光伏发电系统中逆变器的研究与应用

2019-06-12 11:38

1 引言

  逆变技术作为光伏并网发电的关键技术,它将太阳能电池的直流电能变换成与电网同频率、同相位的交流电能馈入电网。并网逆变器作为太阳能电池与电网的接口装置,在新能源的开发和利用中起着至关重要的作用,光伏产业也将在21世纪得到推广。现代逆变技术为光伏逆变提供了强有力的理论支持,半导体器件技术、现代控制技术、现代电力电子技术、脉宽调制技术为并网逆变的研究提供了技术支持。目前光伏发电系统中的逆变器大多采用工作在spwm状态的全桥式逆变方案。如何提高逆变器的性能,提高开关频率,提高逆变器的功率密度,同时满足电能质量要求成为近年研究的热点,逆变器正朝着高功率密度、高变换效率、高可靠性、智能化的方向发展。

  本文从介绍并网逆变器类型着手,对并网逆变器的工作原理、主电路拓扑结构进行了详细的阐述,并对光伏阵列输出的最大功率跟踪mppt及并网系统中孤岛效应做了简单的介绍。最后展望了光伏并网发电系统中的逆变器朝着高性能、高效率、智能化的方向发展的趋势。

2 逆变器类型

  根据采用隔离变压器的类型,并网逆变可分为低频环节、高频环节以及非隔离型并网逆变。低频环节并网逆变器采用工频变压器作为与电网的接口,因此存在体积和重量大、音频噪音大的缺点;而非隔离型并网在一些国家禁止使用,因此现在普遍采用直接挂在电网上运行的高频环节并网逆变器。

  并网逆变器按输入控制方式可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。以电流源为输入的逆变器,其直流侧需要串联一个大电感来提供比较稳定的直流电流输入,但串入大电感往往会导致系统的动态响应差,因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。

  并网逆变器按输出控制模式可以分为电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为控制量,系统输出与电网电压同频同相的电压信号,整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源;电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为控制目标,系统输出与电网电压同频同相的电流信号,整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。在电压型控制模式中,逆变器输出的是标准正弦脉宽调制信号,因此并网电流的质量完全取决于电网电压的质量,只有当电网电压质量很高时,才能得到高质量的并网电流。如果电网电压受到干扰或出现不平衡时,由于并网逆变器对电网呈低阻抗特性,所以并网电流相应的也会受到干扰。而在电流型控制模式中,输出电流是受控量,它的质量受电网电压的影响较小,这是因为对电网来说并网逆变器呈高阻抗特性。所以采用电流型并网模式可以减小电网电压的扰动对并网电流的影响,从而改善并网电流的质量。

  若按逆变器主电路的结构来分,三相电压型逆变器主要分为组合式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器。

  组合式逆变器的电路结构如图1所示,它由完全相同的三个单相逆变器星形联结构成,能同时实现单相和三相四线制供电。该电路结构不但具有极强的带不平衡负载的能力,而且还可以实现独立控制,提高了系统的安全性和可靠性。但是这种电路结构的不足之处是所需元器件数多、成本高。

  三相半桥式逆变器由三个单相半桥式逆变器组合而成,如图2所示。该逆变器的特点:

  (1)若串联的两个电解电容足够大,则可以保证中点的电位不偏移,具有很强的带不平衡负载的能力,但是也大大的增加了系统的体积和重量;

  (2)输入直流电压利用率较低。相同的输出电压,三相半桥逆变器所需的直流输入电压是三相全桥逆变电路的倍。

  三相全桥式逆变器具有电路拓扑简单、易于控制、功率开关器件电压应力低等优点,还可以采用谐振缓冲技术来实现功率开关器件的软开关,不足之处是带不平衡负载的能力较弱,如图3所示。大功率的并网逆变器为了避免直流侧电压产生较大的脉动基本上都使用三相逆变结构。

3 光伏并网逆变器工作原理

  逆变器由igbt等功率开关器件构成,控制电路使开关元件有一定规律的连续开通或关断,使输出电压极性正负交替,将直流输入转换为交流输出。光伏发电系统中逆变器一般采用各种优化的pwm(脉冲宽度调制)策略来实现,对给定的电流波形进行跟踪,将矩形波的交流电转换为正弦波交流电,功率的控制则是通过对太阳能电池最大功率点的跟踪实现。本文所研究的光伏并网发电装置选择三相全桥式逆变电路,如图4所示,由于太阳能电池一般是电压源,因此逆变器的主电路采用电压型,在与外电网相联时,为电压型电流控制方式。三相全桥逆变器将光伏阵列的直流电压变为高频三项斩波电压,滤波环节采用lcl滤波器,lcl滤波器相比传统的单l滤波器有以下优点:lcl在高频段的衰减性能更好,以-60db/dec的速度衰减;其次lcl是三阶滤波器,所以对于同样的谐波标准和较低的开关频率,可以使用较小的电感,在大功率场合可以相对的减小系统的体积和成本;最后对于同样的性能指标要求,可以通过加大支路电容的方法进一步减小电感值。通过滤波器滤波变成正弦波电流后,再经过工频隔离变压器隔离升压后产生6kv(10kv)/50hz的工频交流电,送入电网。逆变环节的核心是通过电力电子开关的导通与关断,来完成逆变的功能,它需要控制回路来完成,通常采取电压外环,电流内环的双环控制模式,控制信号经过单片机或数字信号处理芯片来完成对主电路的控制。逆变器并网运行的主要控制目标是逆变器输出正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步,并且能实时跟踪电网参数的变化,且电流的总畸变失真要低,以减小对电网的谐波影响,使并网系统的有功功率输出达到最大,功率因数接近于1。由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求,所以其控制通常采取电流控制方式。

4 最大功率跟踪mppt

  最大功率点跟踪是当前采用较为广泛的一种光伏阵列功率点控制方式。从对光伏电池的分析可以看出,光伏阵列输出特性具有非线性特征,并且其输出受环境温度、光照强度的影响。在一定的外部条件下,光伏电池可以工作在不同的输出电压,但只有在某一电压值下,输出功率才能达到最大值,这时光伏电池的工作点称之为最大功率点。为了充分发挥光伏电池的效能,提高系统的整体效率,对光伏电池的输出进行最大功率点跟踪就十分必要。mppt

  的实质是通过实时检测光伏阵列的输出功率,采用一定的控制算法,以跟踪光伏阵列最大功率工作点,实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式,动态性能较好,较传统的cvt

  控制策略可获得更大的功率,但稳定端电压能力较差。可以在mppt控制的外环增加一个稳压控制环节,来改善这一缺陷,从而提高系统的稳定性。目前mppt

  控制有很多的实现方式,如扰动观测法、导纳增量法、最优梯度法、模糊逻辑控制方法、神经元网络控制法等,它们实现mppt控制的基本原理都是类似的,但算法各有差异。

5 孤岛效应

  孤岛现象是指当电网由于电气故障或自然因素等原因中断供电时,光伏并网逆变器仍然向电网输送电能,从而形成一个电力公司无法控制的自给供电孤岛,称之为孤岛效应。光伏并网发电系统中孤岛的发生会产生严重的后果,对用户的用电设备和检修人员的安全造成重大危害。孤岛发生时,若孤岛中的电压和频率超出允许的范围,可能会对用户的设备造成损坏;电网的掉电可能使光伏发电系统过载运行,易被烧毁;与光伏发电系统相连的线路仍然带电,对检修人员造成危险。所以当电网停电后,必须立刻中止系统对电网的供电,防止孤岛效应的发生。反孤岛效应的关键是电网断电的检测,且检测时间越短效果越好。一般采取被动检测法和主动检测法。被动检测法是实时检测电网电压的频率和相位,通过频率和相位的异常来判断电网是否失电。采用被动的孤岛检测方法不足以在负载匹配的情况下有效检测出孤岛现象,为此,必须采用主动式的检测方法。主动检测法是通过实时对电网参数发出干扰信号,通过检测反馈信号来判断电网是否失电。常见的方法有主动频率偏移法、滑模频率偏移法和输出功率扰动检测法等。

6 结束语

  面对世界性的能源短缺的现实状况及能源的可持续发展对当今社会的突出影响,可以看出光伏并网发电技术是解决此类问题的有效途径。并网逆变器作为光伏并网发电系统中的关键部件越来越受到人们的重视,它的发展将对整个光伏系统起着巨大的作用。目前,中国在小功率逆变器发展上还具有一定水平,但在大功率逆变器上还与国外有很大的差距,因此逆变器朝着智能化、数字化发展是必然趋势,从而对一些核心控制技术的改善和提高就变得越来越重要了。

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