500 kW光伏发电系统并网逆变器

才利存，常忠廷，周如，宋新甫

（1.河南许继集团有限公司，河南许昌461000；2.新疆电力设计院，新疆乌鲁木齐830002;3.新疆电力公司电力规划研究中心，新疆乌鲁木齐830011）

进入21世纪以来，太阳能发电得到了广泛的应用，光伏并网逆变器作为太阳能发电系统最核心的部分也得到了迅速发展，已经从原来的几千瓦，几十千瓦，发展到现在的几百千瓦，但受到IGBT等电力电子器件的制约，大容量的光伏并网逆变器普遍采用了IGBT模块并联技术进行扩容[1-2]。

本文首先分析了大容量光伏并网逆变器的结构和主要元件的设计方法，并在此基础上研制了一台500 kW光伏并网逆变器的样机，并对其进行了测试，验证了其实用性及可靠性，试验证明其运行稳定，性能可靠，具有较强的商业价值。

1 并网逆变器的系统设计

并网逆变器采用了功率模块并联技术，使用了2个完全相同的功率模块进行并联，有效地抵消了由于功率器件原因对系统容量所产生的制约。

硬件电路采用模块化设计，主功率模块、驱动电路及直流母线支撑电容，均置于一个功率模块之内，便于安装和维护。主功率模块采用了当前主流的单级式结构，集成了最大功率点跟踪控制性能，提高了逆变器的效率，减少了成本，缩小了体积。直流侧电路主要包括直流防雷器，直流EMI滤波器，直流接触器，直流隔离开关，交流侧主要包括防雷器，EMI滤波器，交流接触器，交流隔离开关，LCL滤波器[3-4]图1所示为光伏并网逆变器系统结构。

图1 光伏并网逆变器系统结构图Fig.1 PV grid inverter system structure

控制电路采用双DSP+双口RAM结构，控制侧DSP主要负责PI控制器运算（电压、电流双闭环）PWM脉宽的计算等；逻辑侧DSP主要负责启停逻辑、功能保护、数据通讯等，具有过/欠压、过/欠频、过流、过载、恢复并网及孤岛等保护功能，并具有恒电压模式，恒功率模式，恒电流模式等多种运行方式。控制策略采用电压电流双闭环及SVPWM调制方式[5-9]l。图2所示为控制电路框图。

图2 控制电路框图Fig.2 Control circuit diagram

光伏并网逆变器启动过程如图3所示，整个过程包含停机、待机、电网状态监控、启动、最大功率点跟踪（MPPT）、故障、关机等7个状态。其中对各种故障进行了分级处理，一、二级故障属于可自恢复故障，三级故障属于不可自恢复故障。

图3 并网逆变器启动过程Fig.3 Grid connected inverter starting process

2 主要元器件的参数设计

逆变器额定功率为500 kW，交流输出电压为270 V，开关频率为3 kHz，采用2个完全相同的功率模块进行并联。

2.1 IGBT选择

交流输出相电流的峰值为

因此，流过每个模块的电流峰值为706 A，模块两端承受的最大直流电压为900 V，考虑到最严重的过压和过流等情况，最终选择FF1400R12IP4型IGBT，其额定电流为1 400 A，额定电压为1 200 V。

2.2 LCL滤波电路设计

相比较传统的L型滤波器，LCL滤波器具有体积小，造价低，对高频谐波抑制效果好等优点，LCL滤波器已经逐渐成为光伏并网逆变器的首要选择。

2.2.1 总电感LT的选择

电感LT在稳态条件下要满足逆变器输出的有功（无功）功率以及电流波形品质指标。

1）满足有功（无功）功率指标时的电感LT设计单位功率因数下交流侧的矢量关系如图4所示。

图4 逆变器交流侧矢量关系Fig.4 Inverter ac side vector relationship

其中E觶为交流电网电动势矢量，V觶L为交流侧电感电压矢量，V觶为交流侧相电压矢量，I觶为交流侧电流矢量。

当直流侧电压Vdc确定后，交流侧相电压的峰值

式中，Udc为直流母线电压；Em为电网相电压峰值，Im为电网电流峰值。

2）满足瞬态电流跟踪指标时的电感设计

考虑到电流过零（ωt=0）处一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程，得

3）抑制谐波电流时的电感设计

考虑到电流峰值（ωt=π/2）处一个PWM开关周期Ts中的电流跟踪瞬态过程，得

式中，ΔImax为最大允许谐波电流脉动量，一般取10%～20%之间,本文取20%。

由式（4）、（5）、（6）取交集可得

实际滤波器设计中，为了提高系统电流的快速跟随性，在满足谐波电流要求的情况下选择的总电感值应尽可能地小。

2.2.2 电感L1和L2的选取

式中，L2为网侧电感；L1为逆变器侧电感。由于采用模块并联技术故逆变器侧总电感值为1/2单个电感值。不同的系统电感L1和L2的关系是不一样

式中，k为一个系数，取值一般在0~1之间。考虑到滤波器的体积和噪声等因素，在满足抑制高频谐波性能的前提下，最终选取k值为0.5。

2.2.3 滤波电容的选择

为了保证并网逆变器的功率因数，滤波电容的选取一般以滤波电容吸收的无功功率不大于系统有功功率的百分比为设计依据。

可得

式中，P为逆变器输出的额定有功功率；Eg为电网相电压有效值；ω1为电网基波角频率；λ为滤波电容吸收的无功功率不占大于系统有功功率P的百分比，本文取2%。

2.2.4 约束条件

LCL滤波器对系统的稳定性及系统性能影响较大，LCL滤波器的谐振频率范围一般在10倍基波频率与1/2开关频率之间，否则电网谐波会影响系统的稳定性。即

2.2.5 直流支撑电容的选择

直流电容的主要功能是滤除直流电压纹波，另一方面要满足直流电压的动态响应要求，即当逆变器负载突然变化时能将直流电压的波动维持在一定范围之内。假定负载在0~t时间内引起负载功率的最大变化为ΔPmax，可得

3 实验结果及分析

500 kW光伏并网逆变器的参数为：额定线电压，270 V；额定电流，1 070 A；直流母线最大电压，900 V；开关频率，3 kHz；由式（7）得152 μF≤LT≤963 μF，取LT=180 μH，由式（8）、（9）最终选取的滤波电感值为，L1=240μH，L2=60 μH。由式（10）可得的滤波电容Cf≤436 μF，选取Cf=420 μF，由式（12）得LCL的谐振频率fres=1.228 kHz，满足式（11）的约束条件，由式（13）最终选取的直流母线电容值Cdc=14.4 mF。

为了验证光伏并网逆变器的稳定性及可靠性，对光伏并网逆变器进行了满功率环流试验和各种性能测试。

3.1 满功率环流试验

满功率环流试验中，采用一台大功率可调直流电源来模拟太阳能电池阵列，一台500 kW光伏并网逆变器作为测试装置，逆变器工作在单位功率因数下，试验电路如图5所示。

图5 环流试验电路图Fig.5 Circulating current test circuit diagram

图6 为满功率运行时的试验波形，其中，CH1为直流母线电压；CH2为逆变器输出电流；CH3为变压器副边电流；CH4为电网电流，由图6可以看出，逆变器直流母线电压为824 V，额定输出电流为1 070 A。

图6 环流试验波形图Fig.6 Circulating current test waveform figure

满功率实验表明，并网逆变器设计合理，工作可靠，可以在最大功率下长期运行。

3.2 性能测试

3.2.1 效率测试

1）效率理论计算值。在直流母线电压为761 V的条件下，用Infineon公司提供的IPOSIM工具计算得出开关频率分别为3 kHz和2.2 kHz条件下开关器件的总开关损耗,考虑到电抗器、风机等的损耗后，计算得出逆变器在各个功率点的效率，根据计算出的效率绘制出不同开关频率下逆变器的效率曲线，如图7所示。

2）效率实测值。用功率分析仪分别测量逆变器在3 kHz和2.2 kHz的输入输出功率，根据计算出的逆变器的效率我们绘制不同开关频率下的效率曲线如图7所示。

图7 不同开关频率下的效率曲线Fig.7 Efficiency curve under different switching frequency

由图7可知理论计算将开关频率由3 kHz将为2.2 kHz之后，轻载情况下，效率会有大约1%的提升，在重载的情况下，效率会提升大约0.5%。在实际测量当中开关频率由3 kHz将为2.2 kHz之后，效率大约提升了1%。并网逆变器的最大效率可以达到98%，实际值与理论计算值基本吻合，满足设计要求。

3.2.2 THD测试

用FLUKE 435电能质量分析仪测得3 kHz和2.2 kHz开关频率下的THD，根据测量的THD绘制的曲线如图8所示。

在满功率状态下，逆变器的THD值均小于1%，满足设计要求，并且2.2 kHz开关频率下的THD值略小于3 kHz开关频率下的THD值。

图8 逆变器各功率等级下的THDFig.8 THD under all inverter power levels

3.3 温升试验

采用光纤测温仪对满功率运行下的逆变器主要元器件温度进行了实时监测，温度曲线如图9、图10所示。

图9 0~1.5 h主要测试点温度曲线Fig.9 Main test point temperature curve between 0 and 1.5 hours

图10 5 h各测试点温度曲线Fig.10 Main test point temperature curve in 5 hours

如图10可知，在满功率运行5 h后各主要元器件温升已经平衡，均在各元件器件的允许工作温度范围之内，表明逆变器散热设计合理，满足设计条件。

4 结语

实验结果表明，500 kW光伏并网逆变器设计合理，运行可靠，满足各项设计指标要求，符合设计标准，具有很高的应用和商业推广价值。

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