新型太阳能单相光伏逆变器应用性能研究

陈卓，李宗原，韩聪

（许昌开普检测研究院股份有限公司，许昌 461000）

引言

传统能源随着使用正在逐渐减少，对可再生能源的开发利用势在必行，其中代表性的可再生能源即为太阳能，其作为无污染的绿色洁净能源，被越来越广泛的应用于可再生能源开发中[1]。新型太阳能光伏发电从根本上解决了世界上逐渐减少的能源需求，被众多学者研究而逐渐运用[2]。其中，光伏并网发电是众多学者探讨的主要方向之一，而光伏并网发电系统的核心部件即为并网逆变器，为避免电流谐波向电网内流入，需通过滤波器与电网连接，那么提升进入电网的电流质量便成为光伏并网发电系统的关键问题[3]。

逆变器开关频率及其整数倍的频率位置为并网电流高次谐波的关键聚集之处[4,5]。LLCL滤波器属于一种新型的滤波装置，其之所以较传统滤波器有更优越的滤波效果，原因在于其将一个小电感值的电感串联于传统LCL滤波器的电容支路上，能够与电容共同形成一个串联谐振电路，且于开关频率位置设置串联谐振频率，能够更大的衰弱开关频率位置的电流谐波，提升向电网输送电流的质量[6]。基于此本文针对新型太阳能单相光伏逆变器进行研究与分析，为提高输送到电网电流的稳定与质量奠定基础。

1 新型太阳能单相光伏逆变器性能分析

1.1 太阳能光伏发电的构成

通过光伏组件半导体材料的光伏效应转换太阳光辐射为电能的整个过程即为太阳能光伏发电[7]。其构成为：太阳能光伏电池阵列、蓄电池组、直流/交流逆变器与交直流负载等，优点为无噪音、无污染且便于维护等。太阳能光伏发电构成图如图1所示。

太阳能光伏发电的关键是太阳能光伏电池，当下太阳能光伏电池的类型主要有三种，分别为：单晶硅、多晶硅及非晶硅，其中光电转换效率最高且最耐用的即为单晶硅[8-10]，所以在此采用单晶硅太阳能光伏电池设计本文系统。此电池板的短路电流与开路电压分别为2.8 A、11 V。

图1 太阳能光伏发电构成图

1.2 单相并网电路拓扑结构与控制策略

1.2.1 单相光伏并网系统结构

由单晶硅太阳能光伏电池、逆变器、Boost DC/DC电路、操控电路共同构成单相光伏发电并网系统[11]。为调整太阳能光伏电池阵列的输出电压，需由前级Boost电路对占空比进行调整实现，达到追踪最大功率点电压的目的；太阳能光伏电池最大功率的并网传输通过后级逆变电路完成。单相光伏并网系统结构图见图2。

图2 单相光伏并网系统结构图

其中，由太阳能光伏电池阵列PV、LLCL滤波器、DC/AC逆变器、DC/DC变换器与电路对应的操控单元共同构成主电路。在Boost DC/DC电路内采用最高功率点追踪控制方法对开关管的占空比进行操控，并对太阳能光伏电池在输出最高功率时的电池端电压eh进行追踪，将作为DC/AC并网逆变操控内逆变器操控的瞬间参考电流，且的峰值为太阳能光伏电池最高功率追踪输出时的直流电流Lmax，相位与频率是电网电压的相位与频率。因而此控制方法不仅可以令并网逆变器追踪电网的相位和频率，而且可及时输送最高功率到电网，完成最高功率点的追踪；除此之外，另将电网电压前馈控制与滤波电容电流内环操控理念加入，提升整体控制系统的稳固性[12]。以往的逆变器输出电流内的谐波分量大多采用LCL滤波器进行衰弱，这种滤波器的缺陷是当并网逆变器功率较高时，开关的频率较低，使用此滤波器所需电感量较高，电感量值的提高对逆变器的操控不利且会造成成本的增长[13,14]。因此本文选用LLCL型滤波器用于并网逆变器的设计之中，不仅能够将并网电流内的谐波分量降低，且可以减少电感设计。

1.2.2 控制策略

太阳能光伏电池运行时最高功率的变换电压以Hqw表示，设其为逆变器前端DC/DC的输出电压，并将逆变器设为一个Gpwm电压增益的变换器，基于此可将图2内的并网逆变器和LLCL滤波器模型进行简化成图3所示的电路结构图。

由LLCL滤波器将一个小电感串联到以往的LCL滤波器电容支路内，与电容共同构成串联谐振电路，其串联谐振频率表达式为：

通过图3能够将LLCL滤波器的等效模型得出，见图4，并将系统开环的传递函数得出，其式为：

由于谐振尖峰的缺陷在使用LLCL滤波器的系统内依然存在，并且其增益高于0 dB，因此为令系统更加稳定，应对谐振尖峰给予控制。对LLCL滤波器的控制可采用LCL谐振的有源或者无源阻尼的控制方式。在此选用串联谐振电路电流内环与网侧电流外环的双电流闭环有源阻尼方法，且将电网电压的前馈控制方式加入，降低并网电流因电网电压干扰或畸变带来的扰动[15]。前馈控制原理图见图5。

其中，Lref、Lkfjb分别表示给定的参考电流信号与逆变器实际输出的并网电流，网侧电流外环调节器、串联谐振电路电流内环比例调节器分别表示为Kx、G，并网逆变器实际输出电流的传递函数可依据图5得出，即为：

式中，并网输出电流和参考电流存在直接相关性，通过以上前馈控制可消除电网电压对并网电流的干扰。

图3 LLCL滤波的单相光伏并网逆变器

图4 LLCL滤波器等效模型

图5 电网电压前馈控制原理图

1.3 网侧电流外环PI控制

以电流内环为控制对象的网侧电流外环控制模型见图6所示。

表达式为：

将外环控制看作二阶系统，那么其式为：

2 仿真实验结果分析

通过对应用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统应用效果进行检验，可验证新型太阳能单向光伏并网系统中逆变器应用性能。实验采用Matlab/Simulink建立新型太阳能单向光伏并网系统的仿真模型，系统的仿真参数见表1。

图6 网侧电流外环控制模型

表1 系统仿真参数

2.1 动态性能

对实验新型太阳能单向光伏并网系统中采用的本文所研究的并网逆变器进行仿真实验，观察实验过程中并网电流和电网电压的变化情况，具体变化情况见图7。

通过图7可看出，在并网逆变器仿真结果中，电网电压在0.15 s时突然出现下降趋势，并网电流幅值在0.09 s时下降一半，并网电流可及时追踪参考电流，且抗电网电压干扰性能较好，说明采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统具备较好的动态性能。

图7 并网逆变器仿真结果

2.2 滤波性能对比

在仿真实验中对电网电压所存在的谐波次数进行模拟，分别为2、4、6、8、10次谐波。对新型太阳能单向光伏并网系统中所使用的LLCL滤波器与传统LCL滤波器进行对比，通过对二种滤波器滤波时的并网电流分别进行傅里叶分析，得出对比结果。见图8。

通过分析图8可得出，在电网电压存在较大的2、4、6、8、10次谐波时，传统的LCL滤波器滤波时在开关频率周围聚集大量并网电流的高次谐波，且其并网电流的谐波总畸变率（THD）为0.55 %；而采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统的LLCL滤波器极大的衰弱了开关频率周围的并网电流谐波，且其THD值为0.38 %，低于LCL滤波器的THD值，由此说明，采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统的LLCL滤波器性能更优越。

图8 不同滤波情况下并网电流傅里叶分析

2.3 应用性能对比

在此设定四种光照强度，依次为：0～0.1 s时光照强度是900 W/m2、0.1～0.2 s时光照强度是100 W/m2、0.2～0.3 s时光照强度是700 W/m2、0.3～0.4 s时光照强度是200 W/m2，将四种光照强度分别作用到采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统的内光伏电池与单相光伏离网型系统内的光伏电池上，对比两种系统在不同光照强度下，输出电流的变化情况，验证采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统应用性能，结果如图9所示。

图9 输出电流对比

通过分析图9能够得出，采用所研究逆变器的新型太阳能单向光伏并网系统输出的电流与入射光强度成正比，既能够及时追踪系统内光伏电池的最高功率，又能够令输出的并网电流更加稳定，说明所研究逆变器提高了新型太阳能单向光伏并网系统的运行质量，所研究逆变器的应用性能较好。

3 结论

本文建立新型太阳能单向光伏并网系统，对其核心位置的并网逆变器进行设计与分析，将LLCL滤波器用于逆变器中，可将谐波聚集较多的开关频率位置的并网电流高次谐波衰弱，提升电流的质量，采用电网电压前馈控制提升系统的抗干扰能性能，结合网侧电流外环PI控制对电流内环进行控制，提升系统稳定性。通过仿真实验验证了本文系统的稳定性较好且输出电流的质量较高，由此说明本文新型太阳能单相光伏逆变器具备优越的应用性能。