500 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器

才利存，常忠廷，周如，宋新甫

（1.河南許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000；2.新疆電力設(shè)計院，新疆烏魯木齊830002;3.新疆電力公司電力規(guī)劃研究中心，新疆烏魯木齊830011）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，太陽能發(fā)電得到了廣泛的應(yīng)用，光伏并網(wǎng)逆變器作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)最核心的部分也得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)從原來的幾千瓦，幾十千瓦，發(fā)展到現(xiàn)在的幾百千瓦，但受到IGBT等電力電子器件的制約，大容量的光伏并網(wǎng)逆變器普遍采用了IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)容[1-2]。

本文首先分析了大容量光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)和主要元件的設(shè)計方法，并在此基礎(chǔ)上研制了一臺500 kW光伏并網(wǎng)逆變器的樣機(jī)，并對其進(jìn)行了測試，驗證了其實用性及可靠性，試驗證明其運行穩(wěn)定，性能可靠，具有較強(qiáng)的商業(yè)價值。

1 并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)設(shè)計

并網(wǎng)逆變器采用了功率模塊并聯(lián)技術(shù)，使用了2個完全相同的功率模塊進(jìn)行并聯(lián)，有效地抵消了由于功率器件原因?qū)ο到y(tǒng)容量所產(chǎn)生的制約。

硬件電路采用模塊化設(shè)計，主功率模塊、驅(qū)動電路及直流母線支撐電容，均置于一個功率模塊之內(nèi)，便于安裝和維護(hù)。主功率模塊采用了當(dāng)前主流的單級式結(jié)構(gòu)，集成了最大功率點跟蹤控制性能，提高了逆變器的效率，減少了成本，縮小了體積。直流側(cè)電路主要包括直流防雷器，直流EMI濾波器，直流接觸器，直流隔離開關(guān)，交流側(cè)主要包括防雷器，EMI濾波器，交流接觸器，交流隔離開關(guān)，LCL濾波器[3-4]圖1所示為光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 PV grid inverter system structure

控制電路采用雙DSP+雙口RAM結(jié)構(gòu)，控制側(cè)DSP主要負(fù)責(zé)PI控制器運算（電壓、電流雙閉環(huán)）PWM脈寬的計算等；邏輯側(cè)DSP主要負(fù)責(zé)啟停邏輯、功能保護(hù)、數(shù)據(jù)通訊等，具有過/欠壓、過/欠頻、過流、過載、恢復(fù)并網(wǎng)及孤島等保護(hù)功能，并具有恒電壓模式，恒功率模式，恒電流模式等多種運行方式。控制策略采用電壓電流雙閉環(huán)及SVPWM調(diào)制方式[5-9]l。圖2所示為控制電路框圖。

圖2 控制電路框圖Fig.2 Control circuit diagram

光伏并網(wǎng)逆變器啟動過程如圖3所示，整個過程包含停機(jī)、待機(jī)、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)控、啟動、最大功率點跟蹤（MPPT）、故障、關(guān)機(jī)等7個狀態(tài)。其中對各種故障進(jìn)行了分級處理，一、二級故障屬于可自恢復(fù)故障，三級故障屬于不可自恢復(fù)故障。

圖3 并網(wǎng)逆變器啟動過程Fig.3 Grid connected inverter starting process

2 主要元器件的參數(shù)設(shè)計

逆變器額定功率為500 kW，交流輸出電壓為270 V，開關(guān)頻率為3 kHz，采用2個完全相同的功率模塊進(jìn)行并聯(lián)。

2.1 IGBT選擇

交流輸出相電流的峰值為

因此，流過每個模塊的電流峰值為706 A，模塊兩端承受的最大直流電壓為900 V，考慮到最嚴(yán)重的過壓和過流等情況，最終選擇FF1400R12IP4型IGBT，其額定電流為1 400 A，額定電壓為1 200 V。

2.2 LCL濾波電路設(shè)計

相比較傳統(tǒng)的L型濾波器，LCL濾波器具有體積小，造價低，對高頻諧波抑制效果好等優(yōu)點，LCL濾波器已經(jīng)逐漸成為光伏并網(wǎng)逆變器的首要選擇。

2.2.1 總電感LT的選擇

電感LT在穩(wěn)態(tài)條件下要滿足逆變器輸出的有功（無功）功率以及電流波形品質(zhì)指標(biāo)。

1）滿足有功（無功）功率指標(biāo)時的電感LT設(shè)計單位功率因數(shù)下交流側(cè)的矢量關(guān)系如圖4所示。

圖4 逆變器交流側(cè)矢量關(guān)系Fig.4 Inverter ac side vector relationship

其中E觶為交流電網(wǎng)電動勢矢量，V觶L為交流側(cè)電感電壓矢量，V觶為交流側(cè)相電壓矢量，I觶為交流側(cè)電流矢量。

當(dāng)直流側(cè)電壓Vdc確定后，交流側(cè)相電壓的峰值

式中，Udc為直流母線電壓；Em為電網(wǎng)相電壓峰值，Im為電網(wǎng)電流峰值。

2）滿足瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)時的電感設(shè)計

考慮到電流過零（ωt=0）處一個PWM開關(guān)周期Ts中的電流跟蹤瞬態(tài)過程，得

3）抑制諧波電流時的電感設(shè)計

考慮到電流峰值（ωt=π/2）處一個PWM開關(guān)周期Ts中的電流跟蹤瞬態(tài)過程，得

式中，ΔImax為最大允許諧波電流脈動量，一般取10%～20%之間,本文取20%。

由式（4）、（5）、（6）取交集可得

實際濾波器設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)電流的快速跟隨性，在滿足諧波電流要求的情況下選擇的總電感值應(yīng)盡可能地小。

2.2.2 電感L1和L2的選取

式中，L2為網(wǎng)側(cè)電感；L1為逆變器側(cè)電感。由于采用模塊并聯(lián)技術(shù)故逆變器側(cè)總電感值為1/2單個電感值。不同的系統(tǒng)電感L1和L2的關(guān)系是不一樣

式中，k為一個系數(shù)，取值一般在0~1之間?？紤]到濾波器的體積和噪聲等因素，在滿足抑制高頻諧波性能的前提下，最終選取k值為0.5。

2.2.3 濾波電容的選擇

為了保證并網(wǎng)逆變器的功率因數(shù)，濾波電容的選取一般以濾波電容吸收的無功功率不大于系統(tǒng)有功功率的百分比為設(shè)計依據(jù)。

可得

式中，P為逆變器輸出的額定有功功率；Eg為電網(wǎng)相電壓有效值；ω1為電網(wǎng)基波角頻率；λ為濾波電容吸收的無功功率不占大于系統(tǒng)有功功率P的百分比，本文取2%。

2.2.4 約束條件

LCL濾波器對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)性能影響較大，LCL濾波器的諧振頻率范圍一般在10倍基波頻率與1/2開關(guān)頻率之間，否則電網(wǎng)諧波會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。即

2.2.5 直流支撐電容的選擇

直流電容的主要功能是濾除直流電壓紋波，另一方面要滿足直流電壓的動態(tài)響應(yīng)要求，即當(dāng)逆變器負(fù)載突然變化時能將直流電壓的波動維持在一定范圍之內(nèi)。假定負(fù)載在0~t時間內(nèi)引起負(fù)載功率的最大變化為ΔPmax，可得

3 實驗結(jié)果及分析

500 kW光伏并網(wǎng)逆變器的參數(shù)為：額定線電壓，270 V；額定電流，1 070 A；直流母線最大電壓，900 V；開關(guān)頻率，3 kHz；由式（7）得152 μF≤LT≤963 μF，取LT=180 μH，由式（8）、（9）最終選取的濾波電感值為，L1=240μH，L2=60 μH。由式（10）可得的濾波電容Cf≤436 μF，選取Cf=420 μF，由式（12）得LCL的諧振頻率fres=1.228 kHz，滿足式（11）的約束條件，由式（13）最終選取的直流母線電容值Cdc=14.4 mF。

為了驗證光伏并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定性及可靠性，對光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了滿功率環(huán)流試驗和各種性能測試。

3.1 滿功率環(huán)流試驗

滿功率環(huán)流試驗中，采用一臺大功率可調(diào)直流電源來模擬太陽能電池陣列，一臺500 kW光伏并網(wǎng)逆變器作為測試裝置，逆變器工作在單位功率因數(shù)下，試驗電路如圖5所示。

圖5 環(huán)流試驗電路圖Fig.5 Circulating current test circuit diagram

圖6 為滿功率運行時的試驗波形，其中，CH1為直流母線電壓；CH2為逆變器輸出電流；CH3為變壓器副邊電流；CH4為電網(wǎng)電流，由圖6可以看出，逆變器直流母線電壓為824 V，額定輸出電流為1 070 A。

圖6 環(huán)流試驗波形圖Fig.6 Circulating current test waveform figure

滿功率實驗表明，并網(wǎng)逆變器設(shè)計合理，工作可靠，可以在最大功率下長期運行。

3.2 性能測試

3.2.1 效率測試

1）效率理論計算值。在直流母線電壓為761 V的條件下，用Infineon公司提供的IPOSIM工具計算得出開關(guān)頻率分別為3 kHz和2.2 kHz條件下開關(guān)器件的總開關(guān)損耗,考慮到電抗器、風(fēng)機(jī)等的損耗后，計算得出逆變器在各個功率點的效率，根據(jù)計算出的效率繪制出不同開關(guān)頻率下逆變器的效率曲線，如圖7所示。

2）效率實測值。用功率分析儀分別測量逆變器在3 kHz和2.2 kHz的輸入輸出功率，根據(jù)計算出的逆變器的效率我們繪制不同開關(guān)頻率下的效率曲線如圖7所示。

圖7 不同開關(guān)頻率下的效率曲線Fig.7 Efficiency curve under different switching frequency

由圖7可知理論計算將開關(guān)頻率由3 kHz將為2.2 kHz之后，輕載情況下，效率會有大約1%的提升，在重載的情況下，效率會提升大約0.5%。在實際測量當(dāng)中開關(guān)頻率由3 kHz將為2.2 kHz之后，效率大約提升了1%。并網(wǎng)逆變器的最大效率可以達(dá)到98%，實際值與理論計算值基本吻合，滿足設(shè)計要求。

3.2.2 THD測試

用FLUKE 435電能質(zhì)量分析儀測得3 kHz和2.2 kHz開關(guān)頻率下的THD，根據(jù)測量的THD繪制的曲線如圖8所示。

在滿功率狀態(tài)下，逆變器的THD值均小于1%，滿足設(shè)計要求，并且2.2 kHz開關(guān)頻率下的THD值略小于3 kHz開關(guān)頻率下的THD值。

圖8 逆變器各功率等級下的THDFig.8 THD under all inverter power levels

3.3 溫升試驗

采用光纖測溫儀對滿功率運行下的逆變器主要元器件溫度進(jìn)行了實時監(jiān)測，溫度曲線如圖9、圖10所示。

圖9 0~1.5 h主要測試點溫度曲線Fig.9 Main test point temperature curve between 0 and 1.5 hours

圖10 5 h各測試點溫度曲線Fig.10 Main test point temperature curve in 5 hours

如圖10可知，在滿功率運行5 h后各主要元器件溫升已經(jīng)平衡，均在各元件器件的允許工作溫度范圍之內(nèi)，表明逆變器散熱設(shè)計合理，滿足設(shè)計條件。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，500 kW光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計合理，運行可靠，滿足各項設(shè)計指標(biāo)要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，具有很高的應(yīng)用和商業(yè)推廣價值。

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