光伏并網(wǎng)逆變器控制電路

簡介

上述幾種逆變器的主電路均需要有控制電路來實(shí)現(xiàn)，一般有方波和正弦波兩種控制方式，方波輸出的逆變電源電路簡單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，有PWM功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。

方波輸出的逆變器

1.方波輸出的逆變器多采用脈寬調(diào)制集成電路，如SG3525，TL494等。實(shí)踐證明，采用SG3525集成電路，并采用功率場效應(yīng)管作為開關(guān)功率元件，能實(shí)現(xiàn)性能價(jià)格比較高的逆變器，由于SG3525具有直接驅(qū)動功率場效應(yīng)管的能力并具有內(nèi)部基準(zhǔn)源和運(yùn)算放大器和欠壓保護(hù)功能，因此其外圍電路很簡單。

正弦波輸出的逆變器

2.正弦波輸出的逆變器控制集成電路，正弦波輸出的逆變器，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產(chǎn)的80C196MC、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MP16以及MI－CROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73等，這些單片機(jī)均具有多路PWM發(fā)生器，并可設(shè)定上、下橋臂之間的死區(qū)時(shí)間，采用INTEL公司80C196MC實(shí)現(xiàn)正弦波輸出的電路，80C196MC完成正弦波信號的發(fā)生，并檢測交流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。電路輸出端一般采用LC電路濾除高頻波，得到純凈的正正弦波。

由dc/dc轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的電壓，調(diào)節(jié)其輸出以實(shí)現(xiàn)最大的效率。在經(jīng)過一些附加的電壓緩沖之后，左側(cè)電橋中通常由18～20khz的開關(guān)頻率，把dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓。一般來說，單相h橋是dc/ac級的常見配置，但是，也可以采用三相和其他配置。最后，通過低通濾波器產(chǎn)生用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的正弦交流電輸出。

1.要求具有較高的效率。由于太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。

2.要求具有較高的可靠性。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。

3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V～16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。

4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。

為太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池發(fā)電、小型水力發(fā)電等各種可再生能源發(fā)電系統(tǒng)提供各種電源變換和接入方案，主要應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、離網(wǎng)型村落供電系統(tǒng)和戶用電源系統(tǒng)，并可為電網(wǎng)延伸困難的地區(qū)通信、交通、路燈照明等提供電力。

另外，光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟的市場模式，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。

逆變器的主功率元件的選擇至關(guān)重要，使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（BJT），功率場效應(yīng)管（MOS－FET），絕緣柵晶體管（IGBT）和可關(guān)斷晶閘管（GTO）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為MOSFET，因?yàn)镸OSFET具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用IGBT模塊，這是因?yàn)镸OSFET隨著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而IGBT在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢，而在特大容量（100kVA以上）系統(tǒng)中，一般均采用GTO作為功率元件。

逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，若直流電壓較低，則通過交流變壓器升壓，即得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。對大容量的逆變器，由于直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達(dá)到220V，在中、小容量的逆變器中，由于直流電壓較低，如12V、24V，就必須設(shè)計(jì)升壓電路。

中、小容量逆變器一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，推挽電路，將升壓變壓器的中性插頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動感性負(fù)載的能力較差。

全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有續(xù)流回路，即使對感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

1、在安裝前首先應(yīng)該檢查逆變器是否在運(yùn)輸過程中有無損壞。

2、在選擇安裝場地時(shí)，應(yīng)該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設(shè)備的干擾。

3、在進(jìn)行電氣連接之前，務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光，光伏陣列將會產(chǎn)生危險(xiǎn)電壓。

4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。

5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。

6、所有的電氣安裝必須滿足當(dāng)?shù)匾约皣译姎鈽?biāo)準(zhǔn)。

7、僅當(dāng)?shù)玫疆?dāng)?shù)仉娏Σ块T許可后并由專業(yè)技術(shù)人員完成所有電氣連接后才可將逆變器并網(wǎng)。

8、在進(jìn)行任何維修工作前，應(yīng)首先斷開逆變器與電網(wǎng)的電氣連接，然后斷開直流側(cè)電氣連接。

9、等待至少5分鐘直到內(nèi)部元件放電完畢方可進(jìn)行維修工作。

10、任何影響逆變器安全性能的故障必須立即排除方可再次開啟逆變器。

11、避免不必要的電路板接觸。

12、遵守靜電防護(hù)規(guī)范，佩戴防靜電手環(huán)。

13、注意并遵守產(chǎn)品上的警告標(biāo)識。

14、操作前初步目視檢查設(shè)備有無損壞或其它危險(xiǎn)狀態(tài)。

15、注意逆變器熱表面。例如功率半導(dǎo)體的散熱器等，在逆變器斷電后一段時(shí)間內(nèi)，仍保持較高溫度。

第1章 緒論 1

1.1 光伏發(fā)電 1

1.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 2

1.2.1 集中式 3

1.2.2 串式和多串式 3

1.2.3 交流模塊式 3

1.3 光伏并網(wǎng)逆變器 4

1.3.1 工頻隔離型 4

1.3.2 高頻隔離型 4

1.3.3 非隔離型 5

1.4 非隔離光伏并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù) 6

1.4.1 漏電流抑制技術(shù) 6

1.4.2 入網(wǎng)濾波器 7

1.4.3 直流側(cè)控制技術(shù) 8

1.4.4 進(jìn)網(wǎng)電流控制技術(shù) 10

1.4.5 鎖相環(huán)技術(shù) 12

1.4.6 非理想電網(wǎng)的影響 13

1.5 本書的主要內(nèi)容 14

第2章 光伏并網(wǎng)逆變器的漏電流抑制技術(shù) 16

2.1 概述 16

2.2 橋式逆變拓?fù)渎╇娏飨到y(tǒng)化分析模型 17

2.3 漏電流抑制途徑 21

2.4 常見單相橋式逆變拓?fù)渎╇娏饕种茩C(jī)理分析 22

2.4.1 采用抑制途徑A的橋類逆變拓?fù)?22

2.4.2 采用抑制途徑B的橋類逆變拓?fù)?31

2.4.3 采用抑制途徑C的橋類逆變拓?fù)?35

2.4.4 常見單相橋式逆變拓?fù)湫〗Y(jié) 42

2.5 單相非隔離橋式逆變拓?fù)涞臉?gòu)造 42

2.5.1 改進(jìn)型H5拓?fù)?43

2.5.2 改進(jìn)型Heric拓?fù)?44

2.5.3 H5變化拓?fù)?的改進(jìn) 44

2.6 三相并網(wǎng)逆變器的漏電流抑制 45

2.6.1 采用抑制途徑A的拓?fù)?45

2.6.2 采用抑制途徑B的拓?fù)?46

2.7 本章小結(jié) 48

第3章 光伏并網(wǎng)逆變器的入網(wǎng)濾波器 49

3.1 概述 49

3.2 L濾波器及參數(shù)設(shè)計(jì) 49

3.2.1 L濾波器結(jié)構(gòu) 49

3.2.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 50

3.2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例 51

3.3 LCL濾波器及參數(shù)設(shè)計(jì) 52

3.3.1 LCL濾波器結(jié)構(gòu) 52

3.3.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 53

3.3.3 設(shè)計(jì)實(shí)例 55

3.4 LLCL濾波器及參數(shù)設(shè)計(jì) 63

3.4.1 LLCL濾波器結(jié)構(gòu) 63

3.4.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 64

3.4.3 設(shè)計(jì)實(shí)例 65

3.5 本章小結(jié) 68

第4章 光伏并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)控制技術(shù) 69

4.1 概述 69

4.2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制 69

4.2.1 恒定電壓法 70

4.2.2 電導(dǎo)增量法 71

4.2.3 擾動觀察法 73

4.3 NPC半橋逆變器直流側(cè)電容電壓均衡控制 74

4.3.1 NPC半橋逆變器等效電路 74

4.3.2 電容電壓自平衡機(jī)理 77

4.3.3 閉環(huán)控制對電容電壓均衡的影響 86

4.3.4 電容電壓均衡控制 89

4.3.5 半橋并網(wǎng)逆變器均壓控制策略 93

4.4 本章小結(jié) 94

第5章 光伏并網(wǎng)逆變器的電流控制技術(shù) 96

5.1 概述 96

5.2 單L濾波并網(wǎng)逆變器的電流控制技術(shù) 96

5.2.1 電流控制的穩(wěn)定性 97

5.2.2 基波電流跟蹤 99

5.2.3 進(jìn)網(wǎng)電流諧波失真的原因 101

5.2.4 進(jìn)網(wǎng)電流低頻諧波抑制 106

5.2.5 典型的三相L濾波并網(wǎng)逆變器電流控制 108

5.3 LCL濾波并網(wǎng)逆變器的諧振現(xiàn)象 110

5.3.1 LCL濾波器固有諧振 110

5.3.2 單進(jìn)網(wǎng)電流閉環(huán)控制 111

5.3.3 單逆變器側(cè)電流閉環(huán)控制 113

5.4 LCL濾波并網(wǎng)逆變器的無源阻尼技術(shù) 115

5.5 LCL濾波并網(wǎng)逆變器的有源阻尼技術(shù) 117

5.5.1 有源阻尼控制機(jī)制 117

5.5.2 基于附加單變量反饋的有源阻尼 118

5.5.3 前向通路附加數(shù)字濾波器的有源阻尼 127

5.6 LCL濾波并網(wǎng)逆變器的多變量反饋控制技術(shù) 128

5.6.1 基于零點(diǎn)配置的控制技術(shù) 129

5.6.2 基于極點(diǎn)配置的控制技術(shù) 140

5.7 LCL濾波并網(wǎng)逆變器的低頻諧波電流抑制技術(shù) 144

5.7.1 低頻諧波的抑制方案 144

5.7.2 諧波抑制的分析模型 145

5.7.3 電網(wǎng)電壓諧波的影響 146

5.7.4 逆變器橋臂輸出電壓擾動的影響 148

5.8 本章小結(jié) 150

第6章 光伏并網(wǎng)逆變器的鎖相技術(shù) 151

6.1 概述 151

6.2 電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)檢測法 152

6.3 數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù) 152

6.3.1 三相數(shù)字鎖相環(huán) 153

6.3.2 單相數(shù)字鎖相環(huán) 158

6.4 不平衡電網(wǎng)下的數(shù)字鎖相環(huán) 162

6.5 本章小結(jié) 167

參考文獻(xiàn) 168 2100433B

本書以光伏并網(wǎng)逆變器為對象，結(jié)合作者自身的研究和工作經(jīng)驗(yàn)，對并網(wǎng)逆變器的漏電流抑制技術(shù)及高電能質(zhì)量電流控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的介紹，包括：漏電流抑制技術(shù)、進(jìn)網(wǎng)濾波器設(shè)計(jì)、直流側(cè)控制技術(shù)、進(jìn)網(wǎng)電流控制技術(shù)以及鎖相環(huán)技術(shù)等。此外，深入討論了實(shí)際應(yīng)用場合中并網(wǎng)逆變器存在的各種非理想因素（包括死區(qū)、功率管開通關(guān)斷延時(shí)和導(dǎo)通壓降、逆變器橋臂不對稱、電網(wǎng)電壓諧波、電網(wǎng)阻抗以及電網(wǎng)電壓不平衡等）對電能質(zhì)量與系統(tǒng)可靠性的不利影響及抑制策略。