基于2路輸入的三電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究

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（1.北京科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100041；3.南昌工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，江西 南昌 330099）

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加和人們生活水平的提高，對能源的需求也越來越大，使得傳統(tǒng)的能源儲存量正在日益枯竭，這樣導(dǎo)致了能源短缺。因此開發(fā)、利用可再生能源和各種綠色能源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是人類必須采取的措施。從諸多因素考慮，太陽能是最符合可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略的理想綠色能源，因而引起了世界各國政府和能源專家的日益重視，在國內(nèi)，電能緊缺已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)非常嚴(yán)峻的地步，光伏并網(wǎng)發(fā)電有望在未來緩解這一緊張的局面。

光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心裝置，逆變器一方面將太陽能電池陣列發(fā)出的直流電通過DC／AC逆變?yōu)榻涣麟姡诮o負(fù)載供電的同時(shí)把多余的能量注入到電網(wǎng)中；另一方面又可以對交流電的電壓、電流、相位、幅值、有功和無功等進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能。三相光伏并網(wǎng)逆變器有電流源型和電壓源型2種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于電流源型逆變器主電路及控制電路相對比較復(fù)雜，并且系統(tǒng)運(yùn)行效率低，而電壓源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、主電路損耗低等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此本文設(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。

本文主要介紹了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制原理?；贒SP芯片TMS320F28335搭建了1套2路輸入總功率為15kW的三電平光伏并網(wǎng)逆變器，并給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用本文的方法所設(shè)計(jì)的逆變器具有穩(wěn)定性好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為2路直流輸入的三電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 2路直流輸入的三電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of three－level photovoltaic gridconnected system based on two－input

在直流側(cè)：為了滿足不同用戶的需求，2路直流輸入電池陣列可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定不同的安裝方向，也可以接到不同電壓等級和不同功率規(guī)格的電池組件中。系統(tǒng)中升壓單元由2路獨(dú)立的BOOST組成，可以在不同的輸入電壓、功率下運(yùn)行，2路升壓單元采用相同的閉環(huán)控制方式將電壓升至同一直流母線上，輸出功率匯總到母線電容中，若系統(tǒng)只有1路輸入時(shí)，可以用該路作為前級升壓；每條支路都有自己的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，使系統(tǒng)工作在當(dāng)前的最大功率點(diǎn)，并且各路光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤相互獨(dú)立，互不干擾，提高了整個(gè)系統(tǒng)效率。在交流側(cè)：采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。電壓外環(huán)控制逆變器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定并給出內(nèi)環(huán)電流參考值的幅值，電流內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出電流為參考值以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

由于三電平PWM逆變電路可以在較低的開關(guān)頻率下減少高次諧波對電網(wǎng)的污染，而且相對于傳統(tǒng)的兩電平PWM逆變器而言，二極管鉗位式三電平PWM逆變器具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1）在直流母線電壓一定的情況下，開關(guān)器件的耐壓等級減小一半；2）在同等開關(guān)頻率下，三電平逆變器輸出電壓的諧波含量降低50%；3）采用相同功率等級的開關(guān)器件，輸出功率可以提高一倍等優(yōu)點(diǎn)。

所以本系統(tǒng)采用二極管鉗位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流低諧波含量、高功率因數(shù)的目標(biāo)。

3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制原理

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，每種功能都劃分為相應(yīng)的模塊，控制軟件的主要功能模塊由MPPT模塊、并網(wǎng)逆變器控制模塊、防孤島模塊、STATE狀態(tài)機(jī)功能模塊、PV Interface模塊、GRID Interface模塊和COM通訊接口模塊等組成。

1）MPPT模塊。光伏陣列工作點(diǎn)不同決定了它的輸出功率不同，系統(tǒng)工作時(shí)，太陽能陣列在一定的溫度和日照強(qiáng)度下具有唯一的最大功率點(diǎn)［2］。但由于太陽電池陣列的輸出特性受負(fù)荷狀態(tài)、日照量、環(huán)境溫度等因素的影響，電池陣列的電壓和電流均發(fā)生很大的變化，從而使輸出功率不穩(wěn)定，即最大功率點(diǎn)總是在發(fā)生變化。由于每條支路因受外界條件不均會導(dǎo)致輸出功率失配，如果采用集中式最大功率點(diǎn)跟蹤，將嚴(yán)重降低整體效率，特別是在使用不同特性的光伏陣列時(shí)，該特點(diǎn)表現(xiàn)更加突出［3］。為解決這一問題，保證系統(tǒng)穩(wěn)定地工作在當(dāng)前最大功率點(diǎn)，本系統(tǒng)的各支路單獨(dú)設(shè)置MPPT環(huán)節(jié)，當(dāng)各支路光伏陣列特性不同或者說光照和溫度條件不同時(shí)，各支路可獨(dú)立進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，使自身支路工作在最大功率點(diǎn)，從而有效解決了各支路之間的功率失配問題，這樣提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率［4］。

2）并網(wǎng)逆變控制模塊。并網(wǎng)逆變閉環(huán)控制是根據(jù)功率平衡的原理來實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)太陽能電池的輸出功率大于逆變器的輸出功率時(shí)，也就是說此時(shí)太陽能電池的輸出功率沒能及時(shí)反饋到電網(wǎng)上去，則DC－Link部分就會有剩余能量堆積而使DC－Link的電壓升高，此時(shí)就通過加大電流指令，即增加DC－AC逆變器輸出到電網(wǎng)的功率來消耗DC－Link的剩余能量而使DC－Link的電壓下降。反之，就減小電流指令使得電壓上升，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

3）防孤島模塊。當(dāng)系統(tǒng)工作于直接并網(wǎng)方式時(shí)，除了基本的保護(hù)功能如短路、過壓、過流、欠頻、過頻、過熱等以外，還應(yīng)該具有防孤島效應(yīng)的特殊功能。所謂孤島效應(yīng)，就是指：當(dāng)電力公司的供電系統(tǒng)因故障或停電維修而跳脫時(shí)，各個(gè)用戶端的太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)未能及時(shí)檢測出停電狀態(tài)而將自身切離電網(wǎng)，而形成由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和周圍負(fù)載形成的一個(gè)電力公司無法掌握的自給供電孤島。孤島效應(yīng)具有相當(dāng)大的危害性，甚至?xí)斐缮ｋU(xiǎn)，因此對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)來說，具有防孤島效應(yīng)（anti－islanding）的功能是至關(guān)重要的。防孤島效應(yīng)的關(guān)鍵是對電網(wǎng)斷電的檢測，且檢測時(shí)間越短效果越好。本文采用以擾動(dòng)并網(wǎng)輸出電流的方式來檢測電網(wǎng)斷電發(fā)生電流變動(dòng)，檢測的原理是通過微處理器的控制，對逆變器的輸出電流施以周期性的變動(dòng)，以達(dá)到主動(dòng)破壞供需平衡的目的［5］。

4）STATE狀態(tài)機(jī)功能模塊。主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)直流側(cè)的狀態(tài)采集、狀態(tài)識別和狀態(tài)切換控制。要實(shí)現(xiàn)的功能有：獲取各種開關(guān)狀態(tài)、系統(tǒng)工作狀態(tài)的判斷、系統(tǒng)在各種工作狀態(tài)下的工作模式及相應(yīng)的事件處理、系統(tǒng)輸出信號控制。

5）PV Interface模塊。主要完成從光伏陣列到逆變器輸入母線的接口工作，包括PV側(cè)參數(shù)采樣計(jì)算、PV側(cè)電壓控制、PV側(cè)正負(fù)母線均壓控制、保護(hù)和告警功能。

6）GRID Interface模塊。主要完成從直流側(cè)到電網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)變換控制工作，包括：交流接觸器的軟啟控制、GRID側(cè)參數(shù)采樣計(jì)算、并網(wǎng)電流性能控制、電網(wǎng)適應(yīng)性控制、輸出限功率控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)控制、開關(guān)機(jī)輸出功率緩變控制、逆變器逆向電流保護(hù)功能、孤島檢測控制、保護(hù)和告警功能、手動(dòng)開關(guān)機(jī)控制、發(fā)電量計(jì)算功能、LVRT控制、諧波分析控制。

7）COM通訊接口模塊。負(fù)責(zé)建立通訊有CANA，CANB，RS485A 通訊軟件模塊、RS485B通訊軟件模塊。CANA通訊模塊為快速CAN通訊模塊（1Mb／s），用于高速電流指令的傳輸；CANB通訊模塊為慢速CAN通訊模塊（250 kb／s），用于各模塊間交互較慢的基本信息；RS 485A通訊模塊與單元模組內(nèi)部液晶建立RS485通訊，用于傳輸本機(jī)的基本信息；RS485B通訊模塊，作為本機(jī)的RS485外部接口，通過與PC建立通訊可以完成對本機(jī)的調(diào)試診斷和校正。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上對系統(tǒng)的描述，設(shè)計(jì)了1套2路直流輸入總功率為15kW的三電平光伏并網(wǎng)逆變器。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于直接使用太陽能電池板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)存在著時(shí)間長，費(fèi)用高等缺點(diǎn)，為了方便可靠地對太陽能電池進(jìn)行MPPT效率的測試，利用Chroma光伏模擬器進(jìn)行測試。圖2為系統(tǒng)工作時(shí)的MPPT效率測試圖。

圖2 系統(tǒng)工作時(shí)的MPPT效率測試圖Fig.2 Test diagram of system working MPPT efficiency

從圖2中可以看出系統(tǒng)MPPT具有很高的效率并且始終穩(wěn)定地工作在最大功率點(diǎn)附近，從而保證整個(gè)系統(tǒng)有很高的效率。圖3為并網(wǎng)電流和電壓圖。

圖3 并網(wǎng)電流和電壓圖Fig.3 Waveforms of grid current and voltage

從圖3可以看出：當(dāng)逆變器正常運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，功率因數(shù)為1，從而保證系統(tǒng)具有很高的效率。圖4為防孤島效應(yīng)波形圖。

圖4為在實(shí)驗(yàn)中并網(wǎng)逆變器運(yùn)行時(shí)突然電網(wǎng)斷電時(shí)電流和并網(wǎng)電壓波形圖，以此來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的防孤島模塊。從圖4中可以看出：逆變器輸出電流在電網(wǎng)電壓掉電后115ms電流變?yōu)?。這滿足國際標(biāo)準(zhǔn)IEEEStd.2000－929和UL1741對孤島效應(yīng)檢測時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。圖5為UPV變化時(shí)電流和并網(wǎng)電壓波形圖。

圖4 防孤島效應(yīng)波形圖Fig.4 Waves of antiislanding effects

圖5為并網(wǎng)逆變器正常運(yùn)行時(shí)，UPV瞬間突然變化時(shí)電網(wǎng)側(cè)輸出電流Igrid波形圖，可以看出：當(dāng)UPV瞬間變化時(shí)輸出電流Igrid在很短時(shí)間內(nèi)也跟著變化，說明系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖5 UPV變化時(shí)電流和并網(wǎng)電壓波形圖Fig.5 Inverter output current and grid voltage waveforms when UPVis change

5 結(jié)論

本文基于DSP芯片TMS320F28335搭建了1套2路直流輸入總功率為15kW的三電平光伏并網(wǎng)逆變器。詳細(xì)說明了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制原理，并深入地分析了控制軟件各個(gè)功能塊的工作原理。通過該裝置的現(xiàn)場運(yùn)行，給出了相關(guān)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的逆變器的控制方案具有良好的穩(wěn)定性和很高的效率，有效地防止了“孤島”效應(yīng)的產(chǎn)生，系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)，工作效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

［1］王繼東，朱雪玲，蘇海濱，等.三相光伏并網(wǎng)Z－源逆變器的比例諧振控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（4）：86－91.

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［3］王飛，余世杰，蘇建徽，等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（5）：72－74.

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