大功率光伏并网逆变器控制系统分析与实现

陈四雄，曾春保

（漳州科华技术有限责任公司，福建 漳州363000）

0 引 言

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源格局正在发生重大的变化，其将成为21世纪人类所面临的核心问题。清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注［1］。近二十年来，太阳能光伏发电技术得到了持续的发展，是我国“十二五”时期新能源领域的重点发展方向，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展光伏发电并网系统的研究，对于缓解能源和环境问题，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的现实意义和经济价值［2，3，4］。

光伏并网逆变器是将太阳能电池所产生的直流电能转换成与电网电能同幅、同频、同相的交流电能的一种电力变换装置。大功率光伏并网逆变器主要应用在大型光伏并网发电系统中，是此系统不可缺少的重要组成部分。

本文深入分析了大功率光伏并网逆变器的控制系统，对其关键技术进行了研究，并对500 kW光伏并网逆变器进行了系统试验，给出了样机试验结果。

1 光伏并网逆变器分类

光伏并网逆变器的分类有如下几种方式：

（1）按输出交流相数分为：单相逆变器；三相逆变器。

（2）按电气隔离情况分为：隔离型；非隔离型。

（3）按工作环境分为：户内型；户外型。

（4）按电磁发射限值分为：A型逆变器，指非家用和不直接连接到住宅低压供电网的所有设施中使用的逆变器；B型逆变器，指适用于包括家庭在内的所有场合，以及直接与住宅低压供电网连接的设施。

（5）按照可接入电网电压等级分为：低压型；中高压型。低压型接入电网电压等级为1 kV及以下，中高压型接入电网电压等级1 kV以上。

2 大功率光伏并网逆变器电路拓扑

大功率光伏并网逆变器的电路拓扑如图1所示。光伏组件产生的电能经过电容储能来保持直流电压稳定，三相全桥逆变单元将直流电转换成与电网同频率、同相位的交流电，经过LC滤波器滤波后将电能馈送至电网。

3 大功率光伏并网逆变器控制系统及关键技术

3.1 整体控制系统

图1 大功率光伏并网逆变器电路拓扑

为实现对大功率光伏并网逆变器的全数字化控制，项目采用“DSP＋FPGA”的控制架构，应用空间矢量SVPWM控制技术，以DSP为核心，FPGA为辅助。这一控制结构实现了全数字化控制，大大减小了外围电路，提高了整体系统的可靠性。

DSP主要功能：DSP负责整体控制，包括控制算法计算、PWM脉冲生成、部分AD采样、电能统计、与触摸屏通信、总线存储控制、与闪存芯片通信等。

FPGA主要功能：FPGA则负责故障实时判断及保护、PWM监视、系统状态机、有效值计算、频率检测、相序检测、开关量控制、PWM脉冲的逻辑封锁、外部AD芯片控制等。

3.2 关键技术分析

关键技术控制回路如图2所示。

图2 关键技术控制回路

（1）电流环

电流环采用了空间矢量及比例积分控制，控制示意图如图3所示。首先由前级的MPPT给出母线电压参考值，再由电压控制环给出输出电流幅值Iscmd，再根据给定的功率因数将其分解为Idcmd、Iqcmd。Ia、Ib、Ic为三相反馈电流，相位角正弦sin及余弦cos信号来自三相电压锁相环。通过坐标变换，在同步旋转坐标下，可将三相反馈电流变成直流量Id、Iq。然后分别对Idcmd－Id、Iqcmd－Iq做PI控制，即可得到逆变器电压矢量Ud、Uq。将Ud、Uq做反派克变换，可得到Ualph、Ubeta，再通过空间矢量控制算法，即可得到三相占空比信号。为减少PI的超调，以及并网瞬间的冲击，引入了前馈量UdFF、UqFF。

图3 电流环控制示意图

（2）PF（功率因数）控制

根据前级的电压环给出的电流信号Iscmd，再根据功率因数命令参数PFcmd，将Iscmd分解为有功电流IdPF与无功电流IqPF，送给后级的电流环功率因数给定Idcmd、Iqcmd。

（3）电压环

电压环主要用来配合实现MPPT功能。电压环采用了比例积分控制，直流母线电压Ubus为反馈量。正常情况下，电压环根据前级MPPT给定的电压Ucmd计算输出的电流信号，作为电流环的给定Iscmd，通过反馈环节可将直流母线电压大小调节至Ucmd。

（4）MPPT

MPPT采用扰动观察法，每秒扰动一次母线电压，通过一定的步长后再比较前后功率及电压的变化，如果功率和电压均增大或者均减小，则增大母线电压给定值，否则减小母线电压给定值，使功率达到最大点。

（5）锁相环

锁相环的作用是为电流环提供相位信号，也是低电压穿越中非常关键的一个技术要点。当电网电压发生跌落时，能否继续正常的锁相是通过低电压穿越的前提条件。锁相环采用了三相线电压坐标变换，得到Ud、Uq，然后以Uq作为误差信号，使用PI控制，输出相位角及其正弦余弦信号。

（6）孤岛检测

孤岛分为被动孤岛与主动孤岛，被动孤岛主要有电压幅值及频率上下限检测，本项目的主动孤岛采用了新颖的无功电流扰动方法。结合新标准对频率上下限的放宽，如果要使频率扰动出正常范围，势必要增大扰动量。为配合无功电流扰动，被动孤岛还加入了频率变化检测，当频率变化超过一定值时，即可认为出现孤岛。这样则无需将频率扰动出正常范围，只需要较小的扰动即可满足孤岛保护的要求。扰动量太小则会不起作用，太大则会对输出电流的幅值以及功率因数造成影响。

4 实验结果及结论

设计实例：设计并研制成功的500 kW光伏并网逆变器，获得了优越的综合性能。MPPT电压范围为450 V～820 Vdc，额定并网电压为三相线电压270 Vac，额定输出功率500 kW，最大效率高达98.6%，额定功率下电流谐波总畸变率＜3%，额定功率下功率因数＞0.99。

500 kW光伏并网逆变器的试验波形及指标分析如下：

（1）三相并网电流

三相并网电流如图4所示，三相输出电流相位差互为120°，较好地实现了对电网进行锁相输出，输出功率因数高达0.995，波形质量好。

图4 三相并网电流波形

（2）低电压穿越

低电压穿越波形如图5所示，（a）为三相跌落到20%持续1 s，（b）为三相跌落80%持续2.71 s的试验波形，（c）为两相60%跌落瞬态波形，（d）为两相60%恢复瞬态波形，跌落到60%持续时间为2.14 s。从波形可以看出，逆变器在电压跌落过程中，能够快速的实现锁相并保持电流的输出而不脱网；当电网恢复后逆变器实现对功率的快速恢复，快速的完成MPPT追踪；整个过程逆变器为电网的恢复提供了有力的能量支撑保证，顺利地实现了低电压穿越的要求及功能。

图5 低电压穿越波形

（3）电流谐波 THDi

从试验分析数据看，逆变器获得较小的THDi，为2.13%，各次谐波均满足标准的要求，并网电流质量好，对电网的谐波污染较小，并网电流谐波分析如图6所示。

图6 并网电流谐波分析图

（4）整机效率曲线

500 kW光伏并网逆变器的效率曲线如图7所示，在整个MPPT范围内，输入PV电压在低端时的效率最高，达到98.6%，欧洲光伏并网逆变器效率为98.3%，随着输入电压的升高，效率有所降低。

图7 效率曲线

理论分析与试验结果表明，通过采用“DSP＋FPGA”先进的控制架构，对关键技术进行全面的数字化实现，使得大功率并网逆变器的可靠性大大提高。针对控制系统开发的500 kW光伏并网逆变器，获得了优异的电气性能，整机效率高、并网谐波小、功率因数高、体积重量小、成本低。

［1］ 王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望［C］.太阳能光伏产业发展论坛论文集，新疆，2003：4－17.

［2］ Tomita T.Toward giga－watt production of silicon photovoltaic cells，modules and systems.Photovoltaic Specialists Conference［C］.Conference Record of the Thirty－first IEEE.NJ，USA：IEEE，2005：7－11.

［3］ 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］ 陈 维，沈 辉.光伏发电系统中逆变器技术应用及展望［J］.电力电子技术，2006，8：130－133.