基于2路输入的三电平光伏并网系统的研究

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（1.北京科技大学 信息工程学院，北京 100083；2.北方工业大学 机电工程学院，北京 100041；3.南昌工程学院 计算机科学与技术系，江西 南昌 330099）

1 引言

随着全球经济的发展、人口的增加和人们生活水平的提高，对能源的需求也越来越大，使得传统的能源储存量正在日益枯竭，这样导致了能源短缺。因此开发、利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。从诸多因素考虑，太阳能是最符合可持续性发展战略的理想绿色能源，因而引起了世界各国政府和能源专家的日益重视，在国内，电能紧缺已经达到了一个非常严峻的地步，光伏并网发电有望在未来缓解这一紧张的局面。

光伏并网逆变器作为光伏并网发电系统的核心装置，逆变器一方面将太阳能电池阵列发出的直流电通过DC／AC逆变为交流电，在给负载供电的同时把多余的能量注入到电网中；另一方面又可以对交流电的电压、电流、相位、幅值、有功和无功等进行控制以实现并网功能。三相光伏并网逆变器有电流源型和电压源型2种基本拓扑结构，由于电流源型逆变器主电路及控制电路相对比较复杂，并且系统运行效率低，而电压源型拓扑结构的逆变器具有结构简单、控制方便、主电路损耗低等优点［1］。因此本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式。

本文主要介绍了光伏并网系统的结构及其控制原理。基于DSP芯片TMS320F28335搭建了1套2路输入总功率为15kW的三电平光伏并网逆变器，并给出了相关实验结果。实验结果表明：采用本文的方法所设计的逆变器具有稳定性好、工作效率高等优点。

2 光伏并网系统的结构

图1为2路直流输入的三电平光伏并网系统结构图。

图1 2路直流输入的三电平光伏并网系统结构图Fig.1 Block diagram of three－level photovoltaic gridconnected system based on two－input

在直流侧：为了满足不同用户的需求，2路直流输入电池阵列可以根据实际环境确定不同的安装方向，也可以接到不同电压等级和不同功率规格的电池组件中。系统中升压单元由2路独立的BOOST组成，可以在不同的输入电压、功率下运行，2路升压单元采用相同的闭环控制方式将电压升至同一直流母线上，输出功率汇总到母线电容中，若系统只有1路输入时，可以用该路作为前级升压；每条支路都有自己的最大功率点跟踪控制，使系统工作在当前的最大功率点，并且各路光伏阵列的最大功率点跟踪相互独立，互不干扰，提高了整个系统效率。在交流侧：采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式。电压外环控制逆变器直流侧电容电压的稳定并给出内环电流参考值的幅值，电流内环控制逆变器输出电流为参考值以实现并网。

由于三电平PWM逆变电路可以在较低的开关频率下减少高次谐波对电网的污染，而且相对于传统的两电平PWM逆变器而言，二极管钳位式三电平PWM逆变器具有以下3个优点：1）在直流母线电压一定的情况下，开关器件的耐压等级减小一半；2）在同等开关频率下，三电平逆变器输出电压的谐波含量降低50%；3）采用相同功率等级的开关器件，输出功率可以提高一倍等优点。

所以本系统采用二极管钳位式三电平拓扑结构从而实现并网电流低谐波含量、高功率因数的目标。

3 光伏并网系统的控制原理

控制系统软件采用模块化设计，每种功能都划分为相应的模块，控制软件的主要功能模块由MPPT模块、并网逆变器控制模块、防孤岛模块、STATE状态机功能模块、PV Interface模块、GRID Interface模块和COM通讯接口模块等组成。

1）MPPT模块。光伏阵列工作点不同决定了它的输出功率不同，系统工作时，太阳能阵列在一定的温度和日照强度下具有唯一的最大功率点［2］。但由于太阳电池阵列的输出特性受负荷状态、日照量、环境温度等因素的影响，电池阵列的电压和电流均发生很大的变化，从而使输出功率不稳定，即最大功率点总是在发生变化。由于每条支路因受外界条件不均会导致输出功率失配，如果采用集中式最大功率点跟踪，将严重降低整体效率，特别是在使用不同特性的光伏阵列时，该特点表现更加突出［3］。为解决这一问题，保证系统稳定地工作在当前最大功率点，本系统的各支路单独设置MPPT环节，当各支路光伏阵列特性不同或者说光照和温度条件不同时，各支路可独立进行最大功率点跟踪，使自身支路工作在最大功率点，从而有效解决了各支路之间的功率失配问题，这样提高了整个系统的效率［4］。

2）并网逆变控制模块。并网逆变闭环控制是根据功率平衡的原理来实现的，即当太阳能电池的输出功率大于逆变器的输出功率时，也就是说此时太阳能电池的输出功率没能及时反馈到电网上去，则DC－Link部分就会有剩余能量堆积而使DC－Link的电压升高，此时就通过加大电流指令，即增加DC－AC逆变器输出到电网的功率来消耗DC－Link的剩余能量而使DC－Link的电压下降。反之，就减小电流指令使得电压上升，从而达到稳定电压的目的。

3）防孤岛模块。当系统工作于直接并网方式时，除了基本的保护功能如短路、过压、过流、欠频、过频、过热等以外，还应该具有防孤岛效应的特殊功能。所谓孤岛效应，就是指：当电力公司的供电系统因故障或停电维修而跳脱时，各个用户端的太阳能并网发电系统未能及时检测出停电状态而将自身切离电网，而形成由太阳能并网发电系统和周围负载形成的一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛。孤岛效应具有相当大的危害性，甚至会造成生命危险，因此对光伏并网发电系统来说，具有防孤岛效应（anti－islanding）的功能是至关重要的。防孤岛效应的关键是对电网断电的检测，且检测时间越短效果越好。本文采用以扰动并网输出电流的方式来检测电网断电发生电流变动，检测的原理是通过微处理器的控制，对逆变器的输出电流施以周期性的变动，以达到主动破坏供需平衡的目的［5］。

4）STATE状态机功能模块。主要负责整个系统直流侧的状态采集、状态识别和状态切换控制。要实现的功能有：获取各种开关状态、系统工作状态的判断、系统在各种工作状态下的工作模式及相应的事件处理、系统输出信号控制。

5）PV Interface模块。主要完成从光伏阵列到逆变器输入母线的接口工作，包括PV侧参数采样计算、PV侧电压控制、PV侧正负母线均压控制、保护和告警功能。

6）GRID Interface模块。主要完成从直流侧到电网侧并网变换控制工作，包括：交流接触器的软启控制、GRID侧参数采样计算、并网电流性能控制、电网适应性控制、输出限功率控制、功率因数调节控制、开关机输出功率缓变控制、逆变器逆向电流保护功能、孤岛检测控制、保护和告警功能、手动开关机控制、发电量计算功能、LVRT控制、谐波分析控制。

7）COM通讯接口模块。负责建立通讯有CANA，CANB，RS485A 通讯软件模块、RS485B通讯软件模块。CANA通讯模块为快速CAN通讯模块（1Mb／s），用于高速电流指令的传输；CANB通讯模块为慢速CAN通讯模块（250 kb／s），用于各模块间交互较慢的基本信息；RS 485A通讯模块与单元模组内部液晶建立RS485通讯，用于传输本机的基本信息；RS485B通讯模块，作为本机的RS485外部接口，通过与PC建立通讯可以完成对本机的调试诊断和校正。

4 实验结果及分析

根据以上对系统的描述，设计了1套2路直流输入总功率为15kW的三电平光伏并网逆变器。在实验时，由于直接使用太阳能电池板进行实验时存在着时间长，费用高等缺点，为了方便可靠地对太阳能电池进行MPPT效率的测试，利用Chroma光伏模拟器进行测试。图2为系统工作时的MPPT效率测试图。

图2 系统工作时的MPPT效率测试图Fig.2 Test diagram of system working MPPT efficiency

从图2中可以看出系统MPPT具有很高的效率并且始终稳定地工作在最大功率点附近，从而保证整个系统有很高的效率。图3为并网电流和电压图。

图3 并网电流和电压图Fig.3 Waveforms of grid current and voltage

从图3可以看出：当逆变器正常运行时，逆变器输出电流与电网电压同频、同相，功率因数为1，从而保证系统具有很高的效率。图4为防孤岛效应波形图。

图4为在实验中并网逆变器运行时突然电网断电时电流和并网电压波形图，以此来验证控制系统的防孤岛模块。从图4中可以看出：逆变器输出电流在电网电压掉电后115ms电流变为0。这满足国际标准IEEEStd.2000－929和UL1741对孤岛效应检测时间标准。图5为UPV变化时电流和并网电压波形图。

图4 防孤岛效应波形图Fig.4 Waves of antiislanding effects

图5为并网逆变器正常运行时，UPV瞬间突然变化时电网侧输出电流Igrid波形图，可以看出：当UPV瞬间变化时输出电流Igrid在很短时间内也跟着变化，说明系统具有很好的动态响应。

图5 UPV变化时电流和并网电压波形图Fig.5 Inverter output current and grid voltage waveforms when UPVis change

5 结论

本文基于DSP芯片TMS320F28335搭建了1套2路直流输入总功率为15kW的三电平光伏并网逆变器。详细说明了光伏并网系统的结构及其控制原理，并深入地分析了控制软件各个功能块的工作原理。通过该装置的现场运行，给出了相关结果。实验结果表明本文所设计的逆变器的控制方案具有良好的稳定性和很高的效率，有效地防止了“孤岛”效应的产生，系统具有可靠性强，工作效率高，稳定性好等优点。

［1］王继东，朱雪玲，苏海滨，等.三相光伏并网Z－源逆变器的比例谐振控制［J］.电机与控制学报，2010，14（4）：86－91.

［2］赵庚申，王庆章，许盛之.最大功率点跟踪原理及实现方法的研究［J］.太阳能学报，2006，27（10）：997－1001.

［3］王飞，余世杰，苏建徽，等.太阳能光伏并网发电系统的研究［J］.电工技术学报，2005，20（5）：72－74.

［4］廖华，许洪华.双支路太阳能并网逆变器的研制［J］.电力电子技术，2007，41（9）：61－68.

［5］周皓，童朝南，周京华，等.基于TMS320F2812光伏并网逆变器的设计与研究［J］.电气传动，2011，41（3）：28－31.