法的可行性,该控制策略可应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制,且实现了系统的高效率并网运行。

关键词：单相光伏发电,最大功率点跟踪,双环PID控制,功率因数校正

参考文献

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单相光伏并网发电系统 第5篇

0.引言

在我国光伏并网电站中，针对光伏并网电站设计智能监控系统，不仅可以有效监视和控制全站设备，还能够实现对高压侧设备的智能监控，还将会提高光伏并网电站的安全性，提高我国电力建设的经济效益。以下对此做具体介绍：

1.光伏并网电站监控系统的需求分析

随着我国太阳能光伏发电技术的普及，从光伏并网电站的特殊应用到民用，再到辅助能源，可见光伏并网发电技术在电网发电中的重要性。由于我国传 统的针对光伏并网电站的监控技术较为落后，多是采用单片机作为控制单元、通过RS-485 总线作为通信网络而组成的监测系统，不仅系统的生产成本高，而且系统的通用性较差。因此，为提高我国光伏并网电站的监控系统水平，应该设计出具备智 能监控性能的监控系统。基于我国当前光伏并网发电系统设计中，一般由太阳能光伏电池板、并网逆变器与防雷汇流箱等几个部分组成，因此在设计对于该光伏并网 电站的智能监控中，应该实现对光伏并网电站设备运行状态的实时监测，对每部分器件的相应参数进行测量、存储和分析，以确保每部分器件能够正常运行。

2.监控系统的结构设计

针对智能化光伏并网电站监控系统的设计中，其主要包括上位机、下位机DSP以及前端传感器采集模块、CAN 总线等几个部分，其结构设计如下图1所示：

在结构设计中，其上位机中主要是由计算机、CAN 接口卡以及监控软件组成的，CAN 接口卡可以插在上位机扩展槽中，这样就可以实现下位机同上位机之间数据的高速交换，而对于监控软件，则可以通过 CAN接口卡来接收下位机发送出来数据，并对分析、存储以及显示数据，根据向下位机发送控制命令，从而对下位机设备进行到实时监控。下位机 DSP 中，主要实现 A/D 采样功能，并采取CAN 协议与上位机进行通信，以此来保证系统的稳定运行；针对前端采集模块中，就是通过各种传感器，采集直流电压、直流电流、三相并网电压、电流、温度等参数。

3.系统的硬件设计

在针对光伏并网电站智能监控系统的硬件设计中，使用单片机为主的控制单元，采用 TI 公司的DSP 芯片以及TMS320F2407 来作为系统核心控制器，提高数据处理能力。并且在CAN 总线接口的电路设计中，使用RS-485 相比，采用SN65HVD230作为总线 CAN的 收发器，提高系统抗干扰能力，并通过总线收发器 SN65HVD230、控制器TMS320LF2407，实现对系统内部之间各单元的信号传送。在设计数据采集电路中，选择 TMS320LF2407，采用高性能静态CMOS 技术，减少控制器功耗，并同时具备低功耗电源管理模式，具有良好的性能，成本低。

4.系统的软件设计

在系统软件设计中，将会采用.NET 框架的 Visual C#.NET开发平台，提高智能监控系统人机界面的可操作性，同时也可以大幅度缩短智能控制软件的开发周期。并且在设计中，还应该利用SQL Server 2005 数据库，对监控数据进行存储分析，以便更好实时的监测逆变器、光伏阵列状态。在软件设计中，应该包括数据采集与显示的功能、数据管理的功能以及控制功能、故障报警功能。

以下就是系统数据处理中的发送与更新的程序代码：

发送数据程序：

while（UART_busy）；

ACC = dat；

if（P）

{

#if（PARITYBIT =ODD_PARITY）

S2CON &= ～S2TB8

#elif（PARITYBIT = EVEN_PARITY）

S2CON |= S2TB8；

#endif

}

else

{

#if

（PARITYBIT == ODD_PARITY）

S2CON |= S2TB8

；

#elif（PARITYBIT == EVEN_PARITY）

S2CON &= ～S2TB8 ；

#endif}

UART_busy = 1；

S2BUF = ACC；

关于更新数据的程序：

Read_Reg_Address= READ_ADRESS_PAGE0；

SetPosition（0，5）；

Int2Char2

（Modbus_REG）；

WriteWord（data_buff2，2）；

并且在软件设计中对于通信协议设计的方面，应该考虑到通信的可靠性与通信效率，因此可以采用数据帧进行通信。通信部分代码如下所示：

通信代码：文星期刊论文发表网

ipEnd = new IPEndPoint

（IPAddress.Parse（sqlutility.i-pAddress），sqlutility.port）；

listen_thd = new Thread

（new ThreadStart（lis-ten_fun））；

listen_thd.IsBackground = true；

listen_thd.Star（t）；

standard_thd = new Thread

（new ThreadStart（stan-dard_toclient））；

standard_thd.IsBackground = true；

localhost_IPSocket.Listen（1024）；

5.实际光伏并电网智能监控的应用

5.1实现本地监控

针对基于无线传感器的并网光伏电站智能监控系统设计中，不仅具有分布式数据采集的特点，同时也具有易组建、自组织的特点，可以在实际应用中实 施对电站的现场监控。在智能监控系统中，可以对光伏并网电厂现场故障采取有效的应急控制；并且还可以安装中英文LCD 显示屏，人性化的将电站设备参数通过显示屏的形式，显示出历史故障数据等信息，这样就可以使电站管理人员可以及时对电站故障进行处理。

5.2实现远程监控

在实际远程智能监控中，工作人员可以通过以太网连接本地监控室，操作人员可以随时根据用户权限，查看其管辖范围内的电网信息，对电站内实时运行的数据进行分析，远程监控电站内的信息。

5.3实现上位机监控

在实际应用中，还可以根据光伏并网电站现场设备，采取RS485 通讯接口，然后再利用MODBUS通讯协议，通过分析各种样式图形图表，把所监控的数据经RS485 总线传输到上位机中，从而实现对数据的遥测通信，实现对电站的实时监控。

6.结论

单相光伏并网发电系统 第6篇

关键词：光伏发电；光伏并网；电能质量

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1006-8937（2014）20-0095-01

光伏发电作为一个新兴的发电市场，对于我国电能质量治理领域来讲有着极为重要的涵义，光伏发电是一种利用太阳能电池串联成太阳电池组件再配以功率控制器等部件，形成光伏发电装置将光能直接转化为电能的一种先进技术，在目前发电能源缺乏的情况之下，光伏发电将代替风力发电、潮汐发电、水能发电、煤炭发电及核能发电成为新兴的可再生发电形式。

1光伏发电带来的电能质量问题

随着近年来我国能源资源的不断减少，即将面临的资源枯竭问题日益严重，因而各行业各部门都在积极寻找新的可再生资源来维持生产生活活动，随着全球对太阳能的重视和不断研发，光伏发电技术得以快速发展，人们开始将光伏电源接入现有的电力系统之中，其通过大量的电力电子器件与传统的发电网路进行并联，不仅是对传统发电技术的一次重大冲击，也是现有电网的一次重大突破，现有的电网将会迎来许多新的电能质量问题，光伏发电并网所带来的电能质量问题将成为一个极具研究价值的新论点。光伏发电并网将会产生的电能质量问题主要有电压波动、闪变、谐波等，并且影响有功和无功潮流、频率控制等特性。要了解光伏发电并网所带来的电能质量问题，首先要明确影响太阳能发电的几个因素。

1.1影响太阳能发电的因素

太阳能虽然作为一种可再生且绿色环保的新型能源，但受到各方面因素的影响极不稳定，影响太阳能发电的因素很多，主要包括有周期性，即白天和黑夜的交替，太阳能发电的时间只停留在白天；阴雨雪天与晴天的交替也会影响到太阳能发电；光伏板上的灰尘，光伏板安装的位置以及角度，对其也有一定的影响；整个环境的温度亦是影响太阳能发电的一个因素。如在多云的天气中，太阳能发电受气温的影响较大，在气温急剧回升的10点到15点间，发电输出的功率会出现快速变化。

1.2逆变器控制方式的影响

要将光伏电源接入到现有的电网之中，并网所需的应用器材便是逆变器，逆变器的使用能有效地对光伏发电并入电网的质量品质进行控制，目前并网中逆变器的功率因素为0.99，是最大利用逆变器的容量和最大发电量。当然，逆变器的使用并不是十分完美的，在光伏电站装机容量增加之后，光伏发电的功率就会受到影响，从而出现波动现象，高功率因数的运行将对整个电网的稳定造成不可估量的威胁甚至破坏；另外，逆变器的安装使用还需要额外的无功来维持电压，这也是造成电能质量问题的又一因素。

逆变器的大规模安装及运行也会带来多台逆变器之间“孤岛保护”问题，PV容量相对于负载比例较小时，电压、频率会在电网消失之后快速减弱，从而使得孤岛得以准确地检查；但是当PV容量不断增加之后，就容易出现发电功率与负载基本平衡的状况，孤岛检测的时间会受此影响而不断延长，甚至可能出现孤岛检测失败的现象，这一现象在PV由多种类型的并网逆变器并入同一并网点时尤为明显，主要原因在于并入同一并网点各逆变器间的相互干扰过于强烈，就容易导致孤岛检测时间的延长甚至失败。

1.3大规模PV对配电网的影响

大规模PV的载入容易带来对系统电压形态、网损、电压闪变、谐波、电路元件热负荷、短路电流、频率控制、动态稳定等影响。PV的接入改变了电网潮流的方向，对于现有电网的规划、调度运行方式都产生了影响，并且在调度运行时，PV单元由于不具备自动调度的功能，因而不能够参与电网频率、电压的调整，在对加大电网控制和调度运行之上也产生了一定的难度。另外，随着太阳光照强度的变化，PV发电功率也会产生变化，也将对电网的负荷特性产生影响。

2可行的解决方案

光伏发电并网系统中电能质量问题的产生主要表现为稳定发电问题、无功问题、谐波问题和多类型并网逆变器的孤岛保护问题。光伏发电的发电功率取决于太阳的光照辐射量上，受气候环境的影响极大，因而具有不稳定和不确定性的特点；另外在逆变器功率因数超过0.99时，有功不变的情况下需要额外的无功进行电网频率和电压调节；并且受逆变器开关元件技术所限，并网之后的电流中将产生谐波电流并注入电网；多种类型逆变器接入同一并网中所产生的孤岛问题也将成为亟待解决的电能质量问题。另外，考虑到我国现目前光伏发电并网所应达到的标准（涉及对电压、波形、频率、想为、谐波等）与国际标准之间的差距，国内光伏发电的发展模式与国外的差异，都会对电能质量产生影响。

要做到有效解决光伏发电并网所带来的电能质量问题，就要应对不同的问题作出相应的对策。首先，对于大规模集中开发、中高压电源的并入和分散开发的就地接入，对不同电压进行电压等级的评估以明确电压的偏差，从而对其作出规定；其次，由于光伏发电在大规模设置上具有较强的频率耐受力，以此决定了我国光伏发电站的发电频率所允许的偏差较大；因此，为了适应大规模、高容量的PV并入电网运行之中，又要保证电网的稳定与安全，就有必要对于光伏发电并网所要求的新技术进行研发，这也延伸出了新技术研发的相关内容，即储能技术、谐波抑制、新型并网逆变器等研究方向。

①储能技术。储能技术作为一种更加适用于高比例、大容量PV系统的未来电力系统中的重要新技术，其主要的储能设备包括蓄电池、超级电容器、超导储能装备以及压缩空气储能等，不仅可以进行能量的释放和储能，以实现对频率的调节，也可以平衡和控制电网功率的波动，提高电网系统的稳定性和安全性。

②谐波抑制。谐波抑制主要是通过将电网进行标准化控制，将逆变器进行标准化统一及安置，从而实现电力的真正绿色化。针对现有的并网逆变器，谐波抑制的控制方式有“群控技术（多台逆变器并联运行）”和“综合补偿控制（在逆变器中使用交流滤波器APF）”两种，这两种控制方式都需要数据采集器来完成。

③无谐波输入电网的实现可以通过高性能并网逆变器来实现，需要考虑光伏发电接入的配电保护算法、光伏发电的无功控制以及配电无功调节装置的协调。

参考文献：

[1] 沈文涛.光伏发电并网系统的电能质量问题研究[D].保定:华北电力大学,2012.

[2] 王云国.光伏发电并网对电能质量影响的分析[J].农业科技与装备,2012,(8).

[3] 黄瑛,刘友仁.光伏发电系统并网电能质量测试数据分析[J].江西电力,2012,(1).

单相双级式光伏并网逆变器 第7篇

太阳能电池是一种非线性电源,而且输出电能受光照强度和环境温度的影响,为了使太阳能电池能够最大效率地将太阳能转化为电能,需要对其进行MPPT[3,4]。然而由于光照强度、环境温度等条件的不可控,变化周期长,在太阳能电池系统中研究MPPT控制有众多不便[5,6],而且直接使用太阳能电池进行实验存在时间长、费用高等缺点。如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性,使其在实验室环境下也能方便、快捷地进行实验研究,同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率的输出是本文要解决的一个问题。同时,为了实现逆变器输出电流与电网电压完全同相,达到功率因数为1的目的,文中分析了光伏并网逆变器的控制方式及其电压、电流双闭环控制的原理,同时对改进的同步锁相环进行了分析,最后给出了实验结果。

1 单相双级式光伏并网系统

图1为所设计的以TMS320LF2407型DSP为控制核心的双级式光伏并网系统。系统由光伏阵列、DC/DC变换环节、DC/AC逆变环节、隔离变压器以及负载(电网)组成。其中,DC/DC变换环节完成光伏阵列的MPPT控制,而DC/AC环节完成直流到交流的逆变,对于并网系统而言,还要完成系统的并网运行。前级DC/DC变换器采用Boost升压电路,由开关管VT1、二极管VD1、电感L1、电容C1组成。在开关管VT1导通时,二极管VD1反偏,太阳能电池阵列向电感L1存储电能,电感电流逐渐增加;当开关管VT1关断时,二极管VD1导通,由电感L1和电池阵列共同提供能量,向电容C1充电,电感电流逐渐减小。直流母线电压Uo、电池阵列输出电流Ii的调节,只要根据输入电压调节开关管VT1的占空比d即可完成。后级DC/AC逆变器采用全桥逆变,功率器件VT2~VT5组成逆变桥,VD2~VD5是对应的反向并联二极管,起反向续流的作用。主电路采用工频变压器TR来保证逆变电压和电网电压的匹配,并且使得电网电压和发电系统相互隔离[7]。

在光伏并网系统中,太阳能电池板输出额定电压为50~100 V的直流电,通过DC/DC变换器转换为400 V的直流电,然后经过DC/AC逆变器得到220 V/50 Hz的交流电,保证了并网电流与电网电压的同频、同相。为了便于实现MPPT的控制方案,采用同一块控制芯片TMS320LF2407A(简称F2407)进行协调控制,这不仅可以保证并网系统的可靠运行,而且还能提供高品质的并网电流。

2 太阳能电池的特性及其模拟实现电路

2.1 太阳能电池的特性

太阳能板由很多的太阳能电池板组成,而每一个太阳能电池都是一个P-N截面的半导体,并且直接将光能转换成电能输出,因此可以假设太阳能板经由光照射之后,自己产生一独立电流源供给负载。太阳能电池的输出特性是非线性的,它受到光照强度、环境温度等因素的影响[8],如图2所示,图中MPP为太阳能电池最大功率点。

由图2可见,当太阳能电池的输出电压或电流最大时,其输出功率均很小。在一定的光照强度和环境温度下,只有使其工作在特定的电压(电流)下,才能输出最大功率。故太阳能电池可等效为一个电压随光照强度、环境温度变化且等效内阻随外接负载电阻变化的电压源。为提高太阳能电池的利用效率,应使其工作在最大功率点。

2.2 太阳能电池特性的模拟实现电路

在实验室环境下,直接使用太阳能电池进行实验存在着时间长、费用高等缺点。为了方便、可靠地对太阳能电池进行MPPT实验,可使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线[5]。实验电路如图3所示。图中虚线框内为模拟的太阳能电池,它由一个直流电源Us和一个可变电阻R1组成,电压Ui就是模拟太阳能电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路,其中DC/DC变换器选用Boost变换器。从变换电路看,DC/DC变换器常采用的基本电路有Buck和Boost电路,但Buck电路的输入电流不连续。对光伏发电系统而言,如果光伏阵列的输出电流不连续,将损失一部分能量。同时,多数光伏阵列的输出电压较低,而大多数负载都需在较高电压等级上工作,因此具有电压提升功能和输入电流能连续工作的Boost电路更适合作为双级式光伏系统的MPPT控制器。

图3中Ui和Uo是变换器的输入电压和输出电压,Ii是平均输入电流,R2是负载。设d是变换器的占空比,假设电路中所有的元件均为理想元件,电路从输入到输出的过程中无功率损耗[4],由Boost电路输入/输出的电压关系可知:

令

由式(1)~(3)可得:Req=(1-d)2R2。可将Boost变换器和负载看作是一个等效可变电阻Req,其大小随占空比d和负载R2变化而变化。如果用P表示模拟太阳能电池的输出功率,对于整个系统有

由式(4)可以得到模拟太阳能电池的输出功率关系式:

当Ui=Us/2时,有最大功率输出:

根据式(5)绘制出模拟太阳能电池的P-U曲线,如图4所示。该曲线与太阳能电池的P-U曲线特性相似,说明使用本方法代替太阳能电池进行试验是可行的。

在大多数情况下,Boost电路的输出接蓄电池或逆变器直流侧。在较小的系统采样时间内,Boost电路的输出电压Uo变化很小,可以视为恒定,即

在双级式光伏系统中,Boost电路的输入电压即为光伏阵列的输出电压。由式(7)可知,调节占空比d即可改变Ui,从而达到MPPT目的。当Ui的电压为电压源Us的一半时,模拟太阳能电池输出最大功率,此时Req=R1,即在负载R2不变的情况下,通过改变占空比d使Req=R1,就可实现太阳能电池的MPPT。

3 MPPT与DC/DC变换器的控制

在光伏系统中,光伏阵列和负载之间的接口通常采用PWM型的DC/DC变换器和DC/AC逆变器,在这种拓扑结构的电路中,占空比d就是可以控制的变量。MPPT控制器通过调整PWM信号的占空比d来调节变换器的输入/输出关系。

本文设计了一种变步长的占空比扰动法实现MPPT功能,其原理是:检测太阳能电池在不同工作点的输出功率,经过比较寻优,找到太阳能电池在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的占空比[9]。具体方法可通过以下2个步骤来实现。

a.使太阳能电池工作于某一确定占空比,测定太阳能电池的输出功率,然后以定步长L1(L1设置得稍大些)扰动PWM信号的占空比,测量输出功率的变化并与扰动之前的功率值相比。若输出功率值增加,则表示扰动方向正确,可向该方向以L1为步长再扰动;若扰动后的功率值减小,则向反方向以L1为步长再扰动。以此类推[10],直至Pn>Pn-1而且Pn>Pn+1时停止,则Pn是初步搜索出来的最大功率点,在Pn点附近进行更进一步的搜索,寻优过程见图5。

b.将Pn点作为第2轮寻优的起始点,重新选定较小步长L2(L2Pm-1且Pm>Pm+1时为止,则Pm是初步搜索出来的最大功率点。以此类推,当步长减小到最小单位Lk时,就可以找到系统的最大功率点Pmax。

值得注意的是,若有Pn=Pn-1,则说明二者为初步搜索出来的最大功率点,此时应该停止第1轮搜索,进入下一轮搜索,二者均可作为下一轮寻优的起始点。和传统的占空比扰动法[11]不同的是,当找到系统最大功率点Pmax之后,不是继续扰动,而是停止扰动。之所以这样做,是因为如果继续扰动,系统就始终无法工作在最大功率点上,造成太阳能电池能量的浪费,并降低系统效率。

停止扰动以后,随时监测系统的输出功率,并与Pmax比较,如果二者相同,说明此时太阳电池工作在最大功率点,系统不必进行调节;如果二者出现差别较小,说明环境有所变化,当前工作点不是最大功率点,则按照最小步长Lk找到新的最大功率点;如果二者差别很大,说明外界环境变化很大,此时应该按照步长L1~Lk进行寻优,以最快速度找到系统新的最大功率点。

图3同时也给出了DC/DC变换器的控制流程。经过MPPT控制得到的参考电压和太阳能电池的实际电压相比较,其误差经过PI调节后,用于产生PWM波形,经隔离驱动后控制开关管VT1的开通与关断,DC/DC变换器即可完成MPPT。

4 并网控制策略的实现

4.1 控制方式的选择

逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源,则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统。这种情况下要保证系统稳定运行,就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步,在稳定运行的基础上,可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功、无功输出。但由于锁相回路的响应较慢,逆变器输出电压值不易精确控制,以及可能出现环流等问题,若不采取特殊措施,同功率等级的电压源并联运行方式一般不易获得优异性能[12]。

如果逆变器的输出采用电流控制,则只需控制逆变器输出电流跟踪电网电压,控制逆变输出电流与电网电压同频、同相,这样系统的功率因数为1,即可达到电流源与电压源并联运行的目的。因其控制方法相对简单,故使用较广泛。光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电,从而向电网供电的装置,实际上它是一个有源逆变系统。光伏并网的控制目标是:控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波,且与电网电压同频、同相。因此,选择并网逆变器的输出电流为被控量。

4.2 电压、电流双闭环控制

要使设计的单相光伏并网逆变器把交流电输送到电网,其输出电流必须跟踪电网电压,即并网电流必须要跟踪电网电压的频率和相位,幅值保持正弦输出[13]。为此太阳能光伏并网系统采用双闭环控制策略进行并网控制,如图6所示。双闭环的外环为直流电压控制,目的是为了控制并网逆变器直流输入端电压即电容电压稳定;内环为并网电流控制,目的是为了控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相,输送到电网的功率因数近似为1。

外环的电压值是光伏阵列的MPPT输出值Ur,反馈值为光伏阵列输出电压值Ui,对二者的误差进行PI调节后,外环输出Iref作为并网电流内环的电流幅值给定;Iref乘以离散的正弦值后作为电流内环的离散值给定i0*,电流内环由电感电流瞬时值i0与电流给定i0*比较产生误差信号,经PI调节所得信号与三角形载波比较后产生SPWM信号,经驱动电路隔离后,再控制DC/AC逆变器的功率开关器件。这种PWM波产生方式输出的开关信号频率固定,因此减小了开关噪声,简化了系统的滤波设计,提高了系统的动态性能。

4.3 同步锁相环的实现

在光伏并网发电系统中,为了保证并网电流和电压严格同频、同相(只有在功率调节器中出于无功功率补偿的需要,才可控地实现一定的相位差),锁相环的使用是必不可少的,其作用是调节逆变器输出电流的频率和相位,使其和电网电压逐渐进入同步锁定状态[14]。光伏并网控制系统中的锁相控制环节由硬件和软件2部分综合完成。

在进行并网变流和电网电压同步的过程中,F2407需要采集电网电压信号的相位。由于F2407芯片只能采集TTL信号,所以需要硬件电路辅助实现,将电网正弦波电压信号经滤波、整形转换成与其同步的TTL方波信号,该脉冲信号和正弦波电压信号具有相同的过零点,即在正弦信号的过零点产生脉冲跃变。因此可以采用滞环比较器进行过零检测,而且采用滞环比较器可以避免由于输入信号在电压过零附近波动而造成检测电压信号多次过零的情况。

同步方波信号输入F2407的外部中断口,捕捉电网电压的过零点;当DSP检测到同步信号的上跳沿时,便产生同步中断。在同步中断中,指向正弦表对应变量的指针复位到0。另外由于同步信号易受干扰,在软件上还要加入滤波程序。产生了同步信号,正弦表对应的指针与电网电压同步,将PI调节后得到的电流指令Iref与正弦表指针所对应数据相乘,形成幅值可调的正弦电流指令i0*,通过闭环控制使输出的电流跟踪正弦电流指令实现电流跟踪控制。这样就实现了输出电流与电网电压同频、同相。

5 实验验证

根据前文所述,搭建了一台单相光伏并网逆变器样机,为能保证模拟太阳能电池能持续供电,在Boost变换器输入端并联一个220μF电解电容。用Us=60 V的直流电源和R1为30~60Ω的可变电阻模拟光伏电池,用信号发生器产生的正弦电压信号uref模拟电网电压的正弦参考信号,其峰峰值为2 V,频率fref为45~55 Hz可调;使用阻值为30~60Ω的可变电阻RL作为并网系统的最终负载,输出电压220 V。

当R1=RL=30Ω时,系统稳定后,经多次测量可得太阳能电池模拟器的输出电压Ui=29.7~29.8 V≈Us/2=30 V,此时太阳能电池输出最大功率。因为功率电路中存在部分无功功率,所以实际工作电压略小于最佳工作电压。也验证了前述理论分析的正确性。

当正弦参考信号的频率fref在45~55 Hz之间变化时,对输出电压uout的失真度THD、系统效率、输出电压和参考电压uref的相位差φ等进行了测试,主要测试数据如表1所示。由表1中的数据可知,所设计的并网逆变器能跟踪电网频率的变化,在各种情况下均能保证输出电压与uref同相,相位偏差的绝对值φ≤3°,输出电压的THD≤3.2%,功率因数可达0.998。本装置具有较高的变换效率,在各种情况下均能达到80%以上。

当频率fref=50 Hz时,输出电压uout和输出电流iout的波形见图7。使用示波器测量的输出电流的频率为49.975 Hz,频率跟踪精度可达0.05%。可认为逆变系统输出的交流电流与电网电压同频、同相。

6 结论

本文设计了有输出隔离变压器的双级式光伏并网逆变器,控制电路的核心芯片采用TI公司的TMS320-LF2407A。前级DC/DC变换器实现太阳能电池的MPPT,后级DC/AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同频、同相,同时获得单位功率因数。DC/DC变换器的设计过程中提出了一种基于Boost变换器的改进变步长占空比扰动观察法,与普通的扰动观察法相比,变步长占空比扰动法继承了传统扰动法的优点,在不同寻优阶段采用不同的步长,以最大速度跟踪到系统的最大功率点,克服了传统扰动法响应速度慢的缺点,提高了系统的快速性和高效性。在扰动到步长小于特定值后,认为当前点即为最大功率点,保持稳定,停止扰动,因此相对于传统扰动法,减少了最大功率点由于继续扰动造成的功率损耗,而且也更接近理论的最大功率点。后级DC/AC逆变器利用全桥逆变电路,通过电压、电流双闭环控制,产生与电网电压同频、同相的电流,使整个装置的并网功率因数为1。在锁相环的设计过程中,所提出的软硬件结合的同步锁相技术最大程度地保证了并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频、同相。实验表明该系统工作稳定、性能可靠。

摘要：分析了单相双级式光伏并网系统的工作原理,使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线,并对其可行性进行了理论分析。提出了一种改进的变步长占空比扰动法,提高了系统的快速性和高效性。详细分析了以DSP为核心的单相光伏并网逆变器的并网策略,设计了并网逆变器的电压、电流双闭环控制系统。其中外环为直流电压控制,控制并网逆变器直流输入端电压稳定;内环为并网电流控制,控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相。在锁相跟踪控制中,提出了一种软硬件相结合的改进方法,可有效提高跟踪锁相的精度。实验结果表明所设计的并网逆变器能够实现最大功率点跟踪,并能实现输出电流精确跟踪电网电压,功率因数可达0.998。

单相光伏并网逆变器控制技术 第8篇

随着光伏产业的发展,光伏发电系统正由离网向并网发电发展[1]。由于光伏阵列输出电压和功率受光照强度、环境温度和负载情况的影响,其输出特性呈非线性[2,3]。因此,在光伏并网逆变系统中,既要控制系统的稳定性、可靠性和输出电能的质量,又要控制光伏电池最大功率传输给电网。有相关文献对光伏并网技术进行了分析和研究,但是大多仅从并网逆变器结构角度进行分析,没有把光伏电池的特性与光伏并网逆变器结合起来实现光伏并网的最大电能传输。文献[4-6]仅对并网逆变器中LC或LCL滤波器进行了详细的分析和研究,或者对逆变器自身的电流控制进行了大量的数学分析和理论推导,并没有从根本上解决利用光伏并网逆变器实现最大功率传输,有些文献的理论分析难以在实际工程应用中实现。基于此,本文针对光伏单相并网逆变器进行分析和研究,结合扰动观察法最大功率点跟踪控制的思想[7],详细分析了电网电压扰动对单相逆变器输出电流和电压的影响;为了达到向电网输送稳定、可靠电流的目的,引入了并网电流、电网电压和电容电流反馈的控制方法。通过理论分析和仿真试验验证了以上研究问题的可行性。

1 单相并网电路拓扑结构和控制策略

单相光伏发电并网系统的电路结构由光伏电池、Boost DC/DC电路、逆变桥及控制电路组成[1]。前级Boost电路通过调节占空比改变光伏阵列的输出电压,实现最大功率点电压的跟踪;后级逆变电路实现光伏电池最大功率的并网传输,图1为单相并网逆变器控制结构图。

图1中,主电路包括光伏阵列PV、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、LCL滤波器及相应的控制单元[8,9]。本文的控制思想是在Boost DC/DC电路中通过最大功率点跟踪控制方法控制开关管的占空比,从而跟踪光伏电池输出最大功率时的电池端电压uc,并在DC/AC并网逆变控制中,以i*pv为逆变器控制的瞬时参考电流,i*pv是以光伏电池最大功率跟踪输出的直流电流Imax作为其峰值,以电网电压的相位和频率作为其相位和频率。因此,该控制方法既能使并网逆变器跟踪电网的频率与相位,又能向电网实时输送最大功率,实现最大功率点跟踪;另外,为了确保控制系统的稳定,还引入了电网电压前馈控制和滤波电容电流内环控制的思想。传统的逆变器是通过LC滤波器来衰减逆变器输出电流中存在的谐波分量,由于在大功率并网逆变器中,开关频率低,采用LC滤波器需要较大的电感量,电感值的增加不但提高了成本而且不利于逆变器的控制[9,10,11,12]。为了减少并网电流中的谐波分量,同时降低电感设计,在并网逆变器设计中采用LCL型滤波器[9]。

假设逆变器前端DC/DC输出的电压为光伏电池运行最大功率时的变换电压Upv,同时假设逆变器是一个电压增益为Kpwm的变换器,因此,图1中的并网逆变器及LCL滤波器的模型可简化为图2所示电路。

由于城市电力网是一个不确定的负载系统,因此,必须考虑电力网电压扰动情况下并网逆变器能否向电网输送稳定、可靠的并网电流。电网电压前馈补偿不会改变控制系统的特性,从抑制扰动的情况看,电网电压前馈控制可以减轻反馈控制的调节难度,在工程应用中反馈控制系统的增益可以取得较小一些,这样不仅容易调试,而且有利于减小系统的跟踪误差,如图3所示。图中,ΔUg为电网扰动信号,Gg(s)为扰动补偿器,GDSP、Ginv(s)、GLCL(s)分别为DSP、逆变器和滤波器的增益函数。

在图3中,设Δig(s)为电压扰动时系统输出的扰动电流,它由两部分组成,即:

其中,Δi1g(s)为扰动主通路作用时的系统输出,Δi2g(s)为扰动补偿通路作用时的系统输出。

因此,扰动信号作用时,总输出扰动电流为Δi1g(s)与Δi2g(s)之和,即:

令扰动信号引起并网输出电流的误差为零,则:

即有:

所以,扰动补偿通路的传递函数为:

通过以上分析可知,图3中的Gg(s)传递函数满足式(7)时,电网电压前馈补偿能够使扰动电流Δig为零。但是在光伏发电系统中,为了加快并网电流的响应速度以及控制并网电流的稳定性,还引入了在LCL滤波器中对电容C的电流(图2中电容C3的电流iC)进行反馈控制的方法,即将并网电流ig包含在电容电流内环的前向通道内,电容电流反馈能使其电网汲取电流时仍维持电容电压不变[8]。从逆变器的输出来看,只要精确保证电容电压具有良好的正弦度,就能实时抑制电网电压波动对并网电流带来的影响。在实际应用中,由于各种非理想因素的存在,并不能实现全补偿,只能在一定的允许误差之内补偿。

结合传统逆变器的控制策略,根据图1—3,可得电网电压扰动情况下的并网电流双环控制系统框图,见图4。图4中选择电容电流iC作为内环控制变量,其目的是消除输出电流中开关频率谐波电流分量,同时增加系统的稳定性[8,9,10,11]。

为了验证该系统的稳定性,选取L1=6.0 m H、L2=1.5 m H、C=25μF、r1=r2=0.4Ω、Kp=0.2、Kpwm=80,对式(8)进行根轨迹分析,其根轨迹见图5,可见,选取Ki=20时极点在虚轴上。因此,以并网电流为外环、电容电流为内环,电网电压前馈的闭环系统能达到稳定。当然,仿真分析的数值与实际工况存在一定差异,在工程应用上还需要通过不断地调试Kp和Ki参数值才能使系统稳定可靠地运行。

2 仿真分析

单相并网仿真参数如下:PV中tref=25℃,Sref=1 k W/m2,Isc=8.58 A,Imax=7.94 A,Uout=22 V,Umax=17.7 V,Pm=140.538 W;DC/DC变换器中C1=100μF,L1=5m H,C2=300μF,fs=2 k Hz,DC/AC逆变器中L2=3 m H、L3=1 m H,C3=20μF,fs=9 k Hz,r=0.1Ω;Kp=6,Ki=256;步长ΔD1=5×10-7s。根据所提并网电流的控制策略,利用MATLAB/Simulink仿真软件建立图1单相并网的仿真模型。

图6是PV参数、温度和光照强度都变化情况下的仿真波形,仿真时用扰动观察法在DC/DC变换器实现光伏电池的最大功率点跟踪,可以看出,光伏电池的输出电压、电流和功率能随温度和光照的变化而变化,并能跟踪最大功率。根据图1,选取光伏电池模块的参数为:短路电流Isc=14.88 A,短路最大电流Imax=13.88 A,开路电压Uout=354 V,开路最大电压Umax=288 V,其余参数不变,图7是光伏电池在光照强度从1000 W/m2→200 W/m2→800 W/m2变化情况下并网逆变器输出电压和电流的仿真波形。图8是该仿真系统的并网电流频谱图,谐波含量为3.8%,小于5%[13]。通过仿真波形可知,逆变器输出的交流电压和交流电流随光伏电池入射光强度的变化而变化,不仅能实时跟踪光伏电池的最大功率,而且还能输出稳定和谐波含量低的并网电流。

3 结论

本文把光伏电池的特性与光伏并网逆变器结合起来实现光伏并网的最大功率传输,在Boost DC/DC电路中通过最大功率点跟踪控制方法控制开关管占空比,从而跟踪光伏电池输出最大功率时的电池端电压uc;DC/AC并网逆变控制中的瞬时参考电流i*pv以光伏电池最大功率点跟踪输出的直流电流Imax作为其峰值,以电网电压的相位和频率作为其相位和频率。为了抑制电网电压扰动给并网逆变器输出电压带来的影响以及控制并网电流输出的稳定性,还引入了电网电压前馈补偿和电容电流反馈控制。通过理论分析和仿真可知,所提控制方法能够使光伏电池在光照强度和温度变化时跟踪其最大功率输出。从仿真波形结果可看出,没有出现最大功率点振荡现象和局部功率最大点,在光照强度变化时能够实时把最大电流输送给电网,确保输出电流的稳定性和输出电能质量。

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单相光伏并网逆变控制器的优化 第9篇

对于单相光伏并网逆变系统来说, 输入直流母线的瞬时功率为直流量, 而输出瞬时功率为两倍于市电频率的交流量, 这样直流母线就会存在两倍于市电频率的电压纹波。目前基于成本的考虑, 单相光伏并网逆变器母线一般都采用大容量电解电容, 由于其存在漏电流, 电容值会随着逆变器工作时间的增加而逐渐变小, 这样直流母线电压纹波会逐渐变大, 导致逆变器使用寿命降低[1], 逆变器输出电流畸变率也会增加。一般来说, 降低电压环截止频率可以有效抑制直流母线电压采样中交流纹波对电压环控制器的干扰, 但随着电压环截止频率的进一步降低, 瞬态性能会随之变差[2,3]。文献中提到采用NOTCH滤波器[4]和梳状滤波器[5]来消除直流母线电压采样中的交流纹波, 但两种滤波方法都有很大的局限性, 当纹波频率随市电频率发生改变时, 滤出效果并不理想;滑动平均值数字滤波器[6]也被研究, 母线电压直流分量仅按照一个完整电压纹波周期来计算, 瞬态反应速度很慢;还有文献提出对母线电压纹波进行数学模型定量估算[7], 但估算系数涉及滤波电感值、主功率回路中的内阻等诸多非线性环节, 实际应用中往往估算不准确, 没有多大实用价值。本文提出了一种周期数组滤波器来滤除二次谐波分量, 降低并网电流参考的畸变率。另外, 针对并网逆变器中的滤波电感值随电流非线性变化的现象[8], 在电流环中加入串联电感补偿控制算法, 以补偿电感值实时变化对电流环控制器的影响, 使得逆变器在低功率输出时并网电流畸变率大幅度降低。最后在3k W单相光伏并网逆变器样机上对本文提出的周期数组滤波器和电感补偿算法进行了验证。

2 传统并网逆变控制

目前单相光伏并网逆变器拓扑一般都采用全桥逆变架构, 如图1所示。其中Vdc表示直流母线电压, iL表示电感电流, Va表示市电电压, i0表示光伏电池板流入直流母线电容的电流。

取母线电压Vdc和电感电流iL为状态变量, 全桥逆变的状态方程为:

如果采用双极性调试方式, d=1, 0分别表示开关管Q1及Q4的开通和关断。

小信号模型理论[9,10]提供了一个很好的建模方法。假设市电电压保持不变, 对逆变器需要控制的电感电流iL、母线电压Vdc和占空比d施加扰动, 可以定义为iL=iL-+iL^, Vdc=V-dc+V^dc, d=d-+d^, 代入式 (1) , 可以求得:

提取式 (2) 中的瞬态方程, 再经过拉普拉斯变换就可以得到逆变电路电压环、电流环的小信号物理模型函数表达式:

并网逆变器的双环控制回路如图2所示。

为了抑止直流母线电压纹波对并网逆变控制器的不利影响, 通常会将电压环的截止频率设定在市电频率的一半左右 (25Hz) ;数字控制中电流环的带宽主要取决于开关频率、采样延迟等环节, 一般来说开关频率越高电流环的带宽可以取得越高。根据试验样机滤波电感的非线性特性, 同时考虑20k Hz的开关频率, 本文在满功率输出时电流环的带宽设计在3.6k Hz左右, 半载时由于滤波电感值变大, 电流环的带宽变为2k Hz。可见, 在实际应用时, 由于电感本身的非线性特性会导致在低电流输出时电流环的带宽变窄。

3 逆变器电压环数组滤波器设计

由于直流母线电压存在两倍于市电频率的电压纹波, 所以图2中电压环控制器输出值Vm既含有直流分量又有二次谐波交流分量, 可以用式 (4) 表示。

当直流母线电压纹波比较大时, 电压环控制器输出会不可避免地含有较大的二次谐波分量, 这样与锁相后的正弦表相乘得到的电流参考信号必然畸变率也较大, 这样对降低并网电流的畸变率非常不利。如果能检测和滤除电压环控制器输出中交流分量, 就可以很好地降低并网电流参考的畸变率, 有效地改善并网电流波形质量。稳态时电压环控制器输出的交流谐波分量具有周期性, 据此本文提出的新型数组滤波器工作原理如图3所示。

由于逆变器向电网输出电流大小一般取决于连接的光伏电池板当前时刻的最大发电功率, 当光照剧烈变化或云彩遮蔽等情况发生时, 光伏电池板向逆变器输入的功率就会发生较大变化, 此时逆变器输出功率必然会发生较大的波动, 此时被认为瞬态, 电压环数组滤波器不工作。而当光伏电池板输入功率比较平稳, 也就是说电压环控制器的输出值Vm稳定在某个特定值附近时, 逆变器就进入稳态, 数组滤波器开始工作。图3中N表示一个完整母线电压纹波周期中电压环控制器计算的次数, Vm (k) 为电压环控制器当前时刻的输出值, Vm (k-N) 为第kN时刻电压环控制器输出值, 也就是上一周期对应当前时刻电压环输出值。在稳态时, 根据当前时刻和上一周期对应时刻交流分量的相位和幅度都近似一致的特性, 实时计算出上一周期控制器输出值的平均值, 继而得到当前时刻的交流分量, 实时存储在数组中, 作为下一个周期当前时刻的交流分量。此外, 为了滤除电压环控制器中相减时由于相位等原因产生的高频分量, 加入了LPF低通滤波器。通过上述方法可以把当前时刻电压环控制器输出值减去数组中上一周期对应当前时刻的交流分量, 就可以很好地滤除电压环控制器输出中含有的交流谐波分量, 从而抑制母线电压纹波对并网电流参考的不利影响, 改善并网电流的波形质量。

4 逆变器电流环串联电感补偿设计

并网逆变器控制系统中电流内环的开环传递函数Gi (s) 可以表示为:

其中, KP表示电流环控制器的比例系数;Ki表示电流环控制器的积分系数。

并网逆变器中的滤波电感值与通过的电感电流呈非线性关系, 电感值一般会随着电流的增大而减少。当电流变大电感L变小时, 电流环控制器的增益就会增加, 与此同时逆变控制环路的稳定裕度会相应地减小, 外加数字控制固有的延迟特性, 很有可能在大电流低电感值的情况下导致控制系统不稳定。所以原有的电流环控制器PI系数的选取很大程度上根据设计许可的最大电流而设计, 只能以牺牲小电流下系统的性能来保证在设计许可下不同电流时系统的稳定性。并网逆变器并网电流在满载时电流波形最好, 输出功率变小时, 由于电流环带宽变窄, 电流的畸变率也会相应变高。本文在电流环控制器中加入串联电感补偿环节, 提高小电流下逆变器的并网性能。

在电流环中加入的串联电感补偿系数Kcom可以定义为:

其中, L0表示电流为零时逆变滤波电感值;L (i) 表示滤波电感电流为i时的瞬时电感值。

本文实验中采用一款电感, 并测得电流与电感值的对应关系, 建立一个列表, 瞬时电感值可以通过与i相邻两个已知点的电感值进行近似线性化得到。加入电感补偿环节会优化电流环的性能, 使并网电流在任意相位或许可的不同电流下都会有近似相同的带宽和稳定裕度, 从而改善小电流时的并网性能。改进后的逆变控制框图如图4所示。电流环控制器根据实时电感电流采样值iL以及电流与电感值的对应关系表表1计算出逆变滤波电感当前时刻的瞬时值L (i) , 再计算出串联电感补偿系数Kcom, 这样Kcom与电感电流误差信号ierr相乘后就可以对电流误差进行补偿校正, 实时保持电流环带宽近似不变, 增强小电流下电感电流的追踪能力。

5 实验结果

为了验证本文提出的周期数组滤波器及串联电感补偿策略的有效性, 在3k W全桥光伏并网逆变器进行实验, 表1列出了在不同功率等级下加入数组滤波器和电感补偿算法前后并网电流的THD和PF值。

图5、图6分别为控制器优化后在额定功率及15%额定功率时的并网电压和逆变器输出电流的波形, 其中图5给出了直流母线电压纹波的波形。实验结果表明本文提出的数组滤波器和电感补偿算法可以大幅度降低并网电流的畸变率, 提高并网逆变器的控制精度。

6 结论

本文针对单相光伏并网系统中直流母线电压纹波比较大, 且随逆变器工作时间增加而变大, 从而导致并网电流波形畸变变大的现象, 基于稳态时母线电压纹波具有周期性的特点, 提出了一种数组滤波器来滤除电压环控制器输出的二次谐波分量。该滤波器可以很好地消除电压环控制器输出中的交流分量, 有效降低逆变并网电流的畸变率。同时在逆变器电流环中加入串联电感补偿算法, 降低了并网逆变器在低功率输出时的并网电流的畸变率, 改善了逆变器在不同功率时的并网性能。本文提出的上述两点优化算法, 计算量小, 容易实现。最后, 通过实验进行了验证, 结果表明所提出的优化算法可以很好地提高单相并网逆变器的性能。

摘要：针对单相光伏并网系统中直流母线电压纹波比较大的特点, 提出一种新型的周期数组滤波器, 对逆变电压环控制器的输出进行二次谐波分量的检测与滤除, 有效地抑制电压纹波对并网逆变控制器中输出电流参考的不利影响, 从而降低并网电流的畸变率。另外针对并网逆变器中滤波电感值随电流变化导致低功率输出时并网电流畸变较大的现象, 在电流环控制器中加入串联电感补偿算法, 改善逆变器在低功率输出时的并网性能。最后在3kW单相全桥光伏并网逆变器样机上的实验结果验证了所提出的周期数组滤波器和串联电感补偿控制算法的可行性。

关键词：光伏并网系统,全桥逆变,滤波器,电感补偿,谐波

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单相非隔离型并网光伏逆变器研制 第10篇

光伏发电有离网型和并网型两种发电形式。相对于离网型,并网型由于其负载为大容量的电网,正常工作时可以时时最大发挥太阳能电池的光电转换能力,有更低的成本和维护费用,为光伏发电系统的主要发展趋势[1,2,3]。由于光伏电池输出特性比较软,输出电压变化较大,这就要求后级光伏逆变器能适应输入电压,并能够进行MPPT,以提高光伏电池利用率,降低系统成本。光伏逆变器有单级式和多级式结构,单级式具有较高的效率和功率密度[4],但较难满足宽输入电压要求,需要采用多级式或者双模式[5,6]工作的功率拓扑。双模式拓扑成本低,但控制相对复杂,且只适用于非隔离型逆变器。论文以一个输出功率为1.5k W,MPPT的电压为150~500 V并网逆变器为例,深入研究了单相非隔离型并网光伏逆变器系统方案、MPPT、并网控制等关键技术,并研制出性能优良的样机。

2 系统方案与控制

2.1 系统方案

由于单相并网光伏逆变器MPPT电压范围为150~500 V,而并网的电网电压为194~256 V,逆变器主拓扑需要能实现升降压,因此需要采用两级功率电路结构或者双模式功率电路结构才能满足这种输入电压和输出电压要求。综合考虑性能指标、效率、成本等因素,样机采用如图1的基于双CPU系统方案。在系统方案中,并网逆变器功率电路采用准两级式电路拓扑,由DC/DC和DC/AC两部分构成,即当光伏电池电压Upv<380 V时,此时前级Boost升压电路工作,把Upv升压并稳压到410V,再经过DC/AC逆变并网,工作于两级模式。当Upv≥380 V时,Boost电路不工作,此时Upv直接供电给DC/AC,然后并网,工作于单级模式。采用该方案不仅满足宽输入电压范围要求,且控制简单,提高系统效率。

对于控制部分,光伏并网逆变器的MPPT、并网控制、孤岛保护等关键技术由DSP Freescale MC56 F8323主控制器完成实现。对于并网系统的监控、显示、人机界面等监测、通信子模块采用的是Freescale 8位单片机MC9 S08 JM60作为从控制器。监测子模块通过SPI跟DSP MC56F8323通信,从MC56 F8323获得监测需要的逆变器主电路一些指标量用于LCD显示,与上位PC机采用RS485通信。监测子模块还提供最大可达到10个光伏电池板电压监测的功能,通过该监测功能,当并网系统出现故障时可以容易区分判断是光伏电池板故障还是逆变器故障,从而减小逆变器的维护工作量和成本。

并网逆变器主功率电路拓扑如图2所示,其中前级DC/DC采用Boost电路,DC/AC采用单相桥。由于主电路工作于准两级结构,为确保当Upv≥380 V,Boost电路不工作时光伏逆变器也能实现MPPT,所以逆变器MPPT放在后级DC/AC级实现,即在DC/AC级实现MPPT、并网控制和孤岛保护等逆变器的三个核心控制,这样不受限于DC/DC级是否工作。

2.2 系统控制

在并网逆变器核心控制中,并网电流采用高性能的无差拍控制方法[7],孤岛保护采用有源频率漂移法加过电压、欠电压方式实现[1],MPPT采用一新型的改进变步长扰动观察法。

系统中孤岛保护和MPPT是通过改变并网或电感电流iL的频率和幅值实现的。iL的无差拍控制方程,即逆变桥开关管占空比D(k)为:

式中,第k个开关周期电网电压珚Ugrid(k)、逆变器母线电压Udc(k)、iL(k)由采样得到。开关周期Ts、电感L由设计确定。iref(k+1)为iL的跟踪参考电流,其幅值由图3的MPPT扰动确定,即iL幅值随iref变化而改变。iL的频率随有源频率漂移法微扰动改变D对应的频率而改变。

扰动观察法以结构简单,观测参数较少等优点而应用广泛。但存在由于寻优步长固定而导致MPPT寻优时振荡的缺点。本系统采用的新型改进变步长扰动观察法不仅可以减小传统扰动观察法在最大功率点附近存在的振荡,且在稳态情况下可达到无振荡损耗,同时也适用于环境变化的场合。其控制过程为:给定一个扰动,通过扰动前后功率和电压的变化决定下一个扰动的方向和步长。使其向最大功率点靠近,最终实现MPPT。改进变步长扰动观察法的算法流程如图3所示,即先设定逆变器并网参考电流Iref、扰动步长step以及常数cons等的初始值;接着采样光伏电池的电压电流,算出光伏电池输出功率变化量ΔP和电压变化量ΔU。ΔP决定了扰动步长是否改变,如果ΔP≥0,则步长保持不变;反之当ΔP<0,将扰动步长减小。然后ΔP*ΔU的值决定了扰动的方向,如果ΔP*ΔU>0,保持原扰动方向;如果ΔP*ΔU<0,改变扰动方向;如果ΔP*ΔU=0,则停止扰动。如此循环,直到step为零,最终实现MPPT。当环境发生变化时,即检测到ΔU发生变化,step赋初值,然后重复以上的步骤,从而可以适用于环境变化场合。

3 系统设计与实现

3.1 关键参数设计

输出滤波电感要满足

取直流母线电压Udc=410 V;开关频率fs=20 k Hz;电感电流纹波20%,则ΔiLm ax=1.3 A。求得L≥3.9 m H。实际应用中,选用两个滤波电感L2=L3=2 m H,两电感同时构成一个共模滤波器,具有更好EMI滤波效果。每个电感选用High Flux磁芯CH467060,使用2个磁芯叠加绕制,匝数为105匝,选用线径为1.2mm的漆包线。

无差拍控制效果对系统精确模型依赖性较强,当理想模型与实际对象有些差异或者系统参数稍有变化时,其剧烈调节作用往往会使系统输出电压振荡,脱离稳定状态。由于滤波电感是由High Flux磁芯绕制,其感值会随着直流偏量变化而变化,如图4所示。由于在一个工频周期内,电流值是由零到峰值变化的,电感感值也会随之变化,故采用插值方法计算出不同直流偏量值时电感的感值,然后通过软件对电感感值进行补偿,以满足控制方式对系统模型精确度的要求。实验证明,采用这种插值方法可有效地保证控制模型中电感的精度,保证了系统稳定性。

3.2 系统建模仿真

根据上述系统方案、控制以及设计,建立基于Matlab Simulink的1.5 k W/230 V单相光伏并网发电系统仿真模型,模型包含光伏电池、MPPT、孤岛保护、无差拍并网控制以及Boost电路的峰值电流控制等5个模块。模型主要参数为:光伏电池开路电压Uoc=262.6 V,短路电流Isc=7.86 A,最大功率点电压Um=204.4 V,最大功率点电流Im=7.34 A,最大功率Pm=1500 W。Boost变换器和全桥逆变电路的开关频率均为20k Hz。仿真结果如图5和图6所示。由图5可见,并网电流iL不断增大,输出功率也不断增大,当逆变输出电流保持不变时,系统输出的功率达到最大,实现MPPT。当取图3中的cons=0.01时,MPPT精度为99.9%。由图6可见,当电网在0.1s时刻断电后,逆变器输出频率f不断增大,系统经过若干个周期检测出频率f超出并网标准50.5 Hz,认为发生孤岛,随即将逆变器与电网断开,停止逆变器工作,快速有效地防止了孤岛效应。在样机中,孤岛保护扰动频率定为0.1Hz。

4 实验

样机中,图2功率电路主要器件参数为:T5选用两个MOS管STW25NM60N并联,D5选用IXYS DSEI30-06 A,C2选用3个470μF/500 V的电解电容并联,全桥电路的4个开关管选用IXYS的IGBT IXGH30 N60 B2,逆变器电感电流采样选用霍尔传感器LEM的LA25-NP。为提高并网锁相稳定性和抗干扰能力,样机采用带滞环比较的过零检测电路。

图7(a)为样机开机波形。开机时采用了软启动控制。在锁相完成后,先发出继电器闭合信号使并网继电器闭合,然后发出逆变驱动开通信号使逆变器并网工作,从而输出并网电流,并网电流逐渐增大,从而实现软启动,避免了开机时瞬时大电流对系统冲击带来的破坏。

图7(b)为样机关机波形。关机时,先发出逆变驱动关闭信号来使逆变器停止工作,间隔一定时间后再发出继电器断开信号使并网继电器断开,完成输出滤波电感L2、L3放电,从而使逆变器与电网断开,实现安全关机。

图8为样机两级功率电路工作模式,且Boost电路输入为直流电源360V,逆变母线电压410V,并网电压230V时并网电压与电流波形,可见并网电流波形正弦度良好,在额定载时仅为1.4%。当功率电路工作于一级DC/AC模式时,并网电压电流波形与两级时基本一样。图9和图10为样机工作于两级功率电路THD与效率,电流THD充分小于并网要求的额定载时5%规定,有较高效率。实验表明样机性能优良,运行稳定。

5 结论

针对宽输入光伏电池电压的单相光伏并网逆变器,提出了一个采用准两级式主电路拓扑和双CPU控制的系统方案。准两级式主电路拓扑方案不仅可以满足宽输入电压要求,且控制简单。双CPU结构确保了系统并网输送电能的高质量性和高可靠性,以及有良好的人机界面和通信功能。实验表明样机性能优良,运行稳定。

新的改进变步长MPPT扰动观察法,不仅减小了传统扰动观察法在最大功率点附近寻优时存在的振荡,而且通过检测光伏电池板输出电压ΔU变化情况来重新寻优,使新方法适用于环境变化的场合。采用基于电感安匝特性曲线插值求电感的方法可以有效满足无差拍电流控制对输出滤波电感模型精度要求较高特点,克服粉芯类磁芯电感感值随电流变化大的缺点,提高并网的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等(Zhao Zhengming,LiuJianzheng,Sun Xiaoying,et al.).太阳能光伏发电及其应用(PV generation and its applications)[M].北京:科学出版社(Beijing:Science Press),2005.

[2]Soeren Baekhoej Kjaer,John K Pedersen,Frede Blaab-jerg.A review of single-phase grid-connected inverters forphotovoltaic modules[J].IEEE Trans.on Industry Appli-cations,2005,41(5):1292-1305.

[3]IEA International Energy Agency.Annual Report'2008 ofPhotovoltaic Power System Program[R].2008.

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单相光伏并网发电系统 第11篇

关键词：光伏发电站；福禄克435；电压偏差；电压骤升骤降；闪变

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0016-03

太阳能是丰富的可再生能源，既可免费使用，又无需开采和运输，且清洁无污染。太阳能光伏发电根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池（光伏电池）将太阳能直接转化成电能。与传统的发电技术相比，光伏发电技术受外界环境影响较大，输出功率存在间歇性和不确定性，且通过大量电力电子器件并入电网，给电网带来很多新的电能质量问题。以沈阳农业大学40 kW光伏示范系统为研究对象，开展电能质量测试和评估，研究光伏电站接入电网的运行特性及对电能质量的影响，为制定全面有效的光伏电站测试评估方案积累经验。

1 信电学院40 kW光伏系统简介

沈阳农业大学光伏示范发电系统（见图1）容量为40 kW，接入0.38 kV电网。光伏组建类型是普通多晶组件和双玻组件，分为3个阵列：一是由两组10 kW普通多晶组体20块电池板串联成一个组件，再由2组组件并联到一台10 kW三相并网逆变器；二是由10 kW双玻组件组成，一共40块太阳能板，每10块太阳能板组成一组组串，每2组组串并联到一台5 kW双向储能逆变器，再由两台逆变器接到蓄电池上；三是10 kW双玻组件，每一块太阳能板接微型逆变系统，由15，15，10块太阳能板串联成3组组串，再并聯到一台控制器。

选取其中10 kW三相逆变器并网组件为监测对象，监测点选取并网前公共连接点PCC处，如图2所示。电能质量测试装置需满足《GB198862-2005电能质量监测设备通用要求》《光伏站接入电网测试规程》（Q/GDW618-2011），并符合IEC61000-4-30A级测试精度要求，用福禄克F435电能质量分析仪进行监测测试。

2 电能质量相关标准

2.1 供电电压偏差

正常供电为380 V，但由于435没有380 V的标准，所以将系统标称电压设为398 V。光伏电站接入电网后，应满足《GB/T 12325-2008 电能质量供电电压偏差》（见表1）的要求，20 kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的-7%～+7%。根据电压偏差计算公式（1）计算所测量电压是否超限：

式中：Ua为电压偏差；Ub为系统标称电压；Uc为电压测量值。

2.2 电压的骤升骤降

光伏电站接入电网后，当电网工作期间供电电压突然降低到标称电压Uc的90%和10%之间时，在很短时间内恢复正常的时间称之为电压骤降。电压骤降的持续时间通常在10 ms～1 min之间。当电压有效值上升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110%～180%，称之为电压骤升，其持续时间为0.5个周期至1 min。

2.3 闪变

根据GB/T 12326-2008规定，电力系统公共连接点在系统正常运行方式下，以1周（168h）为测量周期，所有长时间闪变值Plt都应满足表2要求，短时间闪变值Pst都应满足表3的要求。

3 电能质量监测数据分析

3.1 电压偏差分析

根据图3所示的电压偏差示意图可得出电压偏差分析结果（见表4）。

由表4可知，三相电压AB，BC，CA的系统标称电压Ub都为398 V，电压测量值Uc都在406～409 V之间。根据式（1）计算出的结果可知，电压偏差的范围Ua在2.1%～2.6%之间，并未超出表1中的电压等级在20 kV及以下的依据标准（-7%～+7%），故三相电压AB，BC，CA均未超限

3.2 电压暂升暂降

根据图4可以看出，以AB相为例，电压始终处于408 V左右的状态，并未出现降到358 V以下或者升到437 V以上的情况，参考标准过后发现并未发生暂升暂降现象。

3.3 闪变分析

利用福禄克435对闪变进行测量，测量值分析图像如图5所示。

根据所给标准可知，IEC规定低压网Pst=1，中压网Pst=0.9，高压网Pst=0.8，而监测使用的380 V属于低压网，短时间闪变后的变化值为0.06～0.08（见图5），并未超限。

长时间闪变Plt在电压V≤110 kV时为1.0，在V>110 kV时为0.8。监测环境为380 V，为低压环境，故长时间闪变的限值规定为1.0。

长时间闪变Plt的最大值并未超过0.07，符合国家标准未超限。

4 结论

光伏发电一直是新型发电方式的重点研究方向，而电能质量问题是影响光伏发电研究的重点之一。研究沈阳农业大学40 kW光伏系统示范点对光伏发电电能质量的影响，讨论并网光伏系统的电能质量，主要包括电压偏差、电压骤升骤降、频率偏差及闪变。将监测结果导入到matlab中，利用matlab转换出的数据和图表确定，总体电能质量并未超限，符合国家标准。光伏发电电能质量的监测可以为光伏发电系统的完善提供理论依据。

参考文献

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[3] 刘书强，董双丽，林荣超.某光伏并网电站电能质量研究[J].科技创新与应用，2016（18）：182-183.

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[5] 肖少虎.低压配网中光伏发电系统的电能质量分析[J].科技资讯，2015（29）：34.

3KW单相光伏并网逆变器硬件设计 第12篇

随着世界经济的发展,能源问题日益突出,太阳能作为是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源,有广阔发展应用前景,太阳能光伏发电作为太阳能的一种利用方式,为解决能源危机提供了新的思路。并网逆变器是光伏发电系统中的核心设备,直接影响光伏发电系统的转换效率、可靠性和并网电能的质量,所以研究光伏逆变器硬件电路的设计具有重大的现实意义。

工频隔离型光伏并网逆变器虽然实现了电压变换和电气隔离,安全性能好、可靠性高、还能有效的抑制进网电流直流分量。但是,工频变压器体积大、重量重、价格高,且MPPT控制、并网控制、相位同步控制均在一个环节实现,算放复杂。因此本文选择了前级DC/DC为BOOST升压电路、后级为全桥的两级式非隔离型光结构。

1 单相光伏并网逆变器系统构成

图1所示为本 论文研究 单相两级非隔离式光伏并网逆变系统,前级DC/DC变换器为Boost升压电路,后级DC/AC变换器为全桥逆变电路。控制电路的主控芯片选择功能强大、运算速度快的TMS320F2812 DSP, 对DC/DC环节的MPPT、DC/AC环节直流母线电压稳定和逆变环节进行控制,使主电路输出与电网电压同频同相的正弦电流,进行并网。

2 硬件设计

研制的额定功率为3KW样机的直流输入电压范围120V ~ 500V, 最大输入电流为11.5A, 额定输出交流电流13A,电网电压 / 频率为230V/50Hz。

2.1 辅助电源设计

辅助电源是逆变器最基本的组成部分,它为逆变器提供稳定、精准的供电。辅助电源拓扑采用双管反激电路,双管反激电路效率高、开关的电压应力小、输出纹波低,特别适合高电压输入。主控芯片采用NCP1351,它空载功耗低,空载时功耗小于0.3W,采用4路输出 :+15V、+12V、-12V、+7V,其中 +15V与 +12V经过TL431与PC817组成的反馈电路反馈到NCP1351的第一脚。光伏电池板的最大输入电压为500V,并要留有一定的裕量,所以MOSFET选择FQP8N90C(900V、6.3A)。辅助电源是从光伏电池板分压取电,当光伏电池板输出大于120V时分压电阻的两端电压达到 +15V时,芯片启动,反激电路开始工作。由于TMS320F2812 DSP需要1.8V和3.3V供电,本设计中使用TPS7301将7V电压转换 成3.3 V和1.8V给DSP芯片供电。具体电路如图2所示 :

2.2 BOOST 电路设计

本文中的光伏电池板输出最大为500V,电网电压的最大值为并网时直流母线电压需要高于电网电压的最大值,由于光伏太阳能的输出受光照强度、温度等的影响,不能一直满足输出电压大于电网电压最大值的条件,因此本文提出的方案在光伏逆变器的前级引入了BOOST(升压)电路,目的是让直流母电压一直大于电网电压最大值。BOOST电路中关键元器件包括电感L、MOSFET、二极管D以及电容C。

1电感设计

为了能把光伏电池板的输出功率最大化,BOOST电路选择 连续工作 模式,输入电压输出直流 母线电压由于光伏电 池板输入 输出功率 相等,因此也有 :由于输入电流为流过电感的平均电流IL,因此 :,电感中的电压电流关系有因此电感的纹波电流为

设

则

由MOSFET开关频率 为20K,输出功率 为3k W,电流纹波 η取0.25,则电感值为1.3m H, 在一般中会对电感设计一些余量,

取

2 MOSFET与二极管的选择

本文选择英飞凌的SPW47N60C3作为BOOST电路的MOSFET,额定电压650V,额定电流47A。由于BOOST电路中650V,额定电流47A。由于BOOST电路中的二极管需要有低通态压降和快速反向恢复特性,因此选用APT30DQ60BG,额定电压为600V,额定电流为30A。

3直流母线电容设计

直流母线 电容主要 作用为稳 压以及滤除 电压纹波。电 容的电压 电流关系为因此有

则开关管为20k Hz,取电压纹波η为0.001。则

一般在设 计会一些 余量,取则选用3个470μF和390μF的500V的NCC电解电容并联使用。具体电路如图3所示 :

2.3 DC/AC 电路

在设计3KW光伏逆变器中,采用的DC/AC拓扑结构是全桥逆变电路,如图4所示。其中上管Q11、Q13选择的是开关频率最大为40KHz,的IXGGH48N60A3D, 下管WQ2、WQ3采用的是 英飞凌的SPW20N60C3作为BOOST电路的MOSFET,额定电压650V,额定电流20A,这样用的好处是提高整机的效率。

2.4 驱动电路的设计

考虑到驱动信号是从DSP中输出的,防止工作中开关管出现故障而烧坏控制芯片,需要在控制器和开关管之间加一个光耦来实现电气隔离,本文采用的是光耦有着优良性能是FOD3120SDV, 驱动电路设计如图5所示 :

3 光伏逆变器的软件设计

当系统达到启动电压120V时,进入等待模式。在等待模式中对电网电压 / 频率进行检查,同时对ISO(绝缘阻抗)和GFCI(漏电流)进行检测。当有故障时,根据故障类型进入相应的故障模式。如果无故障时BOOST电路开始工作,将直流母线电压升压到360V以上,当等待时间变为0时,模式进入正常模式,逆变器开始并网运行,向电网输送能量,MPPT开始工作,此时出现故障时,同样根据故障类型进入相应的故障模式。当在正常模式时PV电压不够,系统将还回等待模式。当故障可恢复时则将切换为等待模式。当出现不可恢复故障时例如ISO故障、GFCI故障,此时逆变器需进行检修。

4 实验结果

搭建实验 平台,利用横河(YOKOGAWA) 数字功率分析仪对3KW实验样机进行分析测试,其实验数据如图6所示。实验数据显示THD(并网电流的总谐波失真)为1.91% 满足逆变器并网的要求。其并网电流波形如图7所示。其中1通道为并网电流,2通道为电网电压。