新型光伏并网逆变器拓扑电路与控制策略解析

2022-01-17南京国电南自电网自动化有限公司

电力设备管理 2021年14期

南京国电南自电网自动化有限公司江晨

为了能有效实现光伏并网、把太阳能转化成电能，一定要处理好两个基本环节：一是光伏阵列与DC-DC 变换器，其宗旨在于获得更多的太阳能，进而使光伏阵列处于最佳的工作状态，达到最大功率点追踪MPPT 并提升输出的直流电压值；二是DC-AC 变换器，其运行目的是把光伏阵列生成的直流电转变成大多数负荷所需的交流电，其输出电流相位和电网电压等同，幅值在电网电流之上，且具有更高的单位功率因数。由此可见DC-AC、DC-DC 变换器均有各自的控制目标和方法，两部分的耦合不够紧密，故建议分开设计光伏系统的控制过程。

1 双Boost DC-AC 变换器的拓扑结构

1.1 电路结构

图1是双Boost DC-AC 变换器的基本电路拓扑[1]。两组结构等同且对称分布，输入端实现并联，不仅有原Boost 变换器提升电压的属性，采用以上组合方式后也生成一种新功能，即调整占空比后负载上获得的正弦交流波瞬时检测值明显高于直流输入电压。

图1 变换器的基本拓扑

因两组Boost 电路结构上实现了绝对对称，应用的开关管IGBT S1-S4不管是材料还是性能参数均完全相同，左、右两组Boost 变换器直流偏置也无差异，唯一的不同是，若左侧开关管S1、S2驱动电压呈正弦规律改变且受到初相位0°正弦波参考量的调节控制时，要求右侧的单组开关管S3、S4驱动电压的正弦波参考量和前者的相位差一定是180°，反之也如此。不论是电容C1还是C2，其输出电压均伴随各自的参考电压值改变而变化。在本电路内，因电感L1、L2内电流不会发生突变，故而选择L1—L2作为续流支路，供电负载用R 表示[2]。

1.2 工作过程

电路实际运行时会存在“死区”时间，并且感应电流应是连贯的。假定流入直流电源的电感电流iL1是正、流出直流电源的电流iL2是负。在直流稳压稳定的状况下，可依照真实的开关管驱动波形细分成不同时段开展分析，图2（a）是开关管触发脉冲[3]。

图2 变换器触发脉冲和等效电路

[t0～t1]时段。S2、S3导通，基于假定的电感电流方向，iL1、iL2分别由D1、D4转移到S2、S3，等效电路图是图2（b）；[t1～t2]时段（死区）。因电感电流方向不会突变，故而在关断S2、S3时，iL1、iL2分别转移到D1、D4续流；[t2～t3]时段。iL1、iL2依然分别通过D1、D4流动，此时尽管Vg4、Vg1是高电平，但其所调控的两个开关管无法即刻导通。等效电路见图2（c）；[t3～t4]时段。iL1、iL2分别通过D1、D4实现续流，图2（c）是其等效电路；t3后又重复进行以上工作过程，只有当iL1、iL2电流方向出现变化后，S1、S4方能在开关信号作用下实现导通与关断动作，在这样的情境下S2、S3始终能维持关断状态，iL1、iL2电流从D2、D3转移至S4、S1，图2（c）是其等效电路。

观察图1，发现跨接于u1与u2两端的负载直流偏置互为抵除，交流分量正弦波互差180°进而相减叠加，可按照下式计算逆变器的负载端电压u0[4]：

综合如上分析，尽管负载的任一端均出现单个直流偏置电压，但两侧偏置数值等同，两端电压分别是正负交变的正弦波电压，计算差值，其直流电压是零，交流分量幅值明显增加，为单侧的二倍。通过分析以上公式，双Boost DC-AC 变换器的输出电压有正负交变的特点，故而逆变器左右两部分的电流能实现双向流通。

1.3 电路的参数设计

电感L1、L2：结合电路工作过程分析，逆变电路内电感L1、L2作用不仅是存储能量，还可作为输出滤波电感，故而设计时应着重考虑如上两个因素。结合既往研究所得结论，在Boost 电路内，当将开关管占空比d 调控在0～0.845范围时，假定L1=L2=L，可结合以下公式选择L：，式中，Udc是直流侧电压，对于光伏阵列假定该值是75V；η 是电流的纹波，取值25%；负载输出功率PRL为4kW；开关管频率fs 是5kHz；Ts=1/fs，为200μs，代入上式计算取L=0.18mH。

电容C1、C2：可按照输出滤波器的原则设计。结合既往研究所得结论，针对电容和电感所组成的低通滤波器，大于其谐振频率的高次谐波将会按照40dB/十倍频进行衰减，C1=C2=C，按照如下公式选择电容[5]：C=1/L(2πfN×15)2，fN为基波频率、对应值是50Hz，最后求出C ≈7.5μF。

2 最大功率跟踪技术

2.1 跟踪原理

分析光伏阵列电流电压及功率电压各自的变化规律，不难发现I-U、P-U 形成了非线性关系，伴随着日照与环境温度等客观因素的改变，最大功率点会出现一定变化。在日照时段中系统始终会存在输出功率最大点，为获得最高的功率输出，一定要确保光伏阵列与负载之间的高匹配度。追踪控制最大功率的宗旨[6]：结合地势特征、光照强度、气温，采用适宜的控制方法，将光伏阵列的效率充分发挥出来。伴随日照强度、气温的改变光伏阵列会出现一定改变，其输出功率也动态改变，故一定要实时追踪系统的作业状态，有针对性整顿作业条件，使负载获得最大输出功率。

2.2 常用的跟踪方法

恒定电压跟踪。若太阳能电池板电压在设备出厂时的理想范围运作，那么此时电压值所处功率—电压特性曲线上的点位一定是最大功率点。采用适当的方法将电池阵列在这个固定电压值上运作，就能初步完成最大功率的追踪任务；扰动观测法。将一个扰动电压施加给电池阵列输出端的电压，进而使阵列输出功率出现增减，根据输出功率的改变去判断电压扰动方向是否精准。

电导增量法。功率-电压曲线是一个单峰型曲线，如果采用功率对电压求导数，能够发现输出功率最大点便是导数是零的点，因此可应用适宜的方法探寻到导数是零的点位，这样便能确定输出的最大功率点。具体控制方法如下：在导数为零或接近零的区域，基本上能保持控制电压恒定不变。图3是电导增量法原理图[7]，和以上两种控制方法相比优点有：物理概念的清晰度较高，当光伏阵列系统的光照强度出现改变时，负载获得的输出电压也能以稳定的方式伴随其发生改变，电压波动带来的影响显著低于观察法。但这种策略自身也存在着不足，在跟踪电压变化过程中算法的执行过程相对较复杂，模数转换时会耗用较高的时间成本，对处理器运算控制性能要求较高，以上操作难度偏大。