第五章單相并網(wǎng)逆變器

1、第5章 單相并網(wǎng)逆變器后級(jí)的DC- AC部分，采用單相全橋逆變電路，將前級(jí) DC- DC輸出的400V直流電轉(zhuǎn)換成220V/50Hz 正弦交流電，完成逆變向電網(wǎng)輸送功率。光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足要求：輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（單位功率因數(shù)），而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求，這些都依賴于逆變器的有效并網(wǎng)控制策略。5.1光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，主要有推挽逆變器、半橋逆變器和全橋逆變器。5.1.1推挽式逆變電路推挽式逆變電路由兩只共負(fù)極的功率開關(guān)元件和一個(gè)原邊帶有中心抽頭的升壓變壓器組成。它結(jié)構(gòu)簡單，兩個(gè)功率管可共同驅(qū)動(dòng)

2、，兩個(gè)開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電路具有公共地，這將簡化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。圖5-1 推挽式逆變器電路拓?fù)渫仆焓诫娐返闹饕秉c(diǎn)是很難防止輸出變壓器的直流飽和，另外和單電壓極性切換的全橋逆變電路相比，它對(duì)開關(guān)器件的耐壓值也高出一倍。因此適合應(yīng)用于直流母線電壓較低的場合。此外，變壓器的利用率較低，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載困難。推挽式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-1 所示。5.1.2半橋式逆變電路半橋式逆變電路使用的功率開關(guān)器件較少，電路結(jié)構(gòu)較為簡單，但主電路的交流輸出電壓幅值僅為輸入電壓的一半，所以在同等容量條件下，其功率開關(guān)的額定電流要大于全橋逆變電路中功率元件額定電流，數(shù)值為全橋電路的2 倍。由于分壓電容的作用，該電路具有較強(qiáng)的

3、抗電壓輸出不平衡能力，同時(shí)由于半橋式逆變電路控制較為簡單，且使用元件少、成本低，因此在小功率等級(jí)的逆變電源中常被采用。其主要缺點(diǎn)是直流側(cè)電壓利用率低，在同樣的開關(guān)頻率下電網(wǎng)電流的諧波較大。圖5-2 半橋式逆變器電路拓?fù)?.1.3全橋式逆變電路全橋逆變電路可以認(rèn)為是由2 個(gè)半橋逆變電路組成的，在單相電壓型逆變電路中是應(yīng)用最多的電路，主要用于大容量場合。在相同的直流輸入電壓下，全橋逆變電路的最大輸出電壓是半橋式逆變電路的2 倍。這意味著輸出功率相同時(shí)，全橋逆變器的輸出電流和通過開關(guān)元件的電流均為半橋式逆變電路的一半。本文采用的是單相全橋式逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-3 所示，它結(jié)構(gòu)簡單且易于控制，在

4、大功率場合中廣為應(yīng)用，可以減少所需并聯(lián)的元件數(shù)。其不足是要求較高的直流側(cè)電壓值。圖5-3 單相全橋逆變器電路拓?fù)?.2光伏并網(wǎng)逆變器的控制光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制和電流源電流控制四種方法。以電流源為輸入的逆變器，其直流側(cè)需要串聯(lián)大電感提供穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前大部分并網(wǎng)逆變器均采用以電壓源輸入為主的方式，即電壓型逆變器。采用電壓型逆變主電路，可以實(shí)現(xiàn)有源濾波和無功補(bǔ)償?shù)目刂?，在?shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，同時(shí)可以有效地進(jìn)行光伏發(fā)電、提高供電質(zhì)量、減少功率損耗，而且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資

5、。市電系統(tǒng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)，這種情況下要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采用鎖相控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)與市電同步，在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整逆變器輸出電壓的大小及相移控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢、逆變器輸出電壓值不易精確控制，可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，如果不采取特殊措施，一般來說同樣功率等級(jí)的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。如果逆變器的輸出采用電流控制，則只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。由于其控制方法相對(duì)簡單，因此使用比較廣泛。 綜上所述，本文設(shè)計(jì)的

6、光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式。5.2.1正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需波形。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路，可以說PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，才確定了他在電力電子技術(shù)中的重要地位。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同

7、，是指環(huán)節(jié)的輸出波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。這也是PWM技術(shù)的理論基礎(chǔ)。圖5-4 雙極性PWM控制原理圖當(dāng)正弦基波電壓的瞬時(shí)絕對(duì)值大于三角波電壓值時(shí)，逆變器開關(guān)元件導(dǎo)通，反之開關(guān)元件截止。與雙極性控制方式相比，單極性控制從輸出電壓波形上看，其通斷頻率等效地增加了一倍，而電壓跳動(dòng)量減小了一倍。該電壓波形用傅立葉級(jí)數(shù)展開時(shí)不包含偶次諧波，在輸出電壓的頻率譜上，最低次諧波以兩倍于開關(guān)頻率（即三角波頻率）的頻率出現(xiàn)，使得諧波含量比起雙極性來要小。因單極性控制優(yōu)點(diǎn)突出，所以運(yùn)用范圍廣泛。 正弦波脈寬調(diào)制控制方法的特點(diǎn)是，開關(guān)元件的開關(guān)頻率等于三

8、角載波的頻率；輸出波形中含有諧波頻率固定，濾波器設(shè)計(jì)簡單；軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，電流響應(yīng)相對(duì)于瞬時(shí)值比較方式較慢。5.2.2逆變器控制方案逆變電路采用了通用的全橋逆變電路，可以在較大輸入電壓范圍內(nèi)工作。在這一級(jí)將前級(jí)送來的直流電能通過SPWM調(diào)制成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電流形式送入電網(wǎng)。在該逆變環(huán)節(jié)，輸入側(cè)采用電壓方式，而輸出控制上，由于電網(wǎng)電壓可視為無窮大的定值交流電壓源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，實(shí)際上就是一個(gè)電壓源與電壓源并聯(lián)，這樣有可能出現(xiàn)環(huán)流等問題。而采用電流控制方式，一則只要控制逆變器的輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓，控制方式比較容易操作。由于電網(wǎng)可以被看作功率為無窮大的電壓源，因

9、此，宜采用電流源型的逆變裝置進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電。由于流過電感 L 上的電流不能突變，可以采用電流反饋閉環(huán)控制的方法來調(diào)節(jié)電流。將并網(wǎng)電流的正弦波給定值與實(shí)際并網(wǎng)電流相比較，誤差信號(hào)經(jīng)過控制器處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM 信號(hào)，控制功率器件的開通與關(guān)斷，從而使逆變器輸出電流與電網(wǎng)正弦波電壓同頻同相。本設(shè)計(jì)中采用直接電流控制。根據(jù)直接電流控制的概念，對(duì)于并網(wǎng)型逆變器來說為了獲得與電網(wǎng)電壓同步的給定正弦電流波形，通常用電網(wǎng)電壓信號(hào)乘以電流有功給定，產(chǎn)生正弦參考電流波形，然后使其輸出電流跟蹤這一指令電流。具有控制電路相對(duì)簡單、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴性低、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。圖5-5是并網(wǎng)系統(tǒng)的電流控制框圖。圖

10、中為電流給定信號(hào)，是實(shí)際的并網(wǎng)電流，是電流控制環(huán)節(jié),是逆變環(huán)節(jié)，是濾波環(huán)節(jié)。在圖5-5中，取并網(wǎng)電流為狀態(tài)變量，則有 （5-1）圖5-5 電流控制框圖設(shè)計(jì)采用L濾波，濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以寫成： （5-2）則上式（5-1）可寫成： （5-3）圖5-6 電流控制框圖則有 （5-4）設(shè) （5-5）為強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的跟隨性能，使并網(wǎng)電流能夠較好的跟隨并網(wǎng)電壓，將系統(tǒng)校正為典型型系統(tǒng)按照跟隨性和抗擾性都較好的原則，取h=5則加入校正環(huán)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （5-6）則系統(tǒng)的開環(huán)增益為：解得5.3逆變器主要參數(shù)設(shè)計(jì)5.3.1濾波電感的選擇交流側(cè)濾波電感的大小一方面對(duì)輸入電流的開關(guān)紋波有影響，另一方面也影響實(shí)

11、際電流的跟蹤速度，所以此系數(shù)的選擇直接影響系統(tǒng)的工作性能。直流側(cè)電壓選定后，交流側(cè)電感設(shè)計(jì)，對(duì)電源電流波形有很大影響。交流側(cè)的電感的作用在于：1)有效的抑制了輸出電流的過分波動(dòng)；2)濾波作用，將開關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的高頻電流成分濾除；3)由于輸出電感的存在，輸出電流以的基波分量在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這樣，變換器的輸出電壓的基波，和電網(wǎng)電壓之間將產(chǎn)生一個(gè)位移量，通過PWM控制開關(guān)管使變換器的輸出電壓代滿足矢量關(guān)系，這樣在理論上可以實(shí)現(xiàn)輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)為1。因此對(duì)電感值的選取，應(yīng)從兩個(gè)方面考慮：1)電流的紋波系數(shù)，2)逆變器輸出電壓的矢量關(guān)系。輸出濾波電感的值直接影響著輸出紋波電流的

12、大小。由電感的基本伏安特性可得： （5-7）其中為電感兩端電壓，考慮到當(dāng)輸出電壓處于峰值附近時(shí)，即時(shí)，電感電流的紋波最大，設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T，占空比為D，則： （5-8）根據(jù)電感穩(wěn)定工作時(shí)伏秒平衡原理可得： （5-9）式中為前級(jí)DC-DC變換輸出電壓。 （5-10）本設(shè)計(jì)中，開關(guān)管的工作頻率為10KHz，取電流的紋波系數(shù)代入上式可求得：為保證電感電流實(shí)際紋波，則電感選取由逆變器輸出電壓矢量關(guān)系 （5-11）由上式可知，其幅值滿足： （5-12）根據(jù)正弦調(diào)制理論可知： （5-13）式中，。將（5-9）代入（5-10）得：整理得到： （5-14）代入計(jì)算得：綜上，濾波電感的取值范圍為：。在實(shí)際

13、設(shè)計(jì)過程中，由于電感的體積、成本等因素的影響，一般只需考慮電感的下限值，即稍大于下限值即可。另外需要特別指出的是，以上的計(jì)算是建立在額定輸出電壓，即的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際情況下網(wǎng)壓的波動(dòng)范圍，在設(shè)計(jì)電感時(shí)最終選取電感值。5.3.2 開關(guān)管的選擇功率MOSFET雖然具有開關(guān)頻率高、正溫度系數(shù)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但在逆變器的設(shè)計(jì)中，由于輸出濾波電感的作用，使續(xù)流時(shí)間長，容易燒壞MOSFET。因此選用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關(guān)元件設(shè)計(jì)逆變器主電路。開關(guān)管IGBT的選擇應(yīng)考慮三個(gè)方面的因素：（1）電壓應(yīng)力：在IGBT工作過程中，器件集電極和發(fā)射極上的電壓尖峰不要超過器件的最高耐壓值。否則，期間會(huì)被過壓擊穿而損壞。（2）電流應(yīng)力：在IGBT工作過程中，集電極峰值電流必須處在IGBT開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)(即小于兩倍的額定電流)。（3）熱應(yīng)力：在IGBT開關(guān)過程及導(dǎo)通狀態(tài)下，會(huì)有損耗而使器件發(fā)熱。因此在選擇使用器件時(shí)還要考慮散熱條件。本系統(tǒng)中直流母線電壓為400V，即IGBT的C、E兩端承受電壓為400V，逆變器工作電流為15A交流，電流最大值為20A。參照上述選擇標(biāo)準(zhǔn)，考慮耐壓、電流要求