電流型光伏并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵技術(shù)分析

李俊華

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院，陜西 西安 710124）

0 引言

光伏并網(wǎng)逆變器主要有兩種形式。電壓型和電流形是它的兩種主要逆變器，結(jié)合社會(huì)實(shí)際情況而言，電壓型逆變技術(shù)比較成熟。而且它本身和電流型逆變相比，電壓型逆變技術(shù)的工作效率高，價(jià)格和便宜，體積占地小等多方面的優(yōu)點(diǎn)。但它本身存在的重大缺陷，就是在電壓型并網(wǎng)逆變器在應(yīng)用于光伏并網(wǎng)時(shí)，要求光伏直流側(cè)電壓要大于電網(wǎng)電壓，而且要保持幅度值不變。這樣的要求必然會(huì)增加整個(gè)控制系統(tǒng)的成本，而且還降低了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。為了解決這些問題，電流型光伏并網(wǎng)逆變器就出現(xiàn)在人們生活中，它可以提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，減少了裝置系統(tǒng)的體積，節(jié)約了很多成本，并網(wǎng)電流受到電網(wǎng)的影響非常小，能夠在社會(huì)中被廣泛的使用[1-3]。

1 電流型光伏并網(wǎng)逆變器的研究

通常情況下CSI調(diào)制技術(shù)可分為梯形波調(diào)制(Trapezoidal Pulse Width Modulation， TPWM)、特定諧波消去調(diào)制(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation，SHEPWM)、正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation， SPWM)、空間矢量調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)及滯環(huán)控制。雖然這個(gè)算法有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但是它也無法避免地存在一些問題。梯形波調(diào)制算法的動(dòng)態(tài)性能很差。大部分的梯形波調(diào)制算法被用于大功率傳動(dòng)的范圍中。特定諧波消除調(diào)制是利用了調(diào)制技術(shù)，借助于精確的計(jì)算打開和關(guān)閉頻率，實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)的控制，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但這種算法只適合在低開關(guān)頻率的領(lǐng)域運(yùn)用，因?yàn)樗惴o可避免的就存在計(jì)算量過大的問題，而且作為一種不在線途徑的調(diào)制，它動(dòng)態(tài)性能很弱，只能用于動(dòng)態(tài)性能和實(shí)時(shí)性能要求不高的領(lǐng)域。正弦脈寬調(diào)制是由正弦調(diào)制波和三角載波相互作用后，最終出現(xiàn)的波源。但他的數(shù)字化程度較為復(fù)雜，而且直流電利用率不高[4-6]。因此應(yīng)用的場(chǎng)合也大大收受了限制?？臻g矢量調(diào)制是一種開關(guān)頻率低，諧波含量較小，動(dòng)態(tài)反應(yīng)極快，且直流電留用率很高的一種新型波源，它可以有利于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)在CSI中應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)制技術(shù)。滯環(huán)控制對(duì)的電流控制能力非常顯著，但開關(guān)頻率不固定。在提出逆變狀態(tài)的情況下，正弦脈寬調(diào)制能夠比空間矢量調(diào)制射出更大的放電電流，因此在電流型變流器中，如果整流時(shí)需要使用空間矢量調(diào)制，則逆變時(shí)就需要使用正弦脈寬調(diào)制[7]。

傳統(tǒng)電流型空間矢量調(diào)制算法進(jìn)行的過程中，經(jīng)過不斷優(yōu)化，演變出改進(jìn)型的空間矢量調(diào)制算法，改進(jìn)型的空間矢量調(diào)制算法能有效的減輕功率器件上的電壓，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行?？梢圆捎枚嘀夭蓸拥目臻g矢量調(diào)制方式，這個(gè)種方式不僅提升整個(gè)系統(tǒng)工作效率，還實(shí)時(shí)采樣有了更嚴(yán)格的要求。采取一種適用于電流型逆變式的調(diào)控方法，可以有效的提升直流電的利用頻率。采取一種節(jié)能型的脈寬調(diào)控脈寬調(diào)控，能夠降低開關(guān)的使用次數(shù)，進(jìn)而降低開關(guān)過程中所造成的能源損耗。優(yōu)化整個(gè)空間向量的調(diào)制算法可以使向量作用順序變更，這是因?yàn)殡娏餍徒涣髌鞯目臻g向量順序要進(jìn)行分析時(shí)，為了減少系統(tǒng)的輸出電流諧波的出現(xiàn)。基于自然采樣的空間矢量調(diào)制算法，可以有效應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)的空間向量調(diào)制算法中面臨最大的問題，低次諧波含量較大，這種方法只是改變調(diào)至算法中的開關(guān)角度[8-9]。

2 三相電流型光伏并網(wǎng)逆變器的技術(shù)

太陽能光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的主要功能就是將太陽能光伏電池列陣所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓相同頻率的交流電。重要的就是中間這個(gè)直流電轉(zhuǎn)化為交流電的轉(zhuǎn)化過程，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，將太陽能電池所釋放的能源轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)中。三相電流型光伏并網(wǎng)逆變器主要作用就是來控制逆變器的輸出電流，讓輸出的電流與電網(wǎng)電壓保持在相同的頻率，在并網(wǎng)逆變器的輸出電流中，要將輸出電流值控制在最合適的范圍內(nèi)，對(duì)并網(wǎng)逆變器相應(yīng)的電路中電壓的控制也需要嚴(yán)格要求。因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器的電流輸出后要進(jìn)行濾波。這個(gè)過程導(dǎo)致了逆變器中傳遞出的電壓和正常電網(wǎng)電壓相比存在一個(gè)差異性，至少相差一個(gè)相位。因此在對(duì)三相電流光伏逆變網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)此進(jìn)行重點(diǎn)的考慮，通過對(duì)逆變器的相關(guān)設(shè)計(jì)，讓逆變器輸出的電流和電網(wǎng)中存在的電流有相同頻率。

采取直接電流雙環(huán)控制方式，結(jié)合上文中所提到的控制方法，要合理的利用直接電流雙環(huán)控制方法進(jìn)行操作。在這個(gè)方法中，橋式逆變電流可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，這種結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用與逆變器中。橋式逆變電路中采取的工作操作方式也是正弦脈寬調(diào)制，這種調(diào)制途徑能夠得到穩(wěn)定高質(zhì)量的電流。它的主要設(shè)計(jì)思路如下圖中所示。主要根據(jù)三相電流太陽能光伏并網(wǎng)逆變器的原理，讓工作中的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓處在同一頻率中，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中要存在一個(gè)同步鎖相環(huán)，然后可以讓它實(shí)現(xiàn)直接電流雙環(huán)和同步鎖相環(huán)的共同控制的方法，達(dá)到三相電流型光伏并網(wǎng)的最終使用。雙環(huán)主要是內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器，內(nèi)環(huán)控制器是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出電流的數(shù)值反饋，外環(huán)控制器是能夠消除內(nèi)環(huán)控制中存在的誤差，而使用的輔助控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3 光伏系統(tǒng)中電流型逆變器關(guān)鍵技術(shù)的概述

分析它的技術(shù)就是要對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤進(jìn)行分析，最大功率點(diǎn)跟蹤指的是控制光伏組件輸出功率的時(shí)期在自然環(huán)境下輸出最大功率，這樣能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法是光伏系統(tǒng)常用到的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)。這些與最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)可多用于VSI中，對(duì)于CSI中的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)研究有限，由于CSI與VSI具有一定的聯(lián)系，所以應(yīng)用于CSI中的一部分最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)稍作改變，就可以在CSI中應(yīng)用。還能把CSI與VSI進(jìn)行對(duì)比，對(duì)VSI的了解，分析出CSI的控制電路最大功率點(diǎn)的特點(diǎn)。將控制電壓的最大功率點(diǎn)跟蹤方式經(jīng)過調(diào)整用于CSI電流的簡(jiǎn)單控制是可行的，但簡(jiǎn)單的應(yīng)用容易忽略CSI控制電流時(shí)出現(xiàn)的特殊情況。例如在傳統(tǒng)的CSI中，尋找系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)是借助擾動(dòng)電壓觀察法，利用擾動(dòng)電壓的方式來進(jìn)行尋找，將此方式直接應(yīng)用于CSI時(shí)，會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)的步長(zhǎng)無法控制，工作點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)來回震蕩，導(dǎo)致電流的失控與功率的瞬間跌落。針對(duì)這種問題，可以提出一種借助電阻擾動(dòng)觀察的最大功率點(diǎn)跟蹤。利用擾動(dòng)電阻代替擾動(dòng)電流，降低功率隨擾動(dòng)量的變化率，使的整個(gè)電流都容易被控制[10]。

4 結(jié)語

通過對(duì)電流型光伏并網(wǎng)逆變器得深入研究，對(duì)CSI調(diào)制技術(shù)有了明確的認(rèn)識(shí)。對(duì)三相電流型光伏并網(wǎng)逆變器集數(shù)進(jìn)行分析，可以采取直接電流雙環(huán)以及同步鎖相環(huán)的綜合控制手段，更高效地實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)操作。在這個(gè)系統(tǒng)中利用高頻變換器能夠讓整個(gè)裝置系統(tǒng)更加穩(wěn)定。電流型三相并網(wǎng)逆變器，它的系統(tǒng)穩(wěn)定性高，受電網(wǎng)影響小。它本身具備的升壓功能，讓整個(gè)系統(tǒng)的可靠性有了很大的保障。