屋顶光伏系统中逆变器的分析及设计

李国湘，卢洪堃

(1. 中国石油化工股份有限公司天津分公司热电部 天津300271；2. 天津理工大学 天津300384)

屋顶光伏系统中逆变器的分析及设计

李国湘1，卢洪堃2

(1. 中国石油化工股份有限公司天津分公司热电部 天津300271；2. 天津理工大学 天津300384)

以天津市“电气工程”重点学科下的智能微网实验室的屋顶光伏发电系统为例，介绍了整个光伏系统的总体结构，对其中的光伏并网逆变器的工作过程及原理进行了详细分析。此外，对逆变器追踪市电的原理，即锁相环技术进行了详细论述。通过不同时刻、不同状态下的各相电压和电流的波形图可以得出，逆变器对于整个光伏系统具有能量转换和控制的作用，它的特性直接影响着整个系统的运行，对系统的正常运行具有重要意义。

屋顶光伏系统 逆变器 锁相环

0 引 言

太阳光伏发电具有广阔的发展前景，是目前最具发展潜力的新能源发电技术之一。屋顶光伏发电是太阳能光伏发电应用的一种具体体现。其中，光伏逆变器是屋顶光伏发电系统的重要组成部分。本文将以天津市“电气工程”重点学科下的智能微网实验室的屋顶光伏发电系统为例，对光伏逆变器进行详细分析。

1 光伏逆变器

屋顶光伏发电系统是太阳能应用的一种重要表现，对光伏发电系统的推广具有重要的意义。天津市“电气工程”重点学科下的智能微网实验室的屋顶光伏发电系统主要包括：屋顶太阳能光伏板阵列、直流汇流箱、逆变器柜、动力配电箱、本地单相负载和本地电网等(见图1)。

图1 屋顶光伏系统整体结构图Fig.1 Overall structure of the rooftop PV system

其中，逆变器是屋顶光伏发电系统的重要组成部分，其主要作用为能量转换和控制整个系统的运行。所以，逆变器的性能直接决定了整个屋顶光伏系统的安全性和可靠性，对整个系统起着至关重要的作用。

1.1 光伏逆变器工作原理

逆变器的工作原理如图2所示。

图2 逆变器原理图Fig.2 Princip le diagram of the inverter

由图 2可知，光伏矩阵接收太阳光，根据“光生伏打”效应产生直流电能，经输入电容 C1后接入逆变器的输入端，然后通过控制4个开关管的开与关，将直流电转换成交流电，最后输出与电网电压同频同相的交流正弦波，在经过 LC 滤波后并入电网。大容量 C1的作用是稳定逆变器的输入电压，使其不发生突变。其中，T1～T4是逆变桥上的 4 个三极管，每个三极管两端都并有一个反向二极管，逆变桥输出端并联 LC滤波电路，它们的功能主要是滤除逆变过程产生的变流纹波，以降低并网电流谐波，提高屋顶光伏系统所发出的电能质量。

根据主电路功率开关管的开关顺序，可以工作于 4种不同的模式下，图3(a)～(d)给出了这4种开关模式下逆变器的工作状态。 ①如图3(a)所示，当T1、T4导通时，直流侧电压正向加载到并网逆变器两端，电感电流增大，能量不断被储存，且随着占空比的增加，输出电流不断增加，逆变器输出正半周上升部分的电流。 ②如图 3(b)所示，T1、T4关断，但 T2、T3还没有导通，此时由于流经电感的电流不能突变，所以其路径发生改变，经过二极管续流，给输入端电容充电，电感电流随着放电缓慢下降。 ③如图3(c)所示，当T2、T3导通后，交流侧相当于接收到了直流侧的反向电压，即将反向电压加到光伏并网逆变器两端，此时输出电感电流换向，大小不断增加，逆变器输出负半轴下降部分电流。 ④如图 3(d)所示，当 T2、T3关断，但 T1、T4未导通时，同样由于输出电感电流不能突变，所以电流仍然会经过续留二极管续留，给输入电容充电，电感电流随着放电，其绝对值逐渐减小。

图3 逆变器各工作状态图Fig.3 State diagram s of the inverter

目前，开关管多用 IGBT等非线性电力电子器件，所以逆变器多为双向型逆变器。在实际应用中，光伏矩阵与逆变器之间加 DC-DC变换器，使直流侧的电压高于交流侧的峰值电压，以保证逆变器正常工作。另外，在汇流箱中，应加入防反二极管，防止相与相之间的电流倒流。

1.2 追踪市电工作原理

逆变器在光伏系统中，其主要任务就是将直流电能转换成交流电能。在实际应用中，光伏系统并网要求逆变器输出的交流电必须与市电同频同相。否则，光伏系统发出的电能对于电网将是一种干扰。特别是像智能微网实验室的屋顶光伏发电系统这种单相追踪的逆变器，更应保证追踪市电的准确性。

目前，追踪市电应用比较成熟的技术为锁相环控制。锁相环是一种反馈控制电路，它接受外部信号，然后将其与自身的系统信号比较，再通过其内部的相关环节控制内部环路信号的相位和频率，并发出此信号。其基本结构如图4所示。

图4 锁相环结构图Fig.4 Structure of the PLL

检测输入信号和输出信号的相位差是鉴相器的主要任务，其将该差以电压信号的形式转换出来。在系统刚开始工作或输入信号出现些波动时，鉴相器的输出电压信号会产生纹波。使用环路滤波器将这些电压信号平均化，除去纹波，得到较稳定的电压信号。压控振荡器接受稳定的电压信号后会产生一定频率的输出信号，将该信号传给开关管的控制电路以控制开关管的开关，使逆变器的输出电能与市电同频同相。

1.3 锁相环的工作原理

鉴相器的工作原理是将给定信号(即输入信号)和输出信号作为输入，通过将两者相乘得到相位差。

假设输入信号(市电)的电压为：

其中，wi和iθ是市电的频率与初相角；压控振荡器的输出信号为：

其中，wo是压控振荡器在输入为零或为直流电压时的输出信号的角速度，oθ是相应条件下的初相角。

当鉴相器输入上述信号时，其输出为：

上式通过正弦的积化和差可得：

环路滤波器将鉴相器的输出信号作为其输入信号。环路滤波器是一种低通滤波器，所以，公式(4)所得的信号中，高频部分将会被滤除，其信号将变为：

如果公式(5)中的 u为恒定值，则 ⎡⎣wit + θi(t) ⎤⎦ − [w0t + θo( t )⎤⎦ = 0恒成立。即输入信号与输出信号同频同相位，并且此时锁相环进入相位锁定状态。如果公式(5)中的 u不是恒定值，则锁相环还未进入到相位锁定状态，且主要是输入与输出的频率不相符。压控振荡器的振荡频率wu将以wo为中心，随输入信号的变化而变化，其变化特性为：

其中，Ko为电压系数，与锁相环的系统结构有关。由此可以说明，当 u不稳定时，压控振荡器的振荡频率也将随之变化。锁相环开始进入追踪状态，直至u为一个恒定值。

2 光伏逆变器的应用

天津市“电气工程”重点学科下的智能微网实验室的屋顶光伏发电系统自完工以来，一直稳定运行，其逆变器起到了至关重要的作用。

图 5为逆变器在并网稳态阶段，通过电能质量检测仪测得的网侧电压有效值的波形图。由上至下分别是A、B、C三相以及中线的网侧电压有效值。由图 5可以看出，逆变器对于市电有很好的追踪性，略有一些波动。

图5 光伏系统稳态时网侧电压有效值波形图Fig.5 Waveform graphs of the voltage RMS under steady state of the PV system

图 6为屋顶光伏系统并网瞬间电流与电压的有效值的变化。由上至下分别是 A、B、C三相以及中线的电压波形和 A、B、C三相的电流值的波形。从图6可以看出，并网逆变器对市电有很好的跟踪能力，波动很小。由于功率增加而电压要保持不变，所以电流值会逐渐增加，待到功率稳定，电流也会保持在一定值。

由此分析得出，通过并网逆变器得到的电能，基本满足电网对电流和电压的要求，而一个光伏系统能否良好并网运行的关键在于其并网逆变器的性能。

3 结 语

本文以天津市“电气工程”重点学科下的智能微网实验室的屋顶光伏发电系统为例，对逆变器工作原理及当前应用较成熟的锁相环原理进行了详细分析。文章中给出了并网时出现的电压电流的变化情况，说明了并网逆变器的性能对整个系统的重要作用。由于逆变器主要由非线性元件组成，在工作过程中势必会产生谐波，对电网造成一定的污染。因此在其工作过程中，应并联滤波装置对其电能质量进行一定的改善。■

图6 光伏系统并网瞬间电压电流有效值波形图Fig.6 Waveform graphs of the instantaneous voltage and current RMS upon grid connection

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Inverter in a Rooftop Photovoltaic System：Design and Analysis

LI Guoxiang1，LU Hongkun2
(1. SINOPEC Tianjin Branch，Tianjin 300271，China；2. Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

This paper takes a rooftop photovoltaic system in micro intelligent network laboratory supported by Tianjin“Electrical Engineering” key discipline project as an example to introduce an overall structure of the entire photovoltaic system and discuss the working process and principle of a photovoltaic grid inverter. In addition，it analyzes in details the principle of tracking grid，namely，a phase-locked loop technology. Based on waveform graphs of voltage and current at each phase under different time and status，it was concluded that the inverter plays the roles of energy conversion and control in the entire system and as it directly affects system operation，it is of great significance to the whole system.

rooftop PV system；inverter；phase-locked loop(PLL)

TM 615

：A

：1006-8945(2015)03-0033-03

2015-02-11