双级式光伏并网逆变器研究

电力电子与电力传动专题课课程报告——双级式光伏并网逆变器研究

哈尔滨工业大学

2014年7月

双级式光伏并网逆变器研究

摘要:在当今世界能源危机与环境污染加剧的趋势下，太阳能因具有可再生和清洁无污染的优点受到人们的关注，更是被各国用来缓解环境污染的主要举措，而且与其它清洁能源相比太阳能的发展速度最快。随着太阳利用技术的发展，太阳能的利用形式已从传统的光-热利用发展到现在的光-电利用，光伏发电必将成为未来最主要利用形式并得到迅猛发展。而逆变器是实现光生电能向电网电能转换的重要器件。本文对光伏并网逆变系统的结构和逆变器的拓扑进行分析，比较各优缺点。并对两级式并网逆变器的前级和后级的控制方法进行分析研究，比较各控制方法的优缺点。

关键词：太阳能；光伏发电；MPPT；逆变器；单周期控制

0 引言

当今世界人口众多，能源是经济发展的一个非常重要的需求。无论是提高生活水平还是发展经济，都不能离开能源。而能源问题早就已经不是能源的本身问题，金融资本的市场与石油的市场高度的一体化，使能源更加变得受人关注。有关学者称，能源革命的革命意义是比十年前的信息技术的革命意义更加的重大和深远，是有史以来最伟大的一种革命。能源革命已经变成了全球共同关注的课题。在能源和环境这两个方面，我们国家面临的挑战是有史以规模最大并且最为严峻的。为了给正在进行的城镇化、工业化、机动车化，以及给全国不足14亿的人口提供充足的、可靠的并且廉价的、清洁的和便利的能源，从规模上说，这比世界上的任何一个国家的经历都要大很多。本土的资源和能源的短缺，能源进口的快速增长，国际油价的高数字以及能源在生产和使用过程中所造成的极为严重的污染，国内的能源领域的复杂的市场化改革，国际的能源的高地缘政治，以及全球的气候变化所产生的压力，以上所有的因素都使中国正面对着将会比以往任何一个国家所面临的更加严重的挑战。

目前人类生产和生活中大量使用的煤、石油和天然气等化石能源正在以惊人的速度减少。若按照能源的综合估算，世界石油的储备量大约为1200亿吨。如果按照世界上石油的以每年33亿吨的开采总额来进行计算，世界上石油的存储总量大约在21世纪50年代左右被全部开采完毕。全球的天然气的存储总量目前为15万兆立方米左右，如果以每年2300兆立方米的开采总额来进行估算，在60年内天然气将会被开采耗尽。这也就意味着，目前人类大量使用的化石能源将在21世纪上半叶迅速枯竭，而化石能源的枯竭势必会导致世界经济危机和冲突的加剧。20世纪90年代初期，我国的能源还可以自给自足，但是，目前就我国石油资源的对外依存度来说，我国仅次于美国，居世界第二位，约为50%，中华人民共和国国务院的发展研究中心所做出的调查报告指出，截止到21世纪20

年代，我国的石油需求量最少为4.5亿吨，最多将会达到6.1亿吨。而此阶段我国国内的石油产量为1.8亿吨到2亿吨。这些数字意味着，我国对海外石油资源的依存度将将会继续增加，至少达到55%，与美国基本一致。显而易见，我国对国外资源的持续增高的依存度已经严重地威胁了我国的可持续发展。

我国光伏发电的应用市场目前处于起步阶段，2010年我国新增的太阳能光伏发电装机容量约为500MW。到2030年光伏发电量可达1300亿千瓦。但总体而言，我国在光伏并网控制层面，与西方发迖国家相比还有较大差距，具体表现在PCC并网冲击过大，电流畸变率(大于8%)及电压畸变率(大于4%)过高、前级母线电压不稳定等，因此解决光伏并网逆变控制问题极为迫切。鉴于并网控制涉及到逆变器前级母线电压调理、后级滤波器、锁相设计及孤岛保护等一系列相关问题，因此应重点进行系统建模、拓扑与保护电路设计及控制策略分析等研究，确保光伏逆变无损并网，开发具有中国特色的光伏并网逆变技术，具有十分重要的意义。

1 光伏并网发电系统的分类及拓扑结构

太阳能光伏发电系统的工作原理比较简单，太阳能电池方阵受太阳福照，将太阳福射能直接转换为直流电能，这一过程相当于直流发电器。方阵的输出端，经过防反充二极管接至控制器。控制器的一对输出端接至蓄电池组，对其进行充、放电保护控制，蓄电池组处于经常性浮充状态；控制器的另一对输出端通过关向直流负载供电，同时接至逆变器，将直流电转换成交流电向交流负载供屯，若为并网系统，则与电网并联。这样就构成一个完整的发电、输电、供电系统，与常规发电装置的发电、输电、供电系统相似。

1.1 光伏并网系统的体系结构

光伏系统按与电力系统的关系，一般可分为离网光伏系统和光伏并网系统。离网光伏系统不与电力系统的电网桕连，作为一种移动式电源，主要用于给边远无电地区供电。光伏并网系统与电力系统的电M连接，作为电力系统中的一部分，可为电力系统提供有功和无功。现在，世界光伏发电系统的主流应用方式是并网发电方式，通过电网将光伏系统所发的电能进行再分配，如供当地负载或进行电力调峰等。光伏并网系统通常由三部分构成:光伏阵列、逆变器和电网，如图1.1所示。

图1.1 光伏并网系统结构框图

其中，光伏阵列主要由光伏组件组成，其应用可以分为单个组件、组件串联及组件并联等。众所周知，光伏系统追求最大的功率输出，系统结构对发电功率打着直接的影响:一方面，光伏阵列的分布方式会对发电功率产生重要影响；而另一方而，逆变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。因此，根据光伏阵列的不同分布以及功率等级，可以把光伏并网系统的体系结构分为以下几种:集中式、交流模块式、串型、多支路、主从和直流模块式。通过分类我们可以更加深入地对光伏系统的工作原理及结果进行研究和分析。下面对几种主要结构来分析。

1.1.1 集中式结构

集中式结构如图1.2所示，该结构方式是光伏发电系统在20世纪80年代中期普遍采用的结构方式，一般用于lOkW以上较大功率的光伏并网系统，其主要优点是:系统只采用一台并网逆变器，因而结构简单且逆变效率较高。但随着一大批光伏并网系统的实施与投运，也发现了该结构形式存在以下缺点。

(1)抗热斑和抗阴影能力差；

(2)该结构形式要求具有相对较高电压的直流母线将DC/AC变换器和太阳能电池相连接，因而降低了安全性，同时也增加了系统成本；

(3)太阳能电池组的输出特性曲线呈现杂乱的多波峰，单一的该结构难以很

好的完成MPPT控制。

虽然存在以上不足，但当光伏发电系统的功率等级不断增大时，该结构表现出其输出功率等级高的优点，而且成本相对低廉。所以，该结构特别适合发电功率相对大的电站，因此，这种结构仍然具有一定的运用价值。

图1.2 集中式结构框图

1.1.2 交流模块式结构

交流模块式结构(Module Integrated Converter，MIC)，最早由Kleinkauf教授于20世纪80年代提出，交流模块式结构包括DC/AC变换器和PV组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块，如图1.3所示。交流模块式结构与集中式结构相比，具有以下优点：

(1)无阻塞和旁路二极管，光伏组件损耗低；无热斑和阴影问题；

(2)每个模块独立MPPT设计，最大程度地提高了系统发电效率；

(3)每个模块独立运行；系统扩展和冗余能力强；灵活性好、可即插即用；

(4)交流模块式结构没有直流母线高压；增加了整个系统工作的安全性。

交流模块式结构的主要缺点是：由于采用小容量逆变器设计；因而逆变效率相对较低。

图1.3 交流模块式结构

1.1.3 多支路结构

多支路结构包括若干整流器和一个逆变器，其同时具有了集中式结构与串型结构的长处，该结构的实现方式包括串联型和并联型两种形式，如图1.4所示。在20世纪末时光伏发电系统大多使用了该型电路拓扑形式，该拓扑形式即能可以使发电效率提高，还可以节约投资资金，同时使整个电路灵活性提升，逐渐成为光伏并网系统结构的主要发展趋势。

(a)串联型

（b）并联型

图1.4 多支路拓扑结构

多支路结构的主要优点包括：

(1)各支路可独立进行MPPT控制，提高系统效率，从而解决了各支路之间的功率失配问题。

(2)能最大限度降低单个支路故障对整个系统的影响，具有良好的可扩展性。

(3)DC/AC变换器的集中设计让逆变效率提高，且系统安装灵活和维修方便。

(4)多支路系统能很好地协调各个支路，逆变器额定功率不再受限。

(5)适合具有不同型号、大小、方位、受光面等特点的支路的并联，适合于光伏建筑一体化形式的分布式能源系统应用。

1.1.4 主从结构

主从结构是目前比较流行一种光伏系统的结构形式，如图1.5所示，也是光伏发电系统拓扑形式的发展方向。该结构用控制开关实现实时的确定在不同环境时光伏发电系统的拓扑形式，目的是为了充分利用光照条件发电。

当光照条件不好时，控制开关让全部的PV阵列只与一个并网DC/AC变换器连接，从而把电路拓扑结构变成集屮式结构，从而克服了逆变器轻载低效之不足。当光照条件的逐渐变好时，控制开关将实时改变PV阵列的串结构，使不同规模的PV阵列与相同功率级别的DC/AC变换器连接在一起工作，进而实现最优的逆变效率以提高光伏能量利用率，此时电路拓扑结构为若干串型结构同时并网工作。而这样的串型结构其功率等级是被控制开关实时改变的，而且每一个PV串有自己独立的MPPT电路，所以可得到更高效率的功率输出。

图1.5 主从结构

1.2 光伏并网逆变系统的拓扑结构

光伏并网逆变系统是将太阳能电池输出电能转换为达到并网要求电能的设备，是光伏发电系统转换能量和控制系统的核心。并网逆变系统拓扑结构主要分为三类:单级式、双级式和多级式结构。

1.2.1单级式拓扑结构

单级式结构如图1.6所示，从图中可以看出单级式结构只需一级能量变换就可以实现并网逆变功能。因此，该电路结构具有电路结构简单、可靠性高、器件少等优点。但是，单级式逆变器的所有控制都要在一级电路中完成，这样使整个逆变系统的控制比较复杂；还要保证光伏阵列输出电压在任何时刻都高于并入电网最大电压值，但是单级式结构没有升压功能，为达到并网要求，要将太阳能电池组串联起来，以提高光伏阵列输入电压等级，而这也带来了光伏阵列输出能量的大量损失，进而使光伏阵列输出电压降低，从而不能保证输出电压一直处于高于电网电压，进而带来整个系统不能正常工作。

图1.6单级式拓扑结构

1.2.2双极式拓扑结构

双级式结构是目前实际应用最多的拓扑结构，其基本原理是把光伏电池阵列

输出的直流低压通过升压电路转换为直流高压，再通过逆变器作用变换为交流电，最后经过处理后的电能并到总电网其结构如图 1.7所示。逆变器包含了两个部分:DC/DC电路和DC/AC电路，在DC/DC电路中实现升压和最大功率点跟踪，升压电路使光伏阵列工作在一个宽泛的电压范围内，因而直流侧电池组件的电压配置更加灵活；通过适当的控制策略可以使升压变换器的输入端电压波动很小，从而提高了最大功率点跟踪的精度，同时还有驱动相对简单的优点。在DC/AC 电路部分中实现逆变并网。整个电路由两部分组成，控制功能分散到两个功率环节中，从而使控制算法得到简化。

图1.7 双极式拓扑结构

1.2.3多级式拓扑结构

多级式结构的基本思路是实现光伏阵列与电网之间的能量解锅，降低逆变器开关频率。由于具有多个功率环节，使其控制目标更加分散，控制算法复杂程度有所降低。一个基于Boost升压电路的多级式并网逆变器拓扑。如图1.8所示。第一级的Boost电路起升压作用以及实现最大功率点跟踪；第二级推挽电路控制输出电流波形为正弦半波，同时也实现了电网和光伏阵列的电隔离；最后级为并网逆变电路，具有换相的作用。

图1.8基于Boost升压电路改进的多级式拓扑结构

2 双级式光伏并网逆变器及其控制策略研究

2.1逆变系统的拓扑结构

无变压器的双级式并网逆变器结构，即采用前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器的主电路结构。在控制策略上，前级采用改进扰动观察法的MPPT 控制，其后级电路采用单周期控制。

图2.1 三相并网逆变器电路结构框图

对于DC/DC变换器的选择，主要电路形式有降压式变换电路(BuckConverter)，升压式变换电路(Boost Converter)，升降压式变换电路(Boost-BuekConverter)，库克式变换电路(Cuk Converter)等。

2.2 并网逆变器控制策略研究

双级式拓扑结构包括整流和逆变两个部分，与单级式相比，虽然增加了一级机构，但是MPPT控制与并网逆变功能分别放在两个部分，其控制系统的算法相对简单。而且MPPT控制便于实现，特别适合光伏阵列直流输入电压范围大的特点，同时可以提高逆变器输入电压等级，使逆变效率提高。双级式控制电路包括前级MPPT控制和后级输出电压、电流的控制。前级控制算法在前面已经介绍，而后级控制方法主要有脉冲宽度调制(PWM)、空间矢量PWM控制、双环控制、重复控制、单周期控制(OCC)等。主要介绍以下几种方法，然后比较各种方法的优缺点选择-种方法作为后级电路控制策略。

2.2.1前级控制算法

光伏电池的输出功率是随着外界环境的变化而变化的，为使其输出始终处于稳定的状态，人们提出了最大功率点跟踪(MPPT)技术。MPPT控制技术是一个自寻优过程，即通过控制光电池端电压，使光电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最人功率。

最大功率跟踪算法主要分为两大类:非自寻优算法和自寻优算法非自寻优算法是要根据光伏系统外界环境的因素，如光照和温度等，对这些因素或做出检测或做适当补偿，然后判断出最大功率点，比较典型的算法包括拟合曲线法和恒定电压法。自寻优算法:则不需要直接检测光伏系统外界环境因素的变化，也不需作温度和光照条件的补偿，而是根据直接检测到的光电池的输出端电压和电流数据，实现MPPT控制，最典型的MPPT算法是观察扰动法和增量电导法。

随着光伏发电应用的不断扩大，对发电效率的要求越来越高，于是对MPPT 技术的研究也越来越受到人们的重视，现在已取得了多种控制算法。本节首先对于一些常用的算法进行简单的介绍，然后着重介绍一种改进的扰动观察法，并把它作为逆变器前级电路的控制算法。

目前应用较多MPPT 算法主要有:恒定电压法(CVT)、扰动观察法(P&Q)、增量电导法(INC)和滞环比较法等。

(1) 恒定电压法

当光照强度达到一定值且环境温度保持稳定时，图中所示输出特性曲线上的最大功率点(MPP)点始终在某一直线两侧。因而，我们可以根据实验得到一个MPP 处的电压参考值，然后把太阳能电池阵列的输出电压控制在参考电压值左右，这样就可以使太阳能电池阵列的输出保持在MPP 附近，即为恒定电压法。而在恒定电压算法中，通过分析可以得出，太阳能电池的输出电压Umpp 与开路电压Uoc 之间存在如下关系。

1mpp oc U k U (3-1)

式中，ki 取决于太阳能电池的输入输出特性，在实际应用中ki 为0.8左右。恒定电压法具冇算法简单、反应快速的优点，然而该算法在控制时没有考虑温度的影响，在温差较大环境时，恒定电压法的控制精度不高，不能有效跟踪最大功率点。

通过以上分析可以看出，CVT 算法不能有效进行MPPT 控制，但是，CVT 算法简单、控制速度快，因此可以与其他方法进行搭配使用。因而在实际应用中，CVT 算法大多用于控制精度不高的系统。

(2) 电导增量法

电导增量法 (Incremental Conductance ，INC)从光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的MPPT 算法。

图2.2光伏电池P-U 特性dP/dU 的变换特征

INC 算法具有控制精度高、控制平稳和受外界影响小的优点。但是，INC 算法的控制算法复杂，且跟踪速度缓慢，不能及时反映外界的变化对光电池的影响，

从而带来许多不良影响，带来能量的丢失。

(3)扰动观察法

扰动观察法(P&0)是实现最大功率点跟踪常用的一种方法，其基本工作原理为:在正常条件下，光伏电池P-V特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，这一特点为采用扰动观察法来寻找最大功率点提供了条件，而扰动观察法实际上采用了步进搜索的算法，即从起始状态开始测得目前PV阵列功率输出，若在原输出电压基础上再加一小的电压扰动，PV阵列功率输出也相应发生改变，此时把改变后的功率测得，然后比较改变前的功率就可得到功率的变化趋势。若功率比上一次测得值大就按原来方向继续扰动。若减小则改变原扰动方向，其最后的结果是工作点在最大功率点附近来回振荡，其实现原理如图2.3所示。

图2.3 扰动观察法MPPT过程示意图

以上分析可知扰动观察法具有控制概念清晰、简单、被测参数少等优点，因此被普遍地应用于光伏发电系统的MPPT控制。值得注意的是，在P&0法电压初始值及扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响。

(4)滞环比较法

与P&0法相比较滞环比较法不会出现误判和振荡现象，可以实现在光照迅速改变时保持工作点稳定，而不立即改变。当光照强度变换不大时再进行MPPT 控制，这样就可以降低能量的损耗；但滞环比较法对电流、电等参数检测要求比较高，对系统硬件的控制要求高，增加了发电成本。

其具体工作过程如下，在光伏阵列的P-U特性曲线的顶端左右任取三处不同位置，可以得到如图2.4所列的几种情况。假设Tag为比较用的一个变量，比较C与B两点，假如C点大于或等于B点，Tag值取1 ；反之，则Tag值取-1。若比较A、B、C三点后，Tag值取2，则电压扰动D值向右取值；若Tag值为-2，扰动电压值向左取值；若Tag取值为0，此时说明在最大值处，电压扰动量为零。

图2.5所示为光照强度变化时的几种情况，图中改变电压扰动量D所得到的A、B、C三点的位置与Tag值和图2.4有所不同。

图2.4 最大功率点附近可能出现的各种情况

图2.5 滞环比较法中其他的排列方式

2.2.2后级控制算法

(1) PWM控制

脉冲宽度调制技术是用一种参考波为“调制波”，而以N倍于调制波频率的正三角波或据齿波为“载波”的控制方法。由于采用线性变换的载波，因此载波与调制波相交时，就能实现把调制波等效为一组幅值相等、宽度正比于调制波函数值的矩形脉冲。所以，这种用开关量代替模拟量，并通过控制逆变器开关管的通断的技术，就可以实现直流电转换为交流电，该技术即为脉冲宽度调制。

采用PWM控制电路结构简单，谐波含量大大减小，且多为高次谐波，故能实现功率调节；而SPWM是目前最为常见的PWM控制技术，其基本原理是利用正弦波作为调制波对三角波进行调制，产生一系列按正弦规律变化的等效PWM信号。根据信号控制的基本理论，其能量和正弦信号所包含的能量完全相等，然后放大此信号来驱动开关管的通断，最后在输出端得到控制信号，如图2.6所示；而且SPWM方法具有通用性强、控制性能好、可消除谐波、稳定输出电压的优点。

图2.6 SPWM调制电路

(2) 空间矢量控制

SVPWM是一种先进的控制方法，它从控制交流电机的角度出发，以磁链轨迹为圆的目标来形成PWM控制信号，以减小脉动转矩，改善电机性能。其主要思路是通过不断的切换空间电压矢量以产生正弦输出电压波形。三相电压型逆变器空间电压矢量与参考电压矢量分布如图2.7所示。

图2.7 空间电压矢量与参考电压矢量分布

目前的SVPWM控制方法主要有两种:一种为恒频SVPWM控制，其控制思想是先利用d，q旋转坐标产生空间电压矢量指令，然后使逆变器的8个空间电压矢量V0~V7跟踪在d、q坐标平面中旋转的参考电压矢量Vref，从而达到控制逆变器电流的目的；另一种是变频SVPWM控制，其变频需要通过滞环电流控制来实现，即为两种控制方法的结合。电流偏差矢量给出最佳电压矢量切换，使电流偏差值满足小于滞环宽度这个基本控制条件。

(3) 双环控制

双环控制是指采用电压外环和电流内环同时控制的方法。进行系统设计时，增加电流内环控制的目的就是能够更加有效抑制电流的扰动问题，同时值得系统设计人员慎重考虑的问题是电流内环选择采用电流峰值控制还是平均值控制。双环控制的最大优点是开关频率恒定，便于系统的设计。缺点是开关频率较低时，电流的动态响应较慢，电流的动态偏差会随着电流变化率变化而产生波动。

(1)重复控制

重复控制基本原理为:利用重复信号发生器，使前一个周期输入信号在后一个周期重复出现，当反馈信号与指令信号不重合时，控制量的幅值就会周期性的无限制的增加。当系统稳定时，反馈信号与指令信号重合，此时幅值偏差为零，也不会产生相位滞后。因此，重复控制拥有效果好、成本低、易实现等优点，是一种较好的控制方法；但是，重复控制的重要缺陷是是对非周期性扰动起不到控制效果，而对于周期性扰动出现后还需要较长的校正时间，即不能短时问做出反应。所以，重复控制最好与其它控制方式相结合来用，以达到最理想的控制效果。

(2)单周期控制

单周期控制(OCC)是上世纪90年代初由美国学者Keyue M. Smedley基于Buck电路而提出的，是一种不需乘法器的大信号非线性控制方法[53]。能够瞬时的控制时变电压和电流的平均值，具有动态响应快，鲁棒性强，开关频率恒定，控制简单等优点。与传统PWM控制相比较，单周期控制具有其独特的优点。其优点是:

(a) 通用性强，抗电源扰动能力强。传统的PWM控制是通过减少误差来调节占空比，若电源电压变化，只有误差存在时才可以进行控制，而误差的出现要经过一段时间，所以，与OCC技术相比，传统方法反应不够快，进而使抗扰动能力不强。

(b )OCC技术具有动态响应快、波形质量好的优点，能克服传统PWM控制存在谐波残留的一些缺陷。

(c) OCC技术的参考信号和输出值之间的延迟小于PWM调节方式。

OCC技术是指在任一周期内使开关变量的平均值与参考量相等，从而在当前工作周期内消除瞬态与稳态的误差，让误差不对下一个开关周期造成影响。其基本原理是当开关导通时，积分器同时开始工作，始终把所得积分值与参考量作对比；当两个值等同时，触发器就会翻转使开关关断，此时令积分器恢复初值，直到下一个开关周期的到来。这其实就是不断调整占空比，使两者值相等的过程。由于开关频率不变，在整个工作周期内开关变量的平均值与参考量相等。

3. 结论

光伏发电是将是太阳能利用的主要方式,因而研制出良好性能、安全性好、转换效率高的光伏逆变系统具有重要意义。逆变器作为光伏并网逆变系统的重要器件,其控制方法的优劣对整个逆变系统的影响至关重要。所以,本文主要从光伏阵列的MPPT和光伏并网系统逆变器的控制策略两个方面进行研究和分析,提出一些改进方法来提高光伏发电的效率以及系统稳定性。PPT方法的不断改进,是光伏阵列的转换效率更高、控制反应时间更短和输出波形更加平稳等。对逆变器拓扑结构提出改进,降低逆变电路损耗,增强逆变转化效率,优化控制策略。