光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計(jì)

東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGE3PAGEI本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的研究學(xué)生姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 所在單位： 答辯日期：摘要目前,世界能源結(jié)構(gòu)仍然以化石能源為主,而化石能源為不可再生資源,大量耗用必將導(dǎo)致能源的日益枯竭,并且在生產(chǎn)和消費(fèi)過(guò)程中導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞[3]。太陽(yáng)能是一種清潔環(huán)保的可再生能源,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的一種重要形式。目前,光伏并網(wǎng)發(fā)電是世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式。其中,光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的研究是并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵部分。這也是本文主要研究的內(nèi)容。本文對(duì)并網(wǎng)逆變器的各種結(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行了分析比較，研究了并網(wǎng)逆變器的工作原理，并選擇了最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。并對(duì)逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并網(wǎng)逆變器控制策略，鎖相環(huán)技術(shù)，孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，LCL濾波技術(shù)等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，同時(shí)，給出了逆變器完善的保護(hù)措施。最后通過(guò)試驗(yàn)操作得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器；孤島效應(yīng)；鎖相環(huán)；LCL濾波AbstractCurrently,theworld'senergystructureisstillmainlyfossilenergy，F(xiàn)ossilenergyisnon-renewableresources,intensivewillinevitablyleadtotheincreasingdepletionofenergy,andtheecologicalenvironmenthasbeenseverelydamagedintheprocessofproductionandconsumption.Solarenergyisacleanandenvironmentallyfriendlyrenewableenergy,solarenergyintoelectricalenergyphotovoltaicpowergenerationisanimportantformofsolarenergyutilization.Atpresent,thephotovoltaicpowergenerationmainstreamapplicationofphotovoltaicpowergenerationsystemintheworld.,Photovoltaicpowergenerationandgrid-connectedinverterisakeypartofthegrid.Thisisalsothecontentsofthispaper.Inthispaper,avarietyofgrid-connectedinverterstructureandcontrolstrategyareanalyzedandcompared.Researchthegrid-connectedinverterworkingprinciple,andselecttheoptimalstructure.Focusontheinvertercircuittopology,grid-connectedinvertercontrolstrategy,PLL,islandingdetectiontechnology,LCLfiltertechnologyandsoon.Then,

discuss

theinverter‘s

integrated

protectivemeasures.Last,bythetestconcluded.Keywords:Grid-connectedinverter;Islandeffect;PLL;LCL目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景及研究的意義 11.1.1課題背景 11.1.2課題研究的意義 11.2光伏并網(wǎng)逆變器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1并網(wǎng)逆變器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.2并網(wǎng)逆變器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 21.3本文的研究?jī)?nèi)容 3第2章并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)分析及工作原理分析 42.1引言 42.2逆變器的結(jié)構(gòu)分析 42.2.1逆變器的分類 42.2.2并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析 52.3并網(wǎng)逆變器的工作原理分析 72.3.1單級(jí)式并網(wǎng)逆變器工作原理 72.3.2多級(jí)式并網(wǎng)逆變器工作原理 82.4并網(wǎng)逆變器的控制策略比較 102.5小結(jié) 11第3章并網(wǎng)逆變器的研究 123.1引言 123.2光伏并網(wǎng)逆變器的主要性能指標(biāo) 123.2.1電網(wǎng)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的要求 123.2.2光伏逆變器的性能指標(biāo) 123.3光伏并網(wǎng)逆變器的具體結(jié)構(gòu) 133.3.1并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 133.3.2并網(wǎng)逆變器的控制策略 153.3.3鎖相環(huán)技術(shù) 203.3.4LCL濾波技術(shù) 223.3.5孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù) 233.3.6保護(hù)措施 243.4小結(jié) 24第4章試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論 254.1試驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 254.2試驗(yàn)項(xiàng)目 254.3試驗(yàn)結(jié)果 31結(jié)論 33參考文獻(xiàn) 34致謝 35第1章緒論1.1課題背景及研究的意義1.1.1課題背景隨著世界人口的的不斷增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，以及全球工業(yè)化的逐步展開(kāi)，世界各國(guó)對(duì)能源的需求量也隨之不斷的增加，目前人類所使用的能源主要是煤炭、石油、天然氣，然而這三大化石能源卻呈現(xiàn)出日漸枯竭的趨勢(shì)。因此包括中國(guó)在內(nèi)的全世界各國(guó)都在積極尋找和探索可以持續(xù)利用的可再生能源[8]。太陽(yáng)能是理想的可持續(xù)發(fā)展綠色能源，也是21世紀(jì)最重要的能源之一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已是全球能源新領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。太陽(yáng)能發(fā)電只有進(jìn)入電力系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用，才能真正解決能源緊張的問(wèn)題。據(jù)EPIA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)末期，太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電容量開(kāi)始出現(xiàn)逐年擴(kuò)大趨向。21世紀(jì)以來(lái)，全球太陽(yáng)能光伏發(fā)電并網(wǎng)容量增長(zhǎng)44.1倍，從2000年的287MW遞增至2008年的12.95GW，年均增長(zhǎng)率達(dá)60.99%，同比2007年增長(zhǎng)72.67%，全球光伏發(fā)電并網(wǎng)累積總量增長(zhǎng)10.5倍[10]。我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，全國(guó)2/3的國(guó)土面積年均日照在2200小時(shí)以上，其中，西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏及內(nèi)蒙古等地總輻射量和日照數(shù)為全國(guó)之最，特別是西藏西部地區(qū)，年太陽(yáng)輻射量居世界第二，僅次于撒哈拉大沙漠。我國(guó)太陽(yáng)能有109萬(wàn)兆瓦，即使只開(kāi)發(fā)1%的太陽(yáng)能，其裝機(jī)容量就能超過(guò)3600兆瓦，如果將這些太陽(yáng)能用于發(fā)電，則等于上萬(wàn)個(gè)三峽電廠發(fā)電量的總和。因此光伏并網(wǎng)發(fā)電的市場(chǎng)前景是非常樂(lè)觀的。1.1.2課題研究的意義隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的不斷普及，太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的容量不斷增加。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電正逐步向城市并網(wǎng)發(fā)電、光伏建筑集成方向快速發(fā)展，在未來(lái)10-20年內(nèi),將出現(xiàn)越來(lái)越多的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。因此，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)中電力電子裝置效率、改善其輸出特性以及引入并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已成為光伏發(fā)電技術(shù)乃至整個(gè)新能源發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容[11]。尤其是研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的逆變方式、并網(wǎng)算法等等，都具有相當(dāng)大的現(xiàn)實(shí)意義。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列、逆變器和控制器3部分組成。逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件,它完成控制光伏陣列最大功率點(diǎn)運(yùn)行和向電網(wǎng)注人正弦電流兩大主要任務(wù)。逆變器效率的高低不僅影響其自身?yè)p耗,還影響到光電轉(zhuǎn)換器件以及系統(tǒng)其他設(shè)備的容量選擇與合理配置。因此,逆變器已成為影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素,研究其結(jié)構(gòu)與控制方法對(duì)于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本具有極其重要的意義[6]。1.2光伏并網(wǎng)逆變器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1并網(wǎng)逆變器的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)入新世紀(jì)，隨著全球自然資源的逐漸枯竭，光伏發(fā)電對(duì)緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題具有十分重要的意義。光伏發(fā)電技術(shù)和其他可再生能源技術(shù)一樣，是解決能源危機(jī)的重要手段[7]。在目前的幾種新能源技術(shù)中，光伏發(fā)電以獨(dú)特的前景優(yōu)勢(shì)被定為未來(lái)最有優(yōu)勢(shì)的能源，有無(wú)窮無(wú)盡的潛力。作為光伏應(yīng)用系統(tǒng)中的重要組成部分，光伏逆變器將會(huì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外逆變器廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加殘酷。近幾年，隨著西班牙、德國(guó)、美國(guó)、意大利等國(guó)對(duì)本國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的大力扶持，全球光伏逆變器銷售不斷增加，光伏逆變器進(jìn)入一個(gè)快速增長(zhǎng)的階段。全球光伏逆變器市場(chǎng)基本被國(guó)際幾大巨頭所瓜分，他們具有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，同時(shí)歐洲作為全球市場(chǎng)的興起區(qū)域，其本土的逆變器發(fā)展在世界上獨(dú)占鰲頭。由于全球光伏市場(chǎng)的快速發(fā)展，歐洲的光伏逆變器廠家開(kāi)始了擴(kuò)張之路。1.2.2并網(wǎng)逆變器的國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在中國(guó)，從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始對(duì)光伏逆變器進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在已有專門的公司研究和開(kāi)發(fā)生產(chǎn)并網(wǎng)逆變器。由于終端市場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)間比較晚，國(guó)內(nèi)光伏逆變器廠商普遍規(guī)模較小，結(jié)構(gòu)、工藝、做工，性能穩(wěn)定性等指標(biāo)跟國(guó)外一流企業(yè)有一定的差距，但占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)超過(guò)60%的龍頭企業(yè)合肥陽(yáng)光電源公司已經(jīng)取得快速發(fā)展，并已進(jìn)入到歐洲市場(chǎng)及國(guó)外其他大功率市場(chǎng)。目前合肥陽(yáng)光公司主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手為德國(guó)SMA、Satcom等國(guó)際廠商，但成本高、交貨周期長(zhǎng)是國(guó)外廠商進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要障礙，在國(guó)內(nèi)投資生產(chǎn)銷售是國(guó)外廠商搶占中國(guó)市場(chǎng)的必要之路。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)逆變器的廠家眾多，專業(yè)研究和開(kāi)發(fā)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的廠家并不多。具有大規(guī)橫生產(chǎn)能力的廠家主要有合肥陽(yáng)光電源股份有限公司、南京冠亞電源設(shè)備有限公司、北京科諾科技有限公司等企業(yè)，這些企業(yè)的光伏逆變器技術(shù)和產(chǎn)量已經(jīng)呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，有些企業(yè)已經(jīng)成功研發(fā)大型逆變器。由于光伏逆變器生產(chǎn)成本低、技術(shù)成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定的供應(yīng)商少，因此逆變器毛利率可維持在35%~40%。隨著大規(guī)模光伏系統(tǒng)電站的安裝，以及光伏逆變器投資者的不斷增加，毛利率一定會(huì)下降，但大型并網(wǎng)逆變器的品質(zhì)還需要市場(chǎng)的考驗(yàn)。同時(shí)國(guó)家“金太陽(yáng)工程”的啟動(dòng)將會(huì)大大推動(dòng)國(guó)內(nèi)逆變器廠家的發(fā)展，未來(lái)光伏市場(chǎng)的巨大空間將會(huì)給國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來(lái)歷史性機(jī)遇。光伏逆變器分為光伏并網(wǎng)逆變器和光伏離網(wǎng)逆變器。目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將光伏電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽(yáng)能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同(如12V、24V、48V等)，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。離網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器容量由負(fù)載容量、負(fù)載性質(zhì)決定，一般小于光伏系統(tǒng)容量。根據(jù)全球光伏安裝容量計(jì)算，并網(wǎng)系統(tǒng)占光伏總安裝量的絕對(duì)比例，隨著國(guó)家政府的補(bǔ)貼政策到位，還將會(huì)進(jìn)一步增加[4]。光伏發(fā)電最終想要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟的市場(chǎng)模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。1.3本文的研究?jī)?nèi)容面對(duì)能源短缺，污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，可再生能源技術(shù)是人類當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是理想的可持續(xù)發(fā)展綠色能源，也是21世紀(jì)最重要的能源之一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已是全球能源新領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]?；诠夥l(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的重要性，本文重點(diǎn)研究并網(wǎng)逆變器的性能，逆變器是連接光伏陣列和電網(wǎng)的關(guān)鍵部件,它完成控制光伏陣列最大功率點(diǎn)運(yùn)行和向電網(wǎng)注人正弦電流兩大主要任務(wù)。本文主要研究并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)控制性能。主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：討論并網(wǎng)逆變器的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理。研究并網(wǎng)逆變器的控制策略。對(duì)本文提出逆變器的各種性能進(jìn)行分析。對(duì)本文所提出的逆變器進(jìn)行試驗(yàn)分析并得出結(jié)論。第2章并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)分析及工作原理分析2.1引言通常，把將交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的裝置稱為整流設(shè)備或整流器。與之相對(duì)應(yīng)，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為逆變?cè)O(shè)備或逆變器[8]。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的是直流電，但民用電力以交流供電為主，而且太陽(yáng)能發(fā)電正逐步走向并網(wǎng)運(yùn)行，這就意味著太陽(yáng)能發(fā)電必須通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。因此，光伏逆變器在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。逆變器的主要功能是將電源的可變直流電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)干擾的交流正弦波輸出，既可供設(shè)備使用，也可反饋給電網(wǎng)。除了實(shí)現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換之外，逆變器還能執(zhí)行其它功能，如將電路斷開(kāi)，避免電路因電流突然波動(dòng)而損壞，此外還能為電池充電、對(duì)數(shù)據(jù)的使用和性能進(jìn)行存儲(chǔ)、以及跟蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)等，以盡可能提高發(fā)電的效率。所以，對(duì)逆變器的分析研究至關(guān)重要。2.2逆變器的結(jié)構(gòu)分析2.2.1逆變器的分類1.按宏觀可分為：普通型逆變器，逆變/控制一體機(jī)，郵電通信專用逆變器，航天、軍隊(duì)專用逆變器。按逆變器輸出交流電能的頻率分：工頻逆變器，中頻逆器，高頻逆變器。工頻逆變器的頻率為50~60Hz的逆變器，中頻逆變器的頻率一般為400Hz到十幾KHz，高頻逆變器的頻率一般為十幾KHz到MHz。按逆變器輸出的相數(shù)分可分為：?jiǎn)蜗嗄孀兤鳎嗄孀兤?，多相逆變器。按照逆變器輸出電能的去向分可分為：有源逆變器，無(wú)源逆變器。按逆變器主電路的形式分可分為：?jiǎn)味耸侥孀兤鳎仆焓侥孀兤鳎霕蚴侥孀兤?，全橋式逆變器。按逆變器主開(kāi)關(guān)器件的類型分可分為：晶閘管逆變器，晶體管逆變器，場(chǎng)效應(yīng)逆變器，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）逆變器。按直流電源分可分為:電壓源型逆變器（VSI），電流源型逆變器（CSI）。按逆變器控制方式分可分為：調(diào)頻式（PFM）逆變器，調(diào)脈寬式（PWM）逆變器。9.按逆變器開(kāi)關(guān)電路工作方式分可分為：諧振式逆變器，定頻硬開(kāi)關(guān)式逆變器，定頻軟開(kāi)關(guān)式逆變器。10.按逆變器輸出電壓或電流的波形分可分為：方波逆變器，階梯波逆變器，正弦波逆變器。方波逆變器輸出的電壓波形為方波，此類逆變器所使用的逆變電路也不完全相同，但共同的特點(diǎn)是線路比較簡(jiǎn)單，使用的功率開(kāi)關(guān)數(shù)量很少。設(shè)計(jì)功率一般在百瓦至千瓦之間。其優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是方波電壓中含有大量的高次諧波，在帶有鐵心電感或變壓器的負(fù)載用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備有干擾。此外，這類逆變器還有調(diào)壓范圍不夠?qū)挘Ｗo(hù)功能不夠完善，噪聲比較大等缺點(diǎn)。階梯波逆變器輸出的電壓波形為階梯波，逆變器實(shí)現(xiàn)階梯波輸出有多種不同的線路，輸出波形的階梯數(shù)目差別很大。階梯波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形比方波有明顯改善，高次諧波含量減少，當(dāng)階梯達(dá)到17個(gè)以上時(shí)輸出波形可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)正弦波，當(dāng)采用無(wú)變壓器輸出時(shí)整機(jī)效率很高[1]。缺點(diǎn)是階梯波疊加線路使用的功率開(kāi)關(guān)較多，其中還有些線路形式還要求有多組直流電源輸入。這給太陽(yáng)能電池方陣的分組與接線和蓄電池的均衡充電均帶來(lái)麻煩。此外階梯波電壓對(duì)收音機(jī)和某些通訊設(shè)備仍有一些高頻干擾。正弦波逆變器輸出的電壓波形為正弦波，正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形好，失真度很低，對(duì)收音機(jī)及通訊設(shè)備干擾小，噪聲低。此外，保護(hù)功能齊全，整機(jī)效率高。缺點(diǎn)是線路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)維修技術(shù)要求高，價(jià)格昂貴。11.按隔離方式光伏逆變器可分為：獨(dú)立光伏系統(tǒng)逆變器、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)逆變器。獨(dú)立逆變器包括邊遠(yuǎn)地區(qū)的村莊供電系統(tǒng)、太陽(yáng)能戶用電源系統(tǒng)、通信信號(hào)電源、陰極保護(hù)、太陽(yáng)能路燈等帶有蓄電池的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)光伏組件將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過(guò)逆變器逆變后轉(zhuǎn)換后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。2.2.2并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析電壓源型逆變器和電流源型逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。電流源型逆變器其直流側(cè)輸入為電流源，需要串聯(lián)一大電感提供較為穩(wěn)定的直流電流輸入，但此大電感會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前世界范圍內(nèi)大部分并網(wǎng)逆變器均采用直流側(cè)以電壓源為輸入的電壓源型逆變器。DCDCACLId+UdCuDCACL+UdCdu+電流源型逆變器電壓源型逆變器圖2-1電壓源型及電流源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖工頻變壓器型逆變器采用一級(jí)DC/AC主電路，變壓器置于逆變器與電網(wǎng)之間，如圖2-2所示。這種方式可有效阻止逆變器輸出波形中的直流分量注入電網(wǎng)，減少對(duì)電網(wǎng)的污染。高頻變壓器型逆變器采用兩級(jí)或多級(jí)變換實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變。以兩級(jí)變換為例，如圖2-3所示。前級(jí)將直流電壓斬波為高頻脈沖，通過(guò)高頻變壓器后整流，后級(jí)通過(guò)逆變器并網(wǎng)。aabCdLTusPV+圖2-2工頻變壓器型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖LLabCdTusCsPV++圖2-3高頻變壓器型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖高頻變壓器與工頻變壓器相比，體積小、重量輕，大大減小了投資成本。因此，一般傾向于采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)升降壓和隔離的功能。為了盡可能提高效率和降低成本，并網(wǎng)逆變器向無(wú)變壓器的非隔離型發(fā)展。與隔離型逆變器相比，非隔離型逆變器具有體積小、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)[15]。但由于輸出與輸入之間沒(méi)有隔離，光伏模塊存在一個(gè)較大的對(duì)地寄生電容，從而導(dǎo)致較大的對(duì)地漏電流。此漏電流會(huì)嚴(yán)重影響逆變器工作模式，也可能引發(fā)安全事故。3.單級(jí)式并網(wǎng)逆變器如圖2-4所示，由于直接將太陽(yáng)能光伏板發(fā)出的直流電通過(guò)逆變器并入電網(wǎng)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元器件少，體積較小，高效低功耗，減少資金投入，目前已成為研究熱點(diǎn)。多級(jí)式并網(wǎng)逆變器相對(duì)于單級(jí)式來(lái)說(shuō)需要多一級(jí)的能量轉(zhuǎn)換，其中前幾級(jí)具備升降壓或隔離的功能，用以實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整和MPPT的功能；最后一級(jí)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)、孤島檢測(cè)等功能，如圖2-5所示。此類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了各級(jí)的控制方法，提高了各級(jí)控制方法的效率。DCDCACPV濾波器us圖2-4單級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖DCACDCACPV濾波器usDCACPVACDCDCAC濾波器us雙級(jí)式DCDC多級(jí)式2.3并網(wǎng)逆變器的工作原理分析2.3.1單級(jí)式并網(wǎng)逆變器工作原理單級(jí)式并網(wǎng)逆變器根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系，可分為Buck逆變器、Boost逆變器和Buck-Boost逆變器。圖2-6為一個(gè)四開(kāi)關(guān)非隔離型半橋Buck-Boost逆變器，其將輸入端的光伏電源分為兩部分，分別為兩組Buck-Boost電路交替工作：當(dāng)交流電網(wǎng)在正半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管V2常通，開(kāi)關(guān)管V1處于高頻工作，V1導(dǎo)通時(shí)，PV1向L1供電，V1關(guān)斷時(shí)，L1中的電流通過(guò)D1、V2和Ls向電網(wǎng)回饋；當(dāng)交流電網(wǎng)在負(fù)半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管V4常通，開(kāi)關(guān)管V3處于高頻工作，V3導(dǎo)通時(shí)，PV2向L2供電，V3關(guān)斷時(shí)，L2中的電流通過(guò)D2、V4和Ls向電網(wǎng)回饋。本電路在每半個(gè)周期內(nèi)只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，具有開(kāi)關(guān)損耗低、EMI弱等優(yōu)點(diǎn)。但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光伏模塊利用率較低，所需直流濾波電容體積較大。PVPV2CPVCPV++PV1usL1L2LsV1V2V3V4D1D2圖2-6四開(kāi)關(guān)非隔離型半橋Buck-Boost逆變器拓?fù)鋱D2-7為一個(gè)隔離型反激式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器可看作是一對(duì)相互耦合的電感，其只用三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)隔離變壓器就可實(shí)現(xiàn)Buck-Boost變換：當(dāng)交流電網(wǎng)在正半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管V2常通，開(kāi)關(guān)管V1處于高頻工作，V1導(dǎo)通時(shí)，D1和V2處于斷態(tài)，PV向電感充電，V1關(guān)斷時(shí)，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)繞組L1、D1、V2和Ls向電網(wǎng)回饋；當(dāng)交流電網(wǎng)在負(fù)半周期時(shí)，開(kāi)關(guān)管V3常通，開(kāi)關(guān)管V1仍處于高頻工作，V1導(dǎo)通時(shí)，D2和V3處于斷態(tài)，PV向電感充電，V1關(guān)斷時(shí)，變壓器中的磁場(chǎng)能量通過(guò)繞組L2、D2、V3和Ls向電網(wǎng)回饋。該拓?fù)鋵⒐夥嚵泻碗娋W(wǎng)隔離，但損耗有所增加。因受反激式變壓器初級(jí)繞組電感量的限制，該拓?fù)涑Ｓ糜谖⑿凸夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)。PVPVCPV+usL1LsV2D1L2V3D2V1圖2-7隔離型反激式逆變器拓?fù)鋯渭?jí)式Buck-Boost并網(wǎng)逆變器省去了工頻變壓器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、投資成本小。但需要電感儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)升壓，因此僅適用于小功率場(chǎng)合。在大功率場(chǎng)合，多級(jí)式并網(wǎng)逆變器更為適合。2.3.2多級(jí)式并網(wǎng)逆變器工作原理1.DC-DC-AC雙級(jí)式圖2-8為兩級(jí)式非隔離Boost逆變器的典型應(yīng)用。該拓?fù)溆汕凹?jí)Boost升壓電路和后級(jí)全橋逆變電路組成。前級(jí)變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的升壓,保證直流電壓波動(dòng)在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，并且實(shí)現(xiàn)MPPT功能[20]。后級(jí)變換器采用PWM控制方式以單位功率因數(shù)并網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)等功能。該拓?fù)鋺?yīng)用兩種典型成熟電路，簡(jiǎn)單可靠，并且前后級(jí)控制目標(biāo)分離，分別獨(dú)立控制，大大簡(jiǎn)化了控制算法，易于實(shí)現(xiàn)。但該拓?fù)錄](méi)有變壓器，在有電氣隔離要求的場(chǎng)合不適用。aabCdLsusPVCPV+Lf圖2-8兩級(jí)式非隔離Boost逆變器拓?fù)鋱D2-9為一種高功率解耦隔離型反激式逆變器拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)溆汕凹?jí)Buck-Boost升斬波電路和后級(jí)半橋逆變電路組成。前級(jí)變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的電壓變換，并且實(shí)現(xiàn)MPPT功能：當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時(shí)，PV陣列通過(guò)V1、V4、D1和D2向電容Cd傳遞能量；當(dāng)V1、V4關(guān)斷，V2和V3導(dǎo)通時(shí)，Cd中的能量傳遞給反激變壓器并存儲(chǔ)在勵(lì)磁電感中；當(dāng)V2和V3關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁電感中的能量傳遞至變壓器的副邊。當(dāng)電網(wǎng)在正半周時(shí)，開(kāi)關(guān)管V5常通，繞組L1通過(guò)V5、D3和Ls向電網(wǎng)回饋能量；當(dāng)電網(wǎng)在負(fù)半周時(shí)，開(kāi)關(guān)管V6常通，繞組L2通過(guò)V6、D4和Ls向電網(wǎng)回饋能量。中間電容Cd被用作能量的緩存器，其兩端電壓由直流分量和兩倍負(fù)載頻率的交流電壓組成。該拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)是用中間電容取代了電解電容，使逆變器的整體壽命大大延長(zhǎng)[3]。CCPVb+usL1L2LsV1V5V4V6D1D2+PVV2V3D3D4CsPV圖2-9兩級(jí)式高功率解耦隔離型反激式逆變器拓?fù)?.DC-AC-DC-AC多級(jí)式高升壓比的多級(jí)式逆變器拓?fù)渫ǔＳ筛哳lDC-AC-DC變流器和工頻（或高頻）逆變器兩部分組成。高頻DC-AC-DC變流器將PV陣列輸出電壓變?yōu)榭烧{(diào)直流電壓；逆變器將該直流電轉(zhuǎn)換成為工頻交流電并網(wǎng)。圖2-10的后級(jí)是一個(gè)電流源型工頻逆變器的多級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器。前級(jí)逆變器開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3和V4工作在高頻狀態(tài)：當(dāng)V1和V4導(dǎo)通時(shí)，D1和D4導(dǎo)通，電感L的電流逐漸上升；當(dāng)V2和V3導(dǎo)通時(shí)，D2和D3導(dǎo)通，電感L的電流也上升。當(dāng)四個(gè)開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，四個(gè)二極管均導(dǎo)通，電感L的電流逐漸下降?？刂频卯?dāng)即可在電感L上得到電流全波。后級(jí)逆變器工作在工頻狀態(tài)：當(dāng)電網(wǎng)在正半周期時(shí)，V5和V8導(dǎo)通；當(dāng)電網(wǎng)在負(fù)半周期時(shí)，V6和V7導(dǎo)通。該拓?fù)渲虚g不需要電容，但如果V1、V4和V2、V3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，交流電壓uab中將含有直流分量，會(huì)在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和。aabCPVT+LabV1V2V3V8V4V5V6V7D1D3D4D2圖2-10電流源型多級(jí)式逆變器拓?fù)涠嗉?jí)式光伏并網(wǎng)逆變器通常在前級(jí)接入高頻變壓器，提高升壓比例，實(shí)現(xiàn)電氣隔離；后級(jí)是工頻逆變器，減少必要的開(kāi)關(guān)損耗。但該類拓?fù)湫枰_(kāi)關(guān)器件較多，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗有所增加。2.4并網(wǎng)逆變器的控制策略比較光伏逆變器對(duì)于功率因數(shù)有較高要求，為了準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)逆變，需要對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，通常的電流控制方式有兩種：其一是間接電流控制，也稱為相位幅值控制，控制原理簡(jiǎn)單，但精度較差，一般不采用；其二是直接電流控制，給出電流指令，直接采集輸出電流反饋，種控制方法控制精度高，準(zhǔn)確率好，系統(tǒng)魯棒性好，得到廣泛應(yīng)用。1.間接電流控制方式間接電流控制以電壓矢量圖為基礎(chǔ)，利用控制手段使逆變器的輸出電流始終和電網(wǎng)電壓同向，使輸出功率因數(shù)為1。2.直接電流控制方式直接電流控制是一種電流跟蹤控制方式，通常采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制模式，這類電流型控制技術(shù)是檢測(cè)并將電感電流或功率開(kāi)關(guān)電流作為電流內(nèi)環(huán)的反饋信號(hào)與電壓外環(huán)輸出的信號(hào)經(jīng)比較器比較后，去控制功率開(kāi)關(guān)的占空比，使功率開(kāi)關(guān)的峰值或谷值直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出信號(hào)的變化。并網(wǎng)逆變器采用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源與電壓源的并聯(lián)工作。并網(wǎng)工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網(wǎng)電壓變化即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。常用的電流跟蹤控制策略主要有瞬時(shí)值滯環(huán)控制方式、三角波比較控制方式及無(wú)差拍控制方式。(1)滯環(huán)控制方式滯環(huán)控制是把正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時(shí)值比較得到的誤差量作為滯環(huán)比較器的輸入，其輸出來(lái)控制逆變電路功率管的通斷。該控制方式選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)寬很重要，環(huán)寬越小，跟蹤誤差越小，但開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大。該控制方式電路簡(jiǎn)單、不用載波、電流響應(yīng)速度快，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。但功率開(kāi)關(guān)頻率隨負(fù)載電流的變化而變化，造成功率開(kāi)關(guān)工作有很大的不確定性，導(dǎo)致逆變器輸出電壓中諧波頻率隨開(kāi)關(guān)頻率變化而變化，從而給輸出濾波設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。(2)三角波比較控制方式三角波比較控制方式將正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時(shí)值比較得到誤差量經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后送比較器，與三角波比較后得到的SPWM信號(hào)去控制主電路功率管的導(dǎo)通與截止。該控制方式與電路跟蹤特性和PI電路參數(shù)有關(guān)，對(duì)于PI電路響應(yīng)快的系統(tǒng)，必須提高三角波載波頻率。三角波載波常使用三相三角波信號(hào)，以改善輸出電壓波形，該方法輸出電流的諧波脈動(dòng)比滯后比較器方式少，因此，常用于對(duì)諧波和噪聲要求較高的地方。(3)無(wú)差拍控制方式無(wú)差拍微處理器控制PWM逆變器是一種基于電路方程式的控制法，其思路是根據(jù)電路理論求出決定脈沖寬度的控制方程式，并借助微處理器行脈寬計(jì)算，使逆變器的輸出電壓逼近理想的正弦波。由于脈沖寬度是根據(jù)逆變器當(dāng)前的電路狀態(tài)實(shí)時(shí)確定的，因而無(wú)差拍PWM調(diào)制法比開(kāi)環(huán)PWM調(diào)制法具有更好的動(dòng)態(tài)性能和較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)能力。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，可以減少過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，當(dāng)用于非線性負(fù)載時(shí)，可以減少輸出電壓的諧波含量。2.5小結(jié)本章對(duì)逆變器進(jìn)行了分類，對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的并網(wǎng)逆變器進(jìn)行比較總結(jié)，研究了各種結(jié)構(gòu)逆變器的工作原理。分析比較了常用的逆變器電流控制策略，其中重點(diǎn)研究了工頻逆變器以及高頻逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了單級(jí)式并網(wǎng)逆變器及多級(jí)式并網(wǎng)逆變器的工作原理?？刂撇呗苑譃殚g接電流控制方式和直接電流控制方式，本章重點(diǎn)介紹了直接電流控制方式中的滯環(huán)控制方式，三角波比較控制方式，無(wú)差拍控制方式等。第3章并網(wǎng)逆變器的研究3.1引言逆變器并網(wǎng)運(yùn)行需要達(dá)到如下幾個(gè)指標(biāo)，逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓在頻率、相位上同步，并且能夠?qū)崟r(shí)的跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，電流的總畸變要低，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，功率因數(shù)近似為1。所以選擇一個(gè)好的控制策略以提高并網(wǎng)逆變器的效率至關(guān)重要[9]。逆變器的控制方法主要有采用經(jīng)典控制理論的控制策略和采用現(xiàn)代控制理論的控制策略兩種。經(jīng)典控制理論的控制策略主要包括電壓均值反饋控制，電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值反饋控制，電壓?jiǎn)伍]環(huán)瞬時(shí)值和電壓均值相結(jié)合的控制方法，電壓電流雙閉環(huán)瞬時(shí)控制?，F(xiàn)代控制理論的控制策略包括電壓電流雙閉環(huán)瞬時(shí)控制，無(wú)差拍控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制，重復(fù)控制等。對(duì)于并網(wǎng)逆變器還需達(dá)到并網(wǎng)要求，所以對(duì)于并網(wǎng)逆變器的控制還需考慮鎖相環(huán)技術(shù)，孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)和各種保護(hù)等。3.2光伏并網(wǎng)逆變器的主要性能指標(biāo)3.2.1電網(wǎng)對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的要求逆變器并網(wǎng)運(yùn)行需要達(dá)到如下幾個(gè)指標(biāo)，逆變器輸出的正弦波電流與電網(wǎng)的在頻率、相位上保持同步，并且能夠?qū)崟r(shí)的跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化，電流的總畸變要低，使并網(wǎng)系統(tǒng)的有功功率輸出達(dá)到最大，功率因數(shù)近似為1，能夠檢測(cè)出孤島效應(yīng)，安全隔離接地。為了避免光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)公共電網(wǎng)的污染,逆變器應(yīng)輸出失真度小的正弦波。影響波形失真度的主要因素之一是逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。在數(shù)控逆變系統(tǒng)中采用高DSP等新型處理器,可明顯提高并網(wǎng)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率性能,它已成為實(shí)際系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)之一。同時(shí),逆變器主功率元件的選也至關(guān)重要。依據(jù)IEEE2000-929和UL1741標(biāo)準(zhǔn),所有并網(wǎng)逆變器必須具有防孤島效應(yīng)的功能。孤島效應(yīng)是指當(dāng)電網(wǎng)因電氣故障、誤操作或自然因素等原因中斷供電時(shí),光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測(cè)出停電狀態(tài)并切離電網(wǎng),使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與周圍的負(fù)載形成一個(gè)電力公司無(wú)法掌握的自給供電孤島[7]。防孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是對(duì)電網(wǎng)斷電的檢測(cè)。為了保證電網(wǎng)和逆變器安全可靠運(yùn)行,逆變器與電網(wǎng)的有效隔離及逆變器接地技術(shù)也十分重要。電氣隔離一般采用變壓器。3.2.2光伏逆變器的性能指標(biāo)根據(jù)以上光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的要求，為正確選用光伏發(fā)電系統(tǒng)用的逆變器，應(yīng)對(duì)逆變器的技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容有如下幾項(xiàng)：

1.額定輸出容量

表征逆變器向負(fù)載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負(fù)載。但當(dāng)逆變器的負(fù)載不是純阻性時(shí)，也就是輸出功率小于1時(shí)，逆變器的負(fù)載能力將小于所給出的額定輸出容量值。

2.輸出電壓穩(wěn)定度

表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產(chǎn)品給出的是輸入直流電壓在允許波動(dòng)范圍內(nèi)該逆變器輸出電壓的偏差，通常稱為電壓調(diào)整率。高性能的逆變器應(yīng)同時(shí)給出當(dāng)負(fù)載由0%-100%變化時(shí)，該逆變器輸出電壓的偏差，通常稱為負(fù)載調(diào)整率。性能良好的逆變器的電壓調(diào)整率應(yīng)，負(fù)載調(diào)整率。

3.整機(jī)效率

表征逆變器自身功率損耗的大小，通常以％表示。容量較大的逆變器還應(yīng)給出滿負(fù)荷效率值和低負(fù)荷效率值。KW級(jí)以下逆變器的效率應(yīng)為80%-85%，10kw級(jí)逆變器的效率應(yīng)為85%-90%。逆變器效率的高低對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有重要影響。

4.保護(hù)功能

過(guò)電壓、過(guò)電流及短路保護(hù)是保證逆變器安全運(yùn)行的最基本措施。功能完美的正弦波逆變器還具有欠電壓保護(hù)、缺相保護(hù)及溫度越限報(bào)警等功能。

起動(dòng)性能

逆變器應(yīng)保證在額定負(fù)載下可靠起動(dòng)。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負(fù)荷起動(dòng)而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時(shí)采用軟起動(dòng)或限流起動(dòng)。

對(duì)于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的波形失真度和噪聲水平等技術(shù)性能也十分重要。3.3光伏并網(wǎng)逆變器的具體結(jié)構(gòu)3.3.1并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本文提出的并網(wǎng)逆變器由基于先進(jìn)的IGBT為主的功率模塊的轉(zhuǎn)換設(shè)備、保護(hù)控制裝置、以及輸入和輸出開(kāi)關(guān)設(shè)備等組成。系統(tǒng)功率部分模塊化、可擴(kuò)展、安裝維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、設(shè)備占地面積小，系統(tǒng)控制部分采用專業(yè)的控制保護(hù)平臺(tái)，硬件資源豐富、軟件功能完善、控制參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)配置靈活方便，可最大程度滿足用戶對(duì)系統(tǒng)靈活性和可伸縮性的要求。地面光伏電站為分布式發(fā)電系統(tǒng)，1MW為一個(gè)發(fā)電單元。MW級(jí)光伏發(fā)電單元需要采用兩臺(tái)光伏逆變器并聯(lián)，通過(guò)雙分裂升壓變壓器接入上級(jí)10kV或35kV系統(tǒng)。具體布置結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1光伏并網(wǎng)逆變器具體布置結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、單級(jí)功率變換、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。雖然工頻變壓器有體積重量大，噪音大等缺點(diǎn)，但是由于本結(jié)構(gòu)適用于大功率系統(tǒng)，所以輸入輸出的電氣隔離很重要。圖3-2為本文提出的并網(wǎng)逆變器電路圖。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、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(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)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。電網(wǎng)可視為容量無(wú)窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源，如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上就是兩個(gè)交流電壓源的并聯(lián)運(yùn)行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來(lái)控制系統(tǒng)的有功輸出與無(wú)功輸出，但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢,并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問(wèn)題，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，因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時(shí)光伏網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實(shí)際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓。即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。這種控制方式相對(duì)簡(jiǎn)單，使用比較廣泛。圖3-2光伏并網(wǎng)逆變器電路圖綜上所述，本文提出的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓源型逆變器。采用電壓源型逆變主電路,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ埽趯?shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用，可以有效的進(jìn)行光伏發(fā)電，提高供電質(zhì)量和減少功率損耗,而且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資。3.3.2并網(wǎng)逆變器的控制策略電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制策略是依據(jù)變流器空間電壓（電流）矢量切換來(lái)控制變流器的一種思路新穎的控制策略，SVPWM技術(shù)最初是應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的，后來(lái)擴(kuò)展成為一種在整流/逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的PWM方法[8]。此處主要討論三相橋式電壓型逆變器空間電壓矢量控制。將SVPWM應(yīng)用于有源逆變控制之中，主要繼承了SVPWM電壓利用率高、諧波成分低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用于有源逆變控制中的SVPWM技術(shù)主要分成兩類：其一是基于固定開(kāi)關(guān)頻率的SVPWM電流控制，即利用（d，q）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中電流調(diào)節(jié)器輸出的空間電壓矢量指令，再采用SVPWM使逆變器的空間電壓矢量跟蹤電壓矢量指令，從而達(dá)到電流控制的目的；其二是利用基于滯環(huán)電流控制的SVPWM，即利用電流偏差矢量或電流偏差變化率矢量空間分布給出最佳的電壓矢量切換，使電流偏差控制在滯環(huán)寬度以內(nèi)，這實(shí)際上是一種變開(kāi)關(guān)頻率的SVPWM[20]。電壓空間矢量PWM控制目前已成為逆變控制研究的熱點(diǎn)，相應(yīng)的新方案、新思路不斷涌現(xiàn)，本章首先就SVPWM基本問(wèn)題加以展開(kāi)，然后進(jìn)一步討論了三相有源逆變器固定開(kāi)關(guān)頻率SVPWM控制。SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)對(duì)基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來(lái)得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間可以一次施加，也可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，這樣通過(guò)控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，就可以使逆變器輸出近似正弦波電壓。首先定義電壓空間矢量概念，將三相相電壓、、分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量、、,它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律做變化，時(shí)間相位互差120°。假設(shè)Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有：(3-1)則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)就可以表示為：(3-2)可見(jiàn)U(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值，且以角頻率ω=2πf按逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)的空間矢量，而空間矢量U(t)在三相坐標(biāo)軸（a，b，c）上的投影就是對(duì)稱的三相正弦量。我們知道三相逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)（Sa，Sb，Sc）可以產(chǎn)生8種基本工作狀態(tài)，即：100、110、010、011、001、101、111、000。易得到開(kāi)關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以求出這些相電壓的矢量和相位角，這八個(gè)矢量就稱為基本電壓矢量，可分別命名為U0(000)、U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111)，其中U0、U7稱為零矢量，其余六個(gè)基本電壓矢量是有效的，稱做非零矢量。圖3-3給出了八個(gè)基本電壓空間矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同（模長(zhǎng)為2Udc/3），相鄰的矢量間隔60°，而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。在每一個(gè)扇區(qū)，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原則來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即：(3-3)或者進(jìn)一步等效寫成下式：(3-4)其中，Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0在一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間；其中U0包括了U0和U7兩個(gè)零矢量。式(3-3)的意義是，矢量Uref在T時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的積分效果和Ux、Uy以及零矢量作用時(shí)間Tx、Ty、T0、T7的積分相加總和值效果相同。將三相靜止平面坐標(biāo)系（a，b，c）中的相電壓轉(zhuǎn)換到兩相垂直平面坐標(biāo)系（α，β）中去。轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)表3-1和圖3-3。表3-1開(kāi)關(guān)函數(shù)與電壓在（α，β）坐標(biāo)系中分量的對(duì)應(yīng)關(guān)系矢量符號(hào)SASBSCUAUBU000000U1001-(1/6)1/2UD-(1/2)1/2UDU2010-(1/6)1/2UD(1/2)1/2UDU3011-(2/3)1/2UD0U4100(2/3)1/2UD0U5101(1/6)1/2UD-(1/2)1/2UDU6110(1/6)1/2UD(1/2)1/2UDU711100圖3-3復(fù)平面下八個(gè)基本電壓矢量分布圖由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡將是如圖3-4所示的圓形。所以要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可以利用以上電壓向量合成的技術(shù)，再對(duì)照旋轉(zhuǎn)電壓的觀念，在電壓空間向量上，將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開(kāi)始，每一次增加一個(gè)小增量，每一個(gè)小增量設(shè)定電壓向量可以用該區(qū)中相鄰的兩個(gè)基本非零向量與零電壓向量予以合成，如此所得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的[18]。圖3-4電壓空間矢量圖假定三相電壓命令所合成的電壓向量，其頻率以f表示，亦即設(shè)定的電壓向量的旋轉(zhuǎn)角速度是ω=2πf，旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為T=1/f；假設(shè)載波頻率是fs，則頻率調(diào)變比R=fs/f。這樣將電壓旋轉(zhuǎn)平面等切割成2R個(gè)小增量，亦即設(shè)定電壓向量每次增量的角度是：(3-5)式中Ts=1/fs為載波周期。定義Tz=Ts/2為載波周期的一半。今假設(shè)欲合成的電壓向量Uref在第Ⅰ區(qū)中第一個(gè)增量的位置，如圖3-5所示，欲用U4、U6、U0及U7予以合成，用平均值等效可得：(3-6)圖3-5電壓空間向量在第Ⅰ區(qū)的合成與分解在靜止參考坐標(biāo)系（α，β）中，令Uref和U4間的夾角是θ，由正弦定理得到：(3-7)因?yàn)?U=6U=2Udc/3，所以可以得到各矢量的狀態(tài)保持時(shí)間為：(3-8)式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù)（調(diào)制比），而零電壓向量所分配的時(shí)間為：(3-9)得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的時(shí)間后，接下來(lái)就是如何產(chǎn)生實(shí)際的脈寬調(diào)制波形。在SVPWM調(diào)制方案中，零矢量的選擇具有一定的靈活性，適當(dāng)選擇零矢量，在保持采樣周期不變的前提下最多可將開(kāi)關(guān)次數(shù)減少三分之一，并且這樣的零矢量分配方案有很多種。但僅僅減少開(kāi)關(guān)次數(shù)并不能使開(kāi)關(guān)損耗最小，在最大限度地減少開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)，盡可能避免在負(fù)載電流較大的時(shí)刻開(kāi)關(guān)動(dòng)作，可最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗。在此，我們暫以減少開(kāi)關(guān)次數(shù)為主要目標(biāo)，因此我們將基本矢量作用順序的分配原則選定為：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中功率開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)盡可能最少。因?yàn)檫@樣可以減少開(kāi)關(guān)損耗，并盡可能減少諧波。此處我們選擇了在每次開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只改變了其中一相的開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并且零矢量在時(shí)間上進(jìn)行了平均分配的方案，可稱之為對(duì)稱SVPWM方案，正是由于PWM波形的對(duì)稱性，從而可以有效地降低PWM的諧波分量?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)U4(100)切換至U0(000)時(shí)，只需改變a相上下一對(duì)切換開(kāi)關(guān)，若由U4(100)切換至U7（111）則需改變b相與c相上下兩對(duì)切換開(kāi)關(guān)，增加了一倍的切換損失。因此要改變電壓向量U4(100)、U2(010)、U1(001)的大小，需配合零電壓向量U0(000)，而要改變U6(110)、U3(011)、U5(100)，需配合零電壓向量U7(111)。這樣就可以在不同區(qū)間內(nèi)安排不同的開(kāi)關(guān)切換順序，以獲得對(duì)稱的輸出波形，如表3-2所示。表3-2Uref所在位置與開(kāi)關(guān)切換順序?qū)φ毡鞺ref所在的位置開(kāi)關(guān)切換順序第Ⅰ區(qū)（）0-4-6-7-7-6-4-0第Ⅱ區(qū)（）0-2-6-7-7-6-2-0第Ⅲ區(qū)（）0-2-3-7-7-3-2-0第Ⅳ區(qū)（）0-1-3-7-7-3-1-0第Ⅴ區(qū)（）0-1-5-7-7-5-1-0第Ⅵ區(qū)（）0-4-5-7-7-5-4-0圖3-6扇形Ⅰ區(qū)內(nèi)的三相波形以第Ⅰ扇區(qū)為例，其所產(chǎn)生的三相波調(diào)變波形在時(shí)間Tz時(shí)段中如圖3-4所示，圖中電壓向量出現(xiàn)的先后順序?yàn)閁0、U4、U6及U7，各電壓向量的三相波形則與表3-1中的開(kāi)關(guān)表示符號(hào)相對(duì)應(yīng)。再下一個(gè)Tz時(shí)段，Uref的角度增加一個(gè)γ，利用式（3-7）可以重新計(jì)算新的T0、T4、T6及T7值，而合成圖3-4所示三相脈波右半邊的波形，但其合成的順序?yàn)閁7、U6、U4及U0。結(jié)合兩個(gè)Tz時(shí)段，可以得到一次三相的脈波；又因Ts=2Tz，故每一個(gè)載波周期Ts合成一次脈波，設(shè)定電壓向量旋轉(zhuǎn)一周期后，共產(chǎn)生R個(gè)脈波。當(dāng)θ逐漸增大時(shí)，Uref將依序進(jìn)入第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)等，在各區(qū)中合成Uref所用的換流器基本電壓向量雖然不同，但計(jì)算的公式仍與（3-7）、（3-8）、（3-9）類似。值得注意的事，一個(gè)載波周期內(nèi)產(chǎn)生三相脈波的時(shí)序，計(jì)算脈波前半部的時(shí)序與后半部的時(shí)序并不相同，這是因?yàn)橛?jì)算后半部時(shí)序的角度較前半部多一個(gè)γ。應(yīng)用電壓空間向量調(diào)制法時(shí)，在輸入端需設(shè)定載波頻率fs、設(shè)定電壓命令Uref的大小與頻率f，其次調(diào)制法則決定R、Tz及θ后，即可根據(jù)表3-2產(chǎn)生三相脈波；當(dāng)設(shè)定電壓改變時(shí)，脈波的寬度與時(shí)序亦會(huì)隨之改變。一般來(lái)說(shuō)，SVPWM的控制方案分為三個(gè)部分，即三相電壓的區(qū)間分配、矢量合成的最佳序列選擇和控制算法。電壓的區(qū)間分配直接影響到具體的控制算法，矢量合成序列選擇的不同則關(guān)系到開(kāi)關(guān)損耗和諧波分量。通過(guò)以上SVPWM的法則推導(dǎo)分析我們可知要實(shí)現(xiàn)SVPWM信號(hào)的實(shí)時(shí)調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼?lái)合成參考電壓矢量，所以SVPWM算法的基本步驟為：1）判斷Uref所在的扇區(qū)；2）計(jì)算相鄰兩開(kāi)關(guān)電壓矢量作用的時(shí)間；3）根據(jù)開(kāi)關(guān)電壓矢量作用時(shí)間合成為三相PWM信號(hào)。圖3-5是在（α，β）坐標(biāo)系中描述的電壓空間矢量圖，電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量控制系統(tǒng)給出的矢量信號(hào)Uref，它以某一角頻率ω=θt在空間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)60°扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)選中該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。在高性能的交流調(diào)速及三相逆變系統(tǒng)中，通常采用三相軸系到（α，β）坐標(biāo)系的變換[18]。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，參考電壓矢量的（α，β）分量Uα和Uβ通過(guò)閉環(huán)控制器的輸出很容易獲得；開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，將期望輸出的電壓映射到（α，β）坐標(biāo)系中就可以獲得這兩個(gè)分量。這兩個(gè)分量在扇區(qū)I中與參考電壓矢量Uref的關(guān)系如圖3-4所示。獲得這兩個(gè)分量后，空間電壓矢量調(diào)制就可以比較容易的實(shí)現(xiàn)了。3.3.3鎖相環(huán)技術(shù)逆變器并網(wǎng)的條件是其輸出的正弦波電流與電網(wǎng)電壓在頻率、相位上同步，并且能夠?qū)崟r(shí)的跟蹤電網(wǎng)參數(shù)的變化。鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）能夠很好地跟蹤電網(wǎng)基波電壓，即使在電網(wǎng)諧波畸變率很大的情況下也應(yīng)該能夠達(dá)到要求。因此，PLL可以看作無(wú)相位畸變的高階帶通濾波器。PLL的基本結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。PLL的輸入為電網(wǎng)電壓的和部分，輸出為基波正弦波形。其結(jié)構(gòu)使用的是額定電網(wǎng)幅值。由于使用了兩個(gè)乘法器、兩個(gè)除法器和一個(gè)均方根操作，因此這種PLL算法在數(shù)字處理器中比較耗時(shí)。改進(jìn)的PLL結(jié)構(gòu)如圖3-8所示,其中為50Hz時(shí)的基波幅值[16]。圖3-7同步三相動(dòng)態(tài)電壓的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖3-8改進(jìn)的PLL結(jié)構(gòu)（假設(shè)電網(wǎng)電壓頻率不變）假設(shè)電網(wǎng)無(wú)諧波,并且頻率固定為50Hz,則圖3-8的PLL結(jié)構(gòu)中PI控制器的誤差輸入為：(3-10)其中和分別為電網(wǎng)電壓相位和PLL的輸出相位。為了方便調(diào)節(jié)PI控制器的參數(shù)，將PI控制器的輸入在工作點(diǎn)附近進(jìn)行線性化[20]。由于在穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)附近，PI控制器的誤差輸入(-)等于零，則PI控制器的線性誤差輸入表示為泰勒級(jí)數(shù)為：(3-11)因此,PI控制器的誤差輸入可表示為:(3-12)則PLL的小信號(hào)線性化傳遞函數(shù)表示為:(3-13)式(3-13)為存在一個(gè)零點(diǎn)的典型的二階系數(shù)。為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)。則PLL的自然頻率和阻尼系數(shù)分別為：(3-14)(3-15)根據(jù)上升時(shí)間和超調(diào)量的關(guān)系，系數(shù)最優(yōu)阻尼比為。而自然頻率與二階系統(tǒng)上升時(shí)間之間的關(guān)系可表示為：(3-16)則PI控制器的參數(shù)可根據(jù)上升時(shí)間和電網(wǎng)電壓幅值決定：(3-17)(3-18)假設(shè)上升時(shí)間為10ms的最優(yōu)阻尼系數(shù)，則PI控制器參數(shù)為：比例系數(shù)=0.82，積分時(shí)間常數(shù)=0.008。3.3.4LCL濾波技術(shù)圖3-10所示的單相LCL濾波器由逆變器側(cè)電感L1、濾波電容C1和網(wǎng)側(cè)電感L2組成，為直流側(cè)電壓，為逆變器的橋臂中點(diǎn)輸出電壓，為電網(wǎng)電壓。圖3-9LCL并網(wǎng)逆變器圖3-11為單一電流環(huán)控制的框圖，其中表示等效的系統(tǒng)延時(shí)，為電流調(diào)節(jié)器。延遲環(huán)節(jié)不影響原系統(tǒng)的幅值，但會(huì)影響原系統(tǒng)的相位延遲。在諧振頻率固定的前提下，逆變器開(kāi)關(guān)頻率越高，相位延遲作用越小，甚至可以忽略。但是，若考慮系統(tǒng)延遲，進(jìn)網(wǎng)電流的相位穿越-180時(shí)的頻率必定小于諧振頻率，閉環(huán)系統(tǒng)更容易滿足穩(wěn)定判據(jù)，有利于電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)。因而，在該類控制方案下，濾波器參數(shù)以及逆變器開(kāi)關(guān)(采樣)頻率同系統(tǒng)性能密切相關(guān)。隨著諧振頻率同開(kāi)關(guān)頻率的比值的增大，對(duì)于逆變器側(cè)電流的閉環(huán)控制來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；而對(duì)于進(jìn)網(wǎng)電流的單閉環(huán)控制來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)穩(wěn)定性反而有一定的改善[18]。圖3-10單一電流環(huán)控制框圖3.3.5孤島效應(yīng)檢測(cè)技術(shù)孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí)，并網(wǎng)裝置仍然保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)將不再控制這個(gè)電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時(shí)可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此必須避免孤島效應(yīng)的發(fā)生[15]。島效應(yīng)的檢測(cè)一般分成被動(dòng)式與主動(dòng)式。被動(dòng)式檢測(cè)是利用電網(wǎng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)如電壓、頻率、相位等作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。如果電網(wǎng)中負(fù)載正好與逆變器輸出匹配,被動(dòng)法將無(wú)法檢測(cè)到孤島的發(fā)生。主動(dòng)檢測(cè)法則是通過(guò)電力逆變器定時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào),以觀察電網(wǎng)是否受到影響作為判斷依據(jù),如脈沖電流注入法、輸出功率變化檢測(cè)法、主動(dòng)頻率偏移法和滑模頻率偏移法等[19]。它們?cè)趯?shí)際并網(wǎng)逆變器中都有所應(yīng)用,但也存在著各自的不足。當(dāng)電壓幅值和頻率變化范圍小于某一值時(shí),頻率偏移法無(wú)法檢測(cè)到孤島效應(yīng),即存在“檢測(cè)盲區(qū)”。輸出功率變化檢測(cè)法雖不存在“檢測(cè)盲區(qū)”,但光伏并網(wǎng)系統(tǒng)受到光照強(qiáng)度等影響,其光伏輸出功率隨時(shí)在波動(dòng),對(duì)逆變器加入有功功率擾動(dòng),將會(huì)降低光伏陣列和逆變系統(tǒng)的效率。因此，為了克服主動(dòng)檢測(cè)法與被動(dòng)檢測(cè)法，本設(shè)計(jì)采用主動(dòng)被動(dòng)相結(jié)合的檢測(cè)方法。3.3.6保護(hù)措施性能優(yōu)良的逆變器，應(yīng)具有完善的保護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種異常情況，使逆變器本身及系統(tǒng)其他部件免受損傷。1.輸入欠壓保護(hù)：當(dāng)輸入端電壓低于額定電壓的85％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。2.輸入過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)輸入端電壓高于額定電壓的130％時(shí)，逆變器應(yīng)有保護(hù)和顯示。3.過(guò)電流保護(hù)：逆變器的過(guò)電流保護(hù)，應(yīng)能保證在負(fù)載發(fā)生短路或電流超過(guò)允許值時(shí)及時(shí)動(dòng)作，使其免受浪涌電流的損傷。當(dāng)工作電流超過(guò)額定的150％時(shí)，逆變器應(yīng)能自動(dòng)保護(hù)。4.輸出短路保護(hù)：逆變器短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不超過(guò)0.5s。5.輸入反接保護(hù)：當(dāng)輸入端正、負(fù)極接反時(shí)，逆變器應(yīng)有防護(hù)功能和顯示。6.防雷保護(hù)：逆變器應(yīng)有防雷保護(hù)。7.過(guò)溫保護(hù)等，另外，對(duì)無(wú)電壓穩(wěn)定措施的逆變器，逆變器還應(yīng)有輸出過(guò)電壓防護(hù)措施，以使負(fù)載免受過(guò)電壓的損害。3.4小結(jié)本章對(duì)所提出的并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及逆變器的控制策略進(jìn)行了研究。同時(shí)重點(diǎn)研究了鎖相環(huán)技術(shù)，LCL濾波技術(shù)，孤島效應(yīng)檢測(cè)方法等。最后介紹了完善的保護(hù)措施。第4章試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論4.1試驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖4-1試驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖虛線框內(nèi)是被測(cè)試系統(tǒng)，如圖，其它部分是勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成的光伏測(cè)試平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)提供的試驗(yàn)條件如下：1.380V交流電源，及380V三相進(jìn)線電纜，額定電流為1000A；2.270V三相交流電并網(wǎng)接口，額定電流為1283A；3.RCS9410勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，輸出直流電壓0-800V可調(diào)；4.為調(diào)試設(shè)備、后臺(tái)計(jì)算機(jī)使用提供的220V交流電源；試驗(yàn)基本原則：二次系統(tǒng)先上電，一次回路先斷電。4.2試驗(yàn)項(xiàng)目耐壓試驗(yàn)直流輸入回路、交流輸出回路分別對(duì)地進(jìn)行直流2800V/60s耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中有無(wú)擊穿和閃絡(luò)異?，F(xiàn)象。直流耐壓試驗(yàn)?zāi)苡行У匕l(fā)現(xiàn)絕緣受潮，臟污等整體缺陷，并能通過(guò)電流與泄漏電流的關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)絕緣的局部缺陷。2.二次電源輸出檢驗(yàn)首先，用萬(wàn)用表電阻檔檢驗(yàn)二次電源變壓器、UPS輸出、開(kāi)入24V、霍爾電源、IGBT驅(qū)動(dòng)電源輸出、光電轉(zhuǎn)換板電源輸出，確保無(wú)短路后，給交流側(cè)實(shí)驗(yàn)電源上電。然后，用萬(wàn)用表在直流柜ZD端子側(cè)，測(cè)量各二次控制電源輸出電壓（此時(shí)二次電源應(yīng)為空載），空載輸出電壓正常后，將二次控制電源負(fù)載連上（注意：除光電轉(zhuǎn)換板），復(fù)測(cè)輸出電壓是否正常。最后，測(cè)量光電轉(zhuǎn)換板電源輸入，確保極性及幅值正確。（光電轉(zhuǎn)換板15V輸入有正負(fù)接反現(xiàn)象，請(qǐng)務(wù)必在插頭插上前保證光電轉(zhuǎn)換板電源輸入為+15V，否則會(huì)燒壞光電轉(zhuǎn)換板及驅(qū)動(dòng)板）。各二次電源輸出電壓值應(yīng)如下表所示：表4-1二次電源輸出電壓測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值（V）測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值（V）二次電源變壓器輸入270±13.5AC霍爾電源15±0.5DC二次電源變壓器輸出220±11ACIGBT驅(qū)動(dòng)電源15±0.5DCUPS輸出220±11AC光電轉(zhuǎn)換板電源輸入15±0.5DC開(kāi)入24V24±0.5DC3.光伏逆變器開(kāi)入開(kāi)出檢查用直流24V+作開(kāi)入信號(hào)模擬，在后臺(tái)對(duì)應(yīng)屏柜圖紙檢查每路開(kāi)入信息，確認(rèn)準(zhǔn)確無(wú)誤。在后臺(tái)對(duì)應(yīng)屏柜圖紙，對(duì)各路開(kāi)出信號(hào)進(jìn)行模擬，確認(rèn)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)、接觸器準(zhǔn)確分合，同時(shí)對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)入信號(hào)正確變位；確認(rèn)各路風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。4.光伏逆變器采樣試驗(yàn)通過(guò)繼電保護(hù)儀對(duì)光伏逆變器直流電壓、三相系統(tǒng)電壓、三相逆變電壓、三相逆變電流采樣通道進(jìn)行校驗(yàn)。并通過(guò)PCS-PC后臺(tái)錄波，核對(duì)各模擬量的幅值、相位是否正確。交流電流采樣測(cè)試：測(cè)量時(shí)，導(dǎo)線的繞圈匝數(shù)為10，從P2側(cè)穿過(guò)待測(cè)量逆變器A、B相CT，用繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出交流5A電流，在后臺(tái)觀察模擬量“逆變器A相電流有效值”、“逆變器B相電流有效值”的測(cè)量值，記錄數(shù)據(jù)并錄波核對(duì)；交流電壓采樣測(cè)試：用繼電保護(hù)測(cè)試儀在交流柜PT對(duì)應(yīng)的UD端子排側(cè)，輸出交流23.7V電壓，在后臺(tái)觀察模擬量“逆變A相電壓有效值”、“逆變B相電壓有效值”、“逆變C相電壓有效值”的測(cè)量值，記錄數(shù)據(jù)并錄波核對(duì)；直流電壓采樣測(cè)試：通過(guò)投勵(lì)增磁的方法對(duì)直流側(cè)加直流電壓，在后臺(tái)觀察模擬量“進(jìn)線直流電壓”測(cè)量值，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量直流柜進(jìn)線母排電壓值，記錄數(shù)據(jù)。要求：交流電壓、電流及直流電壓采樣值相對(duì)誤差應(yīng)小于5%；圖4-2三相系統(tǒng)電壓及電流采樣錄波波形5.IGBT及PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出試驗(yàn)首先，將逆變器A、B、C三相各IGBT驅(qū)動(dòng)板的光纖正確連接至試驗(yàn)裝置上，光纖連接時(shí)注意上下管對(duì)應(yīng)的順序。在PCS-PC中整定定值選項(xiàng)將測(cè)試占空比設(shè)置為0.8，然后在軟壓板中，將“固定占空比測(cè)試”、“強(qiáng)制PWM使能”置1，即開(kāi)通整流側(cè)PWM輸出。利用上拉電阻的方法進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試電路如下圖所示，直流電源為+24V。圖4-3逆變器模組簡(jiǎn)化圖圖4-4外加測(cè)試電路圖圖4-5IGBT及PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出試驗(yàn)PCS-PC畫面圖4-6上管脈沖波形圖4-7下管脈沖波形6.開(kāi)環(huán)、閉環(huán)試驗(yàn)開(kāi)環(huán)試驗(yàn)：試驗(yàn)前請(qǐng)確認(rèn)直流斷路器及交流斷路器已分開(kāi)，直流充電接觸器在合位，直流放電接觸器在分位。首先將直流電源投勵(lì)（不要增磁，投勵(lì)即可）輸出340V左右直流電壓，合上直流斷路器，然后在PCS-PC后臺(tái)“軟壓板”選項(xiàng)中將“合逆變接觸器”置0，“分逆變接觸器”置1；再將“開(kāi)環(huán)測(cè)試”置1，“固定占空比測(cè)試”置0，“強(qiáng)制PWM使能”置1。此時(shí)三相橋臂輸出三相對(duì)稱電壓，用PCS-PC錄波觀察逆變?nèi)嚯妷?、三相電流幅值及相位，三相電壓及電流?yīng)對(duì)稱，如圖4-8。圖4-8開(kāi)環(huán)錄波波形開(kāi)環(huán)試驗(yàn)完成后將“軟壓板”選項(xiàng)中更改的定值復(fù)位。閉環(huán)試驗(yàn)：試驗(yàn)前請(qǐng)確認(rèn)直流斷路器及交流斷路器已分開(kāi)，直流充電接觸器在合位，直流放電接觸器在分位。在PCS-PC后臺(tái)“軟壓板”中將“合逆變接觸器”置0，“分逆變接觸器”置1。確保并網(wǎng)條件滿足時(shí)接觸器仍在分位。在“定值整定”中將“逆變器有功輸出手動(dòng)設(shè)定”值改為50，“逆變器有功輸出無(wú)功設(shè)定”值改為0。合交流斷路器，完成交流側(cè)電源上電。將直流電源投勵(lì)，直流電壓同步上升，投至19.99°即滿勵(lì)為止。合直流斷路器，后臺(tái)“狀態(tài)”-“遙信”中“直流充電接觸器”位置應(yīng)由1變0。三分鐘后，將軟壓板“啟動(dòng)光伏并網(wǎng)”置1，用PCS-PC錄波觀察幅值相位，三相橋臂輸出電壓應(yīng)與電網(wǎng)電壓同頻同相，如圖4-9。圖4-9閉環(huán)錄波波形7.并網(wǎng)試驗(yàn)接閉環(huán)試驗(yàn)后，將PCS-PC->“軟壓板”->“停止光伏并網(wǎng)”置1，“分逆變接觸器”置0，然后“啟動(dòng)光伏并網(wǎng)”置1，完成光伏逆變器并網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)視逆變器運(yùn)行狀態(tài)。在PCS-PC后臺(tái)監(jiān)視“狀態(tài)”-“遙信”中交流接觸器在合位，保護(hù)測(cè)量中輸出有功功率50kW，確認(rèn)并網(wǎng)成功。如圖4-10所示，50kW功率時(shí)的并網(wǎng)錄波波形：圖3-21功率為50kW時(shí)并網(wǎng)錄波波形在“定值整定”中將輸出功率增至100kW，觀察逆變器狀態(tài)，5分鐘后測(cè)量一次IGBT溫度，如發(fā)現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)需立即停機(jī)；圖4-10并網(wǎng)錄波波形在“定值整定”中將輸出功率增至200kW，觀察逆變器狀態(tài)，5分鐘后測(cè)量一次IGBT溫度，如發(fā)現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)需立即停機(jī)；在“定值整定”中將輸出功率增至300kW，讓逆變器穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘。觀察逆變器狀態(tài)，每5分鐘測(cè)量一次IGBT溫度，如發(fā)現(xiàn)局部過(guò)熱點(diǎn)需立即停機(jī)。上述過(guò)程中確認(rèn)當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值45℃時(shí)，風(fēng)機(jī)能正常啟動(dòng)。8.升功率及拷機(jī)試驗(yàn)光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)后，逐步增加“定值整定”中逆變器輸出有功功率，使逆變器輸出功率逐步達(dá)到額定功率，開(kāi)始拷機(jī)試驗(yàn)。前半個(gè)小時(shí)每五分鐘觀察一次IGBT溫度，拷機(jī)試驗(yàn)時(shí)間不小于2小時(shí)?？綑C(jī)試驗(yàn)過(guò)程中需實(shí)時(shí)觀測(cè)IGBT、散熱器、電抗器、LCL濾波電阻等各主要發(fā)熱源的溫度，每半小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，IGBT及其他元件溫升不大于50度，IGBT之間溫度差異不大于10度，濾波電阻溫度不大于200度，所有元件（除濾波電阻外）最高溫度不大于90度。如有溫度異常或氣味異常，盡快停機(jī)檢查故障來(lái)源。正常停機(jī)方式：定值整定中，將逆變器輸出功率手動(dòng)設(shè)定值逐步減少到50kW，然后選擇軟壓板中“停止光伏并網(wǎng)”，然后將直流電源投勵(lì)19.99°狀態(tài)，改為逆變狀態(tài)，分開(kāi)交流斷路器，再分開(kāi)直流斷路器，待直流電壓降到50V以下后，才能切斷電源開(kāi)關(guān)柜中AK2、AK3、AK5斷路器，然后關(guān)閉UPS，最后斷開(kāi)二次系統(tǒng)電源，拆除試驗(yàn)接線，試驗(yàn)完畢。4.3試驗(yàn)結(jié)果耐壓試驗(yàn)?zāi)蛪呵埃褐绷鬟M(jìn)線端絕緣阻抗：無(wú)窮大、交流輸出端絕緣阻抗：600MΩ；耐壓后：直流進(jìn)線端絕緣阻抗：無(wú)窮大、交流輸出端絕緣阻抗：600MΩ；偏差率：直流進(jìn)線端：0.00%、交流輸出端：0.00%，耐壓前后絕緣阻抗相差不超過(guò)20%；直流正負(fù)接線對(duì)地施加電壓2.06kV，60s，通過(guò)；二次電源輸出檢驗(yàn)用萬(wàn)用表電阻檔檢驗(yàn)UPS、霍爾電源、驅(qū)動(dòng)電源、二級(jí)管風(fēng)機(jī)電源輸出，無(wú)短路。交流斷路器保持分位，交流側(cè)試驗(yàn)電源上電，啟動(dòng)UPS，用萬(wàn)用表交流電壓檔測(cè)量各二次電源輸出電壓，與額定值偏差小于0.5V。光伏逆變器開(kāi)入開(kāi)出檢查用直流24V+作開(kāi)入信號(hào)模擬，每路開(kāi)入信息正確無(wú)誤；對(duì)各路開(kāi)出信號(hào)進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)、接觸器準(zhǔn)確分合，同時(shí)對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)入信號(hào)正確變位；各路風(fēng)機(jī)能正常運(yùn)行。光伏逆變器采樣試驗(yàn)通過(guò)繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)光伏逆變器控制裝置直流電壓、三相系統(tǒng)電壓、三相逆變電壓、三相逆變電流采樣通道進(jìn)行校驗(yàn)。通過(guò)PCS-PC后臺(tái)錄波，校核各模擬量的幅值、相位均正確。IGBT及PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出試驗(yàn)在PCS-PC上將軟壓板“PWM測(cè)試”置1，再將“強(qiáng)制PWM使能”置1，開(kāi)通整流側(cè)PWM輸出。利用上拉電阻的方法，測(cè)試IGBT及PWM驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，通過(guò)示波器觀察高低電平占空比，和在PCS-PC中整定定值選項(xiàng)占空比設(shè)置值一致，滿足要求。開(kāi)環(huán)、閉環(huán)試驗(yàn)開(kāi)環(huán)試驗(yàn)：投勵(lì)，合直流斷路器，在PCS-PC上將軟壓板“軟件測(cè)試”、“PWM逆變使能”、“分逆變接觸裝置”置1，用示波器觀察交流側(cè)電壓波形，滿足要求。閉環(huán)試驗(yàn)：合交流側(cè)斷路器，在PCS-PC上將軟壓板“分逆變接觸裝置”置1，投勵(lì)至20%，合直流斷路器，等待3分鐘后并網(wǎng)，觀察交流側(cè)波形及電壓幅值，滿足要求。并網(wǎng)、升功率及溫升試驗(yàn)按照要求完成實(shí)現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)；光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)后，逐步增“定值整定”中逆變