第五章--單相并網(wǎng)逆變器

1、第5章單相并網(wǎng)逆變器后級的DC- AC部分，采用單相全橋逆變電路，將前級 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。光伏弁網(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

2、共同驅(qū)動(dòng)，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。止匕外，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

3、作用，該電路具有較強(qiáng)的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

4、5-3所示，它結(jié)構(gòu)簡單 且易于控制，在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)。具不足是 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)涔夥途W(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)需要用聯(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)目刂疲?在實(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

5、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

6、其控制方法相對簡單， 因此使用比較廣泛。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的光伏并網(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)控制就是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即 通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效的獲得所需波形。PWME制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛， 對逆變電路的影響也最為深刻。 現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PW郵逆變電路，可以說PWMI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

7、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，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PW或術(shù)的理論基礎(chǔ)。圖5-4雙極性PW臟制原理圖當(dāng)正弦基波電壓的瞬時(shí)絕對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

8、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)相對復(fù)雜，電流 響應(yīng)相對于瞬時(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。在這一級將前級送來的直流電能通過 SPWIMI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

9、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，誤差信號經(jīng)過控制器處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的SPWMF號，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。具有控制電路相對簡單、對系

10、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。圖中io為電流給定信號，io是實(shí)際的并 網(wǎng)電流，Gq(S)是電流控制環(huán)節(jié)，Ginv(S)是逆變環(huán)節(jié)，GS)是濾波環(huán)節(jié)。在圖5-5中，取并網(wǎng)電流io為狀態(tài)變量，則有Io(S) (U INV U grid )GT(S)( 5-1 )grid,Gic(S)*Gt(S)*Ginv(S)i0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：1GTLs則上式(5-1 )可寫成：1Io(s)UINV U grid(5-2)(5-3)o圖5-6電流控制框圖Ls則有Woi(s)1(2TsS 1)Ls(5-4)Wpi (s)

11、Kpi iS 1is(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 n hT n 5 2 5 10 5 5 10 4加入校正環(huán)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:Wpi SKpiiS 11iS2TSS 1 LS(5-6)則系統(tǒng)的開環(huán)增益為:Kpi h 1KpiL i 2h2T253.4 10 3 25 10 85 1Tn2 25 25 10 10解彳4 Kpi6.34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輸入電流的開關(guān)紋波有影響， 另一方面也影 響實(shí)際電流的跟蹤速度，所以此系數(shù)的選擇直接影響

12、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is以的基波分量iN1在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓 降，J LJni,這樣，變換器的輸出電壓Uo的基波U01,和電網(wǎng)電壓Un之間將產(chǎn) 生一個(gè)位移量 ，通過PWMI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

13、紋波電流的大小。由電感的基本伏安特性可得：TonUL(t) dt0 Lf(5-7)其中UL（t）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U0 Unma時(shí)，電感電流的紋波最大，設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為占空比為D,則:. U n maxi Lf(5-8)根據(jù)電感穩(wěn)定工作時(shí)伏秒平衡原理可得:UnmaxDT (Udc Unmax)(1 D)T(5-9)式中Udc為前級DC-D喙換輸出電壓。U nmax(U dc U nmaxT)L fIUdc(5-10)本設(shè)計(jì)中，Un max 近 220 311V, -15A, Udc 400V,開關(guān)管的工作頻率為10KHz取電流的紋波系數(shù)ri 0.15代入上式

14、可求得:311 400 311 0.1 10 3.imH15 0.15 400為保證電感電流實(shí)際紋波i riln ,則電感選取Lf 3.1mH由逆變器輸出電壓矢量關(guān)系由上式可知，其幅值滿足:根據(jù)正弦調(diào)制理論可知:式中 調(diào)制比，1。將（5-9）代入（5-10）得:整理得到：U。 j Lf In Un22U。UnU02LfInUdcUdc U2 LfIU2c U2(5-11)(5-12)(5-13)(5-14)代入計(jì)算得：Lf 53.4mH綜上，濾波電感的取值范圍為：3.1mH Lf 53.4mH。在實(shí)際設(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

15、。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U0 220V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Lf 3.5mH。5.3.2開關(guān)管的選擇功率MOSFET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Ic）。（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,逆變器工彳電流為15A交