单相光伏并网逆变器研究

陈炜炜，詹跃东

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

单相光伏并网逆变器研究

陈炜炜，詹跃东

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

以单相并网系统为研究对象，对光伏并网系统进行了全面的理论分析，选择适合其特点的逆变主电路拓扑结构，全面分析全桥逆变电路的工作原理，给出主电路直流侧和交流侧滤波器的设计思想和设计过程，推导并提供了主体电路关键参数的计算公式，得出相关结论。

单相并网系统;光伏并网系统；全桥逆变电路；设计

0 引言

能源影响着人类的生存和发展，与人类有着密切的关系，其中化石能源还是占据着主导地位。虽然化石燃料有着利用率高的特点，但是也存在着很多不可忽视的问题，比如化石燃料是有限的，并不是可再生的；化石燃料比如石油，天然气在开采过程中都会造成环境污染等等。为了解决环境问题，能源有限性的问题，我们必须探索出一种清洁安全的可再生能源来替代目前的化石能源。目前光伏并网发电所利用的太阳能便是一种完全符合这些特点的可再生能源，受到了众多科研人员的青睐。因此，为促进可持续发展，解决能源危机，开发利用发展太阳能势在必行[1-4]。

现如今，新能源已经取代了化石能源成为了能源发展战略的关键词，我国科研人员发现了大批的清洁能源，如太阳能，风能，潮汐能等等，并对这些可再生能源加之开发利用，以提高能源利用率。光伏并网发电系统便是其中一种。光伏并网发电系统并不是在其中加入成本过高，体积庞大的蓄电池以发电，而是使用了一张新型设备——并网逆变器，将光伏发电系统与电网相连，以提高发电效率。并网逆变器在光伏并网系统中占据着关键的地位，是系统的核心，其运行性能直接影响光伏并网发电系统的安全、可靠和高效率运行。从目前的照明系统及微波站供电系统可以看出，直流系统还是光伏发电系统的第一选择，其原理是由太阳能电池发出电能，蓄电池吸收其电能进行充电，并对负载进行供电。直流光伏发电系统虽然有着结构简单，成本低廉的特点，但是因大多数民用电力是交流负载，并不能满足标准化及兼容化，所以很难被人们所接受。为满足市场需求，促进经济发展，我们终将采用交流光伏发电系统以取代现行的直流光伏发电系统[8]。

1 实验方案

1.1 研究现状

为满足可再生能源回馈电网的要求，现如今，光伏发电并网系统依然是以逆变器为主导，采用正弦波脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)逆变技术，首先将太阳能转化成电能的形式，将电能调节成直流电压，然后全桥逆变器将可再生能源回馈给交流电网。光伏发电并网系统其相应的组成结构如图1所示。

依目前能源形势来看，并网逆变器应具有两个特点：一是无市电接入时独立作为电压源逆变；二是在并网时作为电流源工作。并网逆变器的工作模式比独立逆变器更为复杂，其在运行时有电压控制和电流控制两种工作模式。在电压控制模式下的工作原理是电感L和电容C构成滤波器，这种LC结构决定输出的动态响应。而在电流控制模式下的工作原理与之不同，选用L或LCL的结构，结果电感元件影响到了输出的动态响应。目前许多科研工作者发现，逆变器在无市电接入时独立作为电压源运行时，滤波器采用的是电感L和电容C结构所构成的LC结构；而逆变器在并网时作为电流源工作时，并未采用LC结构，而是直接通过L、LC或者LCL和电网相联。LCL结构因有着更好的衰减性，在市场上还是处于领先地位，其在抑制电流谐波方面要优于LC结构，因此在制作研究并网逆变器的时候，研究人员会选择LCL结构作为滤波器，用以获得较为纯净的进网电流，不过因系统阶数的提高，我们不得不对系统的控制策略提出更高的要求。

1.2 总体方案

并网逆变器主要包含了信号采样电路、DSP单元、硬件控制电路、逆变器驱动电路、辅助电源、L滤波电路、隔离变压器等组成，组成框图如图2所示[9]。

图1 光伏并网发电系统组成结构图Fig.1 Composition diagram of photovoltaic grid-connected power generation system

图2 并网逆变器系统组成框图Fig.2 Grid diagram of grid-connected inverter system

其中硬件控制电路为该系统的重要组成部分，其采用硬件电路产生SPWM波来驱动IGBT，同时实现PID调节。DSP单元用来实现锁相功能，其对电网电压进行采样输出与电网电压同步的正弦波送到硬件控制电路。采样电路采用电压电流霍尔传感器来采集电网电压和并网电流[10]。驱动电路主要是对硬件控制电路输出信号加工后实现驱动IGBT，其中滤波电路采用单电感滤波。为了使逆变器能够并网运行，我们应在电压源电流控制下，采用控制逆变器的输出电流跟踪电网电压的相位和频率的方法，保持幅值能够以正弦的形式输出，以保证较高的并网功率因数，这种控制相位和频率的方法不仅较其他方法相对简单，而且用硬件电路实现控制速度响应快，DSP实现功能简单易于实现。

2 组成原理及参数设计

2.1 系统逆变主体电路拓扑结构及原理

对于逆变电路结构，我们采用的是单相全桥式逆变电路。其拓扑结构图如图 3所示，图示 C1为直流侧平波储能电容，Us为整个逆变器的输出电压，L为滤波电感，T2为工频隔离变压器，其变比为1∶2，Unet为市电电网电压。逆变器的输出电路是由输出电压 Us，滤波电感 L和 T2（1∶2）工频隔离变压器组成，并与电网相接。选用单相输出全桥式逆变电路作为逆变器的主体电路，选用Q1、Q2、Q3、Q4四只IGBT管作为功率开关元件，通过IGBT管的导通和截至状态来控制电路输出调制信号。现实验如下，将电路接上直流电源，然后先将功率开关元件Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，则可以根据电路图可看出，电流的流动方向为电流先从直流电源正极输出，经过IGBT管Q1、滤波电感L、变压器T2的初级线圈、IGBT管Q4后，回到直流电源负极。然后，将功率开关原件 Q1、Q4由导通变为截止，Q2、Q3由截止变为导通，电流从直流电源正极输出，经IGBT管 Q3、滤波电感L、变压器 T2的初级线圈、IGBT管Q2后，再回到直流电源负极。两种情况下，因两种电流的出现，一个正负交变的方波在变压器T2的初级线圈上形成。结合高频SPWM控制方式，控制两对IGBT管Q1和Q4，Q2和Q3交替重复进行导通截止，两对 IGBT管开关动作必须相反，此时输出等效交流电压，交流电压在经过滤波电感L的作用时，在输出端形成了正弦波交流信号。我们还可以在逆变桥各臂上并联反馈二极管，以用来给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道[11]。逆变器的原理是依靠其特性将直流电转变为交流电，实现DC/AC转换。逆变器将频率不稳定的直流电转变为频率稳定，波形畸变度满足设计要求的交流电，达到了相位频率紧跟电网，以高功率因数回馈电网的目的。

图3 系统逆变主体电路拓扑结构图Fig.3 System inverter main body circuit topology

在单相并网逆变系统研究中，我们选用的是双极性SPWM调制方式，双极性SPWM调制方式属于正弦波脉宽调制SPWM，SPWM这种调制方式与其他调制方式相比，算法简单，易于控制输出，使得系统功能实现。SPWM调制方式中另一中调制方式为单极性调制。单极性调制开关损耗低，产生电磁干扰小，但是控制方式复杂，稳定性较差；而双极型调制虽然开关损耗相对较高，但是其控制方式相对简易，输出谐波易于控制，稳定性较好等。综合以上单极性调制与双极性调制的对比来看，双极性SPWM更适合本单相并网逆变系统研究，因此采用双极性SPWM调制方式，双极性SPWM波调制波形如图4所示。

2.2 主体电路参数设计

从系统逆变主体电路拓扑结构图，经过电路分析简化拓扑结构图，得出了对应的并网逆变系统的工作示意图，如图5所示。其中Ud为直流侧输入电压，Us为逆变器的输出经变压器变比升压后的电压，L为滤波电感，Unet为市电电网电压，ic为并网电流。

此时再根据图5所示的工作示意图，得出了并网逆变器的有关的两个图，图6为交流输出侧的等效电路图，图7为逆变输出的矢量和相位关系图，如图6和图7所示。可以从这两个图中看出了各重要物理量之间的数学关系，以便于数学分析及参数设计。

图4 双极性SPWM波调制波形Fig.4 Bipolar SPWM wave modulation waveform

图5 并网逆变器的工作示意图Fig.5 Grid diagram of the operation of the inverter

图6 并网逆变器交流侧的等效电路图Fig.6 The equivalent circuit diagram of the AC side of the grid-connected inverter

图7 并网逆变输出矢量关系图Fig.7 Grid-connected inverter output vector diagram

2.2.1 直流侧输入电压的Ud选择

根据图3所示系统逆变主体电路拓扑结构图，并结合电路分析可以知道，在并网逆变系统中，该电路运行可以看作为一个能量双向流动转换，该装置不仅是一个降压变换器，也可以看作是一个升压变换器，取决于电流从直流侧流向交流侧或是从交流侧流向直流侧，如果是前者，则它就成了一个降压变压器，相反，它是一个升压变换器。正是因为这个原因，我们可以论断，为使系统能够正常运行且不会发生故障，必须将交流侧的峰值电压小于并网系统直流侧的电压。综合以上观点，并结合工频隔离变压器和开关管 IGBT的性能，选取直流侧输入电压Ud的范围为200～400 V[12]。

2.2.2 直流侧电容C的选择

通常我们选择大容量的电解电容器，使得交流侧电感在开关过程中的瞬时能量交换和平稳直流侧输入电压能够得到缓冲，不会造成电路出现短路或设备烧坏。根据并网逆变器工作示意图结合数学分析，设直流侧输入开路电压为dU ，直流侧滤波电容的耐压通常应留有1.2倍裕量即：

电容值的选择应以直流母线电压的波动限幅为依据，考虑极端情况，在功率开关元件 IGBT导通的时间段内并网电流值完全由电容放电提供，且该时刻并网电流的大小为其峰值，电容C上的电压和电流的关系满足：

其中ci为并网电流有效值，tΔ为开关管导通时间。当要求直流输入电压脉动的幅值小于3%时，电路中平波的选择应按如下方程：

将式（3）代入式（2），可得：

并网功率调节系统输出的额定电流为 ic=P/U=1000 VA/110 V≈10 A，直流侧最小输入工作电压= 200 V，开关管IGBT导通频率为f=12 kHz，综合各元件参数考虑，直流侧电容C的理论值应大于300 μF，结合本设计拓扑图，工作原理图及所要达到的实验效果，将直流侧电容C选取400 V、800 μF的电解电容[9]。

3 结论

光伏并网发电系统通过把太阳能直接转化为电能，通过转换电路，把电能送上电网，实际上它是一个有源逆变系统，但它和普通的逆变器又有很大的区别。通过对单项光伏并网逆变器的研究，我们得出如下结论。

（1）阐述了现如今化石燃料趋于耗尽，污染严重，需探索出清洁安全的可再生能源取代化石能源，且对可再生能源需进行开发利用。结合光伏并网逆变器的研究现状及创新点，分析了逆变系统的主要工作原理，经过数学分析和电路分析，得出并网逆变器的工作原理图及数学关系图，并与直流侧和交流侧滤波器的设计依据相结合，对系统主体电路的关键参数进行推导，得出相关计算公式，并选取了适合的元件参数。

（2）根据光伏并网发电系统的特性，其输出的正弦电流信号应与电网电压同频同相，但在实际的系统运行过程中，光伏电池受到多重因素的影响，输出的直流电压稳定性，抗干扰性均很差，幅值频率均易出现波动，经DC/AC转化后，转化后的交流电流幅值也并不是绝对的稳定，受外界因素影响也会出现上下波动的趋势，且会出现波形畸变。这就需要根据现有的科学技术，外界的干扰因素，并结合硬件结构及参数选取等等，对并网逆变器的结构进行优化，尽量减少波形畸变的现象发生，使得频率和幅值均趋于稳定。

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Research on Single-phase Photovoltaic Grid-connected Inverter

CHEN Wei-wei, ZHAN Yue-dong
(Faculty of information engineering and automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

The single-phase grid-connected system is used as the research object, and the theoretical analysis of the PV grid-connected system is carried out. The topology of the inverter main circuit is selected, and the working principle of the full-bridge inverter circuit is analyzed comprehensively. Side and AC side of the filter design ideas and design process, derivation and provide the main circuit of the key parameters of the formula, draw the relevant conclusions.

Single-phase grid-connected system; Photovoltaic grid connection system; Full bridge inverter circuit; Design

TM464

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.038

本文著录格式：陈炜炜，詹跃东. 单相光伏并网逆变器研究[J]. 软件，2017，38（12）：197-201

陈炜炜(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术，分布式电源接入技术研究。

詹跃东(1963-)，男，教授，研究方向：电力电子技术，分布式电源接入技术研究。