逆变并网的实现

逆变器并网的实现

并网逆变器一般分为光伏并网逆变器、风力发电并网逆变器、动力设备并网逆变器和其他发电设备并网逆变器。

在光伏并网发电系统中,逆变器作为光伏阵列与电网的接口设备,其拓扑结构决定着整个系统的效率和成本,是影响系统经济可靠运行的关键因素.由于光伏并网逆变器的结构拓扑种类众多、性能特点各异,其原理分析和性能比较,对于拓扑结构的合理选择、提高系统效率和降低生产成本有着极其重要的意义.

由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为：集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变.

1．光伏并网逆变器常用拓扑方案

光伏并网逆变器的具体电路拓扑众多,一般可按照有无变压器分类,也可根据功率变换的级数来进行分类.

根据系统中有无变压器,光伏并网逆变器可分为无变压器型(Transformerless)、工频变压器型(Line-Frequency Transformer,LFT)和高频变压器型(High-Frequency Transformer,HFT)三种.图1是采用工频变压器型的拓扑结构,变压器置于工频电网侧,可有效阻止电流直流分量注入电网.

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高频变压器型中的变压器一般可放置在两个地方.如图2所示.图2(a)是把高频变压器置于DC-AC变换器内;图2(b)是把高频变压器置于DC-DC变换器内,两种方式均可实现隔离功能.

工频变压器(LFT)与高频变压器(HFT)相比,体积大、重量重、价格上也无优势,因此,在有变压器拓扑方案的选择中,一般倾向于采用HFT来实现升压和隔离的功能.

高频链逆变技术与常规逆变技术的最大不同在于其利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离并实现能量流动，从而减小了变压器的体积和重量，降低了成本，提高了电能的利用率，显著改善了逆变器的工作特性BJ。高频链矩阵式逆变器体现了诸多优良特性：如，采用DC／HFAC／LFAC(直流／高频交流／低频交流)两级变换拓扑实现逆变，减少了通态损耗，提高了系统效率和可靠性；中间高频变压器环节可实现电气隔离和电压幅值的调整；后级矩阵变换器(MC)采用双向开关，能量可双向流动等。从电路拓扑结构看,高频链逆变器分为DC/DC 变换型和矩阵式变换型（也称周波变流型）两种。前者在生产生活中应用较广,但功率级较多,导致效率和可靠性不够理想,适用于功率单向流动场合， 后者省去直流环节,可以实现单级功率变换,从而减小了逆变器通态损耗,提高了整机的效率和可靠性。由于矩阵

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式变换器中双向开关的存在,必须处理好换流问题， 通常加吸收网络或者添加复杂的辅助检测电路,不仅增加了电路复杂程度，而且降低了其可靠性。针对单相矩阵式变换器国内外已有不少研究，大致分两个方向，一方面是从前级逆变入手来改善电路的开关性能，通常利用高频变压器的寄生参数来构成谐振回路，令一方面从矩阵变换器安全换流的角度进行调制策略的设计、优化.

为了尽可能地提高光伏并网系统的效率和降低成本,在直流母线电压足够高时,也可采用不隔离的无变压器型拓扑方案.

由于输入与输出之间无电气隔离,无变压器型拓扑产生的对地漏电流成为一个需要解决的技术难题.光伏模块存在一个随外部环境变化而变化且范围很大的对地寄生电容,其容值在0.1～10 nF之间,所以由许多光伏模块串并联构成的光伏阵列对地寄生电容变得更大,从而可能导致相当大的对地漏电流.较大的对地漏电流一方面会严重影响变流器的工作模式;另一方面也会给人身安全带来威胁.

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1．2按功率变换级数分类

按照功率变换的级数分类,并网逆变器一般可分为单级式(Single-Stage Inverter)和多级式(Multiple-Stage Inverter)两种拓扑方案,如图3所示.

图3(a)所示为单级式逆变器的结构框图,它仅用一级能量变换就可以完成电压调整和并网逆变功能,具有电路简单、元器件少、可靠性高和高效低功耗等诸多优点,所以在满足系统性能要求的前提下,单级式拓扑结构将会是首选.图3(b)给出了三种多级式变流器(Multiple-Stage Inverter)拓扑结构:DC-DC-AC、DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC.它们需要多于一级的能量转换,其中前几级中通常具备升降压或电气隔离的功能,最后一级实现逆变并网的转换.DC-DC-AC为目前常用的一种拓扑结构,其前级为DC-DC变换器,用于实现电压调整和MPPT功能;后级为DC-AC逆变器,用于实现输出电流正弦化并网、孤岛效应检测和预防等功能.该拓扑结构简化了每一级的控制方法,使得每一级可以专注于各自控制方法的质量和效率.

2．多级式逆变器拓扑结构 2.1DC-DC-AC拓扑族

图4两级非隔离型boost逆变器

上图为一个两级式非隔离电压源型Boost逆变器,该拓扑结构由一个Boost型DC／DC变换器和一个电压型全桥逆变器构成.前级Boost变换器实现对PV阵列进行升压,保证直流电压的纹波在系统允许的范围之内,后级逆变器利用PWM技术产生交流电并与电网并联工作.该拓扑采用成熟电路,简单可靠;前后两级可以独立控制,控制环节易设计和实现;但电路输出没有电气隔离,在有隔离要求的场合不宜使用.

2.2DC-AC-DC-AC拓扑结构

高升压比的多级式逆变器拓扑结构通常是由高频DC-AC-DC变流器和高频(或工频)逆变器两大部分组成.高频DC-AC-DC变流器可将PV阵列输出的直流电压变换成可调的直流电压;逆变器可将该直流电转换成预期的交流电压.图5(a)为一种传统的DC-AC-DC-AC拓扑结构,该拓扑通过前级逆变器、高频升压变压器、整流器和直流滤波器（采用大电感作为中间直流滤波环节）,使其后级逆变器的输入得到了一个可控的直流电压.由于该拓扑前后级的开关管工作频率都很高,从而导致损耗较大、成本也很高.

图5（a）电流源型buck逆变器

图6(b)为一种电压源型Boost逆变器,它的前级由PWM控制,在前级与后级之间得到一串被称为伪直流环节的直流脉冲序列.根据冲量原理,这些直流脉冲序列所对应的是正弦或者半正弦波形.与图5(a)相比,图5(b)省去了直流滤波电路,整流后直接通过后级逆变电路可得到高质量的交流输出,并且其逆变电路的功率器件工作在工频,从而降低了开关损耗.最后交流输出需要利用低通滤波器来减小THD,以提高交流输出的波形质量,但其体积有所增大.

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图5（b）电压源型boost逆变器

图5(a)、(b)所示的两种拓扑结构的后级为电压源型逆变器,而图5(c)的后级为一个电流源型逆变器,其前级开关管高频斩波在电感上得到正半波,后级使用很低的开关频率将电感电流调整为正弦输出,输出端省去了交流滤波器,中间省去了电解电容.该拓扑被美国通用电气公司在10 kW光伏并网发电系统中商业化推广.

图5（c）电流源型boost逆变器

3.并网逆变器的未来发展趋势

光伏并网逆变器是连接光伏阵列和电网的关键设备,它主要承担着光伏阵列的MPPT控制与向电网注入单位功率因数的正弦交流电能两大任务.针对其在光伏发电系统中的作用,并网逆变器必须具备效率和安全可靠性高、寿命长且成本低的特点.因此,未来的光伏并网逆变器拓扑结构应有如下几个发展趋势:

(1)简化拓扑结构.采用模块化设计、减少功率开关管数量、减少中间环节(如储能环节等)的使用、简化滤波装置等措施,以实现节约成本、缩小体积、减轻重量、提高效率和功率密度.

(2)扩大允许输入的直流电压范围.PV阵列产生的直流电压波动大、幅值低,这就要求逆变器在此情况下能够输出高质量且适用于并网的交流电.在直流侧电压波动大时,Buck-boost逆变器配合先进的控制方式,可以实现最大限度地把电能馈入电网,并且不影响输出交流电的品质.

(3)输出较高的电能质量,如较小的THD值、单位功率因数、与电网电压同步等.

4．控制策略

在控制策略方面,主要有基于模型的交流电流间接计算技术和基于直流母线电流的电流重构技术。前者不需要电流传感器,后者需要增加母线电流传感器。从系统过流保护可靠性方面考虑,后者更具有实用价值。在并网逆变器的控制策略中,近几年提出的直接功率控制策略最有发展前景,它以并网瞬时功率为被控制量,无需设置电流环,控制手段更加直接。同时,利用瞬时有功、无功功率的天然解耦性质,算法更加简洁、易于实现,并具有快速的动态响应。

参考文献：

1．百度名片.并网逆变器. http://baike.http://www.wodefanwen.com//view/1980445.htm

2．余运江，李武华.光伏并网逆变器拓扑结构分析与性能比较. 苏州市职业大学学报.2010

3．闫朝阳，刘红敏.高频链矩阵式逆变器矩阵变虚拟直流环建模与仿真. 电工技术学报.2007

4．闫朝阳，贾民立.单相高频链矩阵式逆变器SPWM调制研究. 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vwt7.html