论文部分内容阅读
【摘 要】本文阐述了单相光伏并网逆变器的基本原理和研制的关键技术。通过对最大功率点跟踪，孤岛效应以及并网控制等问题的分析，提出了具体的解决方案。
【关键词】 光伏；并网；逆变器；最大功率跟踪
引言
由于太阳能发电具有清洁环保、可再生等优点，随着近年来光伏组件价格大幅降低，光伏并网发电得到了规模应用。并网逆变器作为并网光伏发电系统中的关键设备之一，其关键技术设计对提高光伏发电效率、降低成本具有重要的意义。本文重点介绍了光伏并网逆变器设计中的关键技术，并给出了基于TMS320F28035作为核心处理器的并网逆变器具体设计方案。
一、光伏并网逆变器的基本原理
单相桥式并网逆变电路的原理如图1所示。逆变器的输出经过一个LC滤波环节接入电网。图中Unet为整个逆变器的输出电压，U0为逆变器的输出电压，L为滤波电感，I0为输出电流，它们满足如下关系：
与普通的逆变器相比，光伏并网逆变器不同之处在于它的输入工作曲线为非线性的太阳能电池的伏安曲线，输出负载为电网。因此，在控制上采用电流源输出控制，要求输出电流与电网电压同频同相，输出功率因数接近1，同时能稳定工作在光伏电池的伏安曲线上。
二、控制系统关键技术
本文从最大限度输出功率，安全并网以及提高逆变器效率，减小输出波形畸变的角度对控制系统进行了设计，下面具体阐述其中的关键技术。
（一）最大功率点的跟踪控制
太阳能电池的伏安特性表示不同光强和温度下太阳能电池的伏安曲线。它的输出功率—电压曲线如图2所示。从图中可以看出，每条曲线都存在一个最大功率点，这个功率点对应唯一的太阳能电池输出电压。因此通过调节太阳能电池的输出电压使其趋近最大功率点时的输出电压，就可以实现最大功率点的跟踪。
爬坡法作为太阳能最大功率点的跟踪方法之一由于其简单、易行，被广泛应用。它的主要思想是通过周期性的给太阳能电池的输出电压加扰动，比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加在下一个周期以同样方向加扰动，否则改变扰动的方向。然而它这种方法没有将太阳能电池输出功率的变化与光强的变化联系起来。输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。
导纳微分法根据最大功率点对应的电压来调节太阳能电池的输出电压，从而避免了这种现象的出现。从图3中可以看出，值的是与输出电压值一一对应的。
当，在最大功率点处 （1）
当，在最大功率点左边 （2）
当，在最大功率点右边 （3）
并且，因此通过判断即 的符号，就可以确定工作点的位置了。
当光强的变化时候如图3所示，若光强变化，工作点由跳到了，则
将偏差分离出来，
为了确保符号判断的正确也就是实际工作点的位置，需有
由于并且在最大功率点附近，上式可以简化成
因此，在满足的情况下，通过测量和计算 和的值就可以通过上边的关系式（1）（2）（3）判断出太阳能输出电压与实际最大功率点输出电压的关系了。
算法中，。和为本次采样值。和为上一周期采样值。比较和的值判断出工作点在曲线的左、右哪侧，从而对进行相应的调节。当说明已经工作在最大功率点了，无须再调节。
当系统在上一周期已经工作在最大功率点时即，而光强变化时即，系统通过判断的符号来对进行相应的调节。
由于和不是精确计算结果，因此在实际中可以认为时系统就工作在最大功率点。
（二）孤岛效应的防止
孤岛的检测方法一般分为被动法和主动法。本文结合实际逆变器的控制原理，采用主动式阻抗检测法来实现孤岛现象的防止。作为电流源输出的光伏并网逆变器，有
周期的在电流幅值上加一些小的扰动，通过检测这些扰动在电网电压上的响应来判断是否存在孤岛。当电网未断开时，由于电网的存在，电流幅值的扰动不会造成了逆变器输出电压幅值的扰动。当电网断开时，电流幅值的扰动就会造成负载电压的变化，通过检测这个电压幅值的变化，就能判断出是否存在孤岛。实践中证明这种方法简单、易行。
（三）系统的控制
系统的构成如图4所示。本文采用了单相全桥式结构，TMS320F28035作为系统的主控芯片。
太阳能电池的输入电压变化范围是250V～800V。系统通过一级逆变后，经隔离变压器隔离，将逆变得到的交流电送往电网。这样通过一级电路实现并网逆变，提高了系统的效率。
系统的控制方案如图5所示。由于系统用于并网逆变，因此采用的为电流源输出控制。通过电流闭环，实现输出电流跟踪给定电流。根据最大功率点跟踪算法得出实际跟踪的太阳能电池电压指令。通过调整输出电流指令，从而使逆变器输入电压跟踪 。从而实现最大功率点的跟踪。
方案中输出电流的控制采用了固定开关频率的控制方法。固定开关频率控制是将电流误差P调节后作为调制波与三角载波比较产生PWM波。但它的缺点在于与实际电流在理论上必须存在偏差，才能产生PWM波。因此在固定开关频率控制的基础上有所改进，加入了交流侧网压的计算。即电流误差信号经过P调节后与相加，得到的值再与三角载波进行比较。其中在物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。与之和其物理意义上就相当于逆变器输出脉冲电压，它与逆变器输出向量图一致。改进的固定开关频率的控制策略在保持原有优点的同时电流跟踪误差显著减小，改善了PWM整流器的电流跟踪性能。
系统中正弦波调制方法采用了高、低频脉冲结合的方法。同一桥臂中上桥臂为高频脉冲，下桥臂为工频脉冲，如图6所示。通过这种方法大大减小了开关损耗。同时这种方法不需设置死区时间，从而也大大改善了输出波形。
图6正弦调制图
三、结束语
本文所阐述了光伏并网逆变器的控制思想。系统采用一级逆变电路，减小了系统损耗。TMS320F28035作为主要控制芯片，使系统具有很好的动态响应。同时系统控制中采用了最大功率点跟踪技术以及孤岛保护控制，使系统最大限度的输出功率以及安全可靠的并网运行。通过实验证明该系统性能稳定、安全可靠。
參考文献：
[1]王长贵，王斯成主编. 太阳能光伏发电实用技术（二版）.化学工业出版社，2009
[2]张兴，曹仁贤等. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制. 机械工业出版社，2011.
【关键词】 光伏；并网；逆变器；最大功率跟踪
引言
由于太阳能发电具有清洁环保、可再生等优点，随着近年来光伏组件价格大幅降低，光伏并网发电得到了规模应用。并网逆变器作为并网光伏发电系统中的关键设备之一，其关键技术设计对提高光伏发电效率、降低成本具有重要的意义。本文重点介绍了光伏并网逆变器设计中的关键技术，并给出了基于TMS320F28035作为核心处理器的并网逆变器具体设计方案。
一、光伏并网逆变器的基本原理
单相桥式并网逆变电路的原理如图1所示。逆变器的输出经过一个LC滤波环节接入电网。图中Unet为整个逆变器的输出电压，U0为逆变器的输出电压，L为滤波电感，I0为输出电流，它们满足如下关系：
与普通的逆变器相比，光伏并网逆变器不同之处在于它的输入工作曲线为非线性的太阳能电池的伏安曲线，输出负载为电网。因此，在控制上采用电流源输出控制，要求输出电流与电网电压同频同相，输出功率因数接近1，同时能稳定工作在光伏电池的伏安曲线上。
二、控制系统关键技术
本文从最大限度输出功率，安全并网以及提高逆变器效率，减小输出波形畸变的角度对控制系统进行了设计，下面具体阐述其中的关键技术。
（一）最大功率点的跟踪控制
太阳能电池的伏安特性表示不同光强和温度下太阳能电池的伏安曲线。它的输出功率—电压曲线如图2所示。从图中可以看出，每条曲线都存在一个最大功率点，这个功率点对应唯一的太阳能电池输出电压。因此通过调节太阳能电池的输出电压使其趋近最大功率点时的输出电压，就可以实现最大功率点的跟踪。
爬坡法作为太阳能最大功率点的跟踪方法之一由于其简单、易行，被广泛应用。它的主要思想是通过周期性的给太阳能电池的输出电压加扰动，比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加在下一个周期以同样方向加扰动，否则改变扰动的方向。然而它这种方法没有将太阳能电池输出功率的变化与光强的变化联系起来。输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。
导纳微分法根据最大功率点对应的电压来调节太阳能电池的输出电压，从而避免了这种现象的出现。从图3中可以看出，值的是与输出电压值一一对应的。
当，在最大功率点处 （1）
当，在最大功率点左边 （2）
当，在最大功率点右边 （3）
并且，因此通过判断即 的符号，就可以确定工作点的位置了。
当光强的变化时候如图3所示，若光强变化，工作点由跳到了，则
将偏差分离出来，
为了确保符号判断的正确也就是实际工作点的位置，需有
由于并且在最大功率点附近，上式可以简化成
因此，在满足的情况下，通过测量和计算 和的值就可以通过上边的关系式（1）（2）（3）判断出太阳能输出电压与实际最大功率点输出电压的关系了。
算法中，。和为本次采样值。和为上一周期采样值。比较和的值判断出工作点在曲线的左、右哪侧，从而对进行相应的调节。当说明已经工作在最大功率点了，无须再调节。
当系统在上一周期已经工作在最大功率点时即，而光强变化时即，系统通过判断的符号来对进行相应的调节。
由于和不是精确计算结果，因此在实际中可以认为时系统就工作在最大功率点。
（二）孤岛效应的防止
孤岛的检测方法一般分为被动法和主动法。本文结合实际逆变器的控制原理，采用主动式阻抗检测法来实现孤岛现象的防止。作为电流源输出的光伏并网逆变器，有
周期的在电流幅值上加一些小的扰动，通过检测这些扰动在电网电压上的响应来判断是否存在孤岛。当电网未断开时，由于电网的存在，电流幅值的扰动不会造成了逆变器输出电压幅值的扰动。当电网断开时，电流幅值的扰动就会造成负载电压的变化，通过检测这个电压幅值的变化，就能判断出是否存在孤岛。实践中证明这种方法简单、易行。
（三）系统的控制
系统的构成如图4所示。本文采用了单相全桥式结构，TMS320F28035作为系统的主控芯片。
太阳能电池的输入电压变化范围是250V～800V。系统通过一级逆变后，经隔离变压器隔离，将逆变得到的交流电送往电网。这样通过一级电路实现并网逆变，提高了系统的效率。
系统的控制方案如图5所示。由于系统用于并网逆变，因此采用的为电流源输出控制。通过电流闭环，实现输出电流跟踪给定电流。根据最大功率点跟踪算法得出实际跟踪的太阳能电池电压指令。通过调整输出电流指令，从而使逆变器输入电压跟踪 。从而实现最大功率点的跟踪。
方案中输出电流的控制采用了固定开关频率的控制方法。固定开关频率控制是将电流误差P调节后作为调制波与三角载波比较产生PWM波。但它的缺点在于与实际电流在理论上必须存在偏差，才能产生PWM波。因此在固定开关频率控制的基础上有所改进，加入了交流侧网压的计算。即电流误差信号经过P调节后与相加，得到的值再与三角载波进行比较。其中在物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压。与之和其物理意义上就相当于逆变器输出脉冲电压，它与逆变器输出向量图一致。改进的固定开关频率的控制策略在保持原有优点的同时电流跟踪误差显著减小，改善了PWM整流器的电流跟踪性能。
系统中正弦波调制方法采用了高、低频脉冲结合的方法。同一桥臂中上桥臂为高频脉冲，下桥臂为工频脉冲，如图6所示。通过这种方法大大减小了开关损耗。同时这种方法不需设置死区时间，从而也大大改善了输出波形。
图6正弦调制图
三、结束语
本文所阐述了光伏并网逆变器的控制思想。系统采用一级逆变电路，减小了系统损耗。TMS320F28035作为主要控制芯片，使系统具有很好的动态响应。同时系统控制中采用了最大功率点跟踪技术以及孤岛保护控制，使系统最大限度的输出功率以及安全可靠的并网运行。通过实验证明该系统性能稳定、安全可靠。
參考文献：
[1]王长贵，王斯成主编. 太阳能光伏发电实用技术（二版）.化学工业出版社，2009
[2]张兴，曹仁贤等. 太阳能光伏并网发电及其逆变控制. 机械工业出版社，2011.