CN104682758A - 一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器 - Google Patents

一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器 Download PDF

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Abstract

一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其组成高频隔离型光伏并网系统结构和采用全桥逆变电路，其中并网系统采用电流控制，结构简单、性能可靠、体积小、低噪声的光伏并网逆变器。本发明采用高频隔离型光伏并网系统结构作为我的主电路结构，把主电路分成典型的两级式结构，分别为前级的DC/DC变换电路和后级的并网逆变器电路，前级的DC/DC变换电路采用移相控制实现最大功率的跟踪，后级的并网逆变部分则采用全桥逆变电路。并网系统采用电流控制，即以电流源形式并网，控制方法简单、容易实现。

Description

一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器
技术领域
本发明涉及的是一种逆变器，特别涉及一种光伏发电并网逆变器。 
背景技术
光伏发电可以说是未来世界的能源支柱，在1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔发现光生伏打效应，这为光伏发电技术提供了理论上的前提。1954年，世界上第一个实用的晶体硅太阳能电池问世，是由美国贝尔实验室研制出来的，并在1958年首先将硅太阳能电池用于人造卫星上。这段时间之中，太阳能光伏电池的研究取得了很大的进步，至此太阳能利用技术才日新月异，快速发展。其中以德国、美国、日本等国家研究进展最快。 
从1987年以来，工业化国家利用太阳能获得的电能相当于900万吨标准煤产生的能量，德国在光伏发电应用方面已取得较大的成绩，但德国政府仍然要求其能源机构继续加大研究力度。1999年，德国开始执行“10万屋顶光伏计划”，并于同年出台了新的可再生能源法，更加促进了德国光伏发电的发展。2004年德国太阳能新增设备的容量居世界首位。法国的光伏市场近年来也取得了比较明显的加速发展，2009年光伏设备安装量达到200MW。与其他欧洲国家光伏市场增长原因不同，法国不是基于大型太阳能电站的安装，而是基于法国政府政策的鼓励与支持。2012年，法国能源、生态、及可再生能源发展部已发布了年度风能光伏报告。报告指出：法国2012年新增光伏装机容量为1.08GW，新增光伏电站34500座。虽然和2011年相比，安装量出现了39%的下降，但是法国的光伏装机容量还是增加了37%，超过4GW，同比增长37%。安装电站中主要为装机容量超过250KW的光伏电站，剩下249座光伏电站装机容量为632MW。日本是一个能源极度匮乏的国家，早在上世纪70年代就把开发、利用太阳能定为国策，投入大量资金研究和发展光伏发电应用，世界上大部分光伏发电的专利都由日本掌握。凭借在半导体方面的优势和比较强大的经济实力，辅以一系列政策、措施和法律法规，加上民众和企业的参与，日本有力的促进了太阳能光伏技术的发展，光伏产业不断扩大，光伏发电成本不断降低，有效的提高了光伏产品的竞争力，促进了光伏产品市场应用和推广。到2006年底，日本光伏发电累计装机容量达到1760MW，位居世界各国之首，成为光伏产业的领头羊。美国早年就对光伏发电较为重视，但是由于缺乏专门预算支持，所以美国对光伏产业发展的推动作用并没有日本显著，从而失去了其保持多年的光伏市场领先地位。 
我国于1958年研制出首块硅单晶，这拉开了我国光伏发电的序幕，1971年，首次将其应用于我国发射的东方红二号卫星上。从1973年开始将太阳电池用于地面。从80年代以后，国家对光伏工业和光伏市场的发展开始给予支持，这使得我国十分弱小的太阳电池工业得到巩固和发展。90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。2000年以后，我国的光伏技术已步入大规模并网发电阶段，开始着手建造几十千瓦、百千瓦级、兆瓦级的光伏并网示范系统。从2002年以来，国家发改委启动了“西部省区无电乡光明工程”，从2003年起我国太阳能电池产业增长加快，正步入一个快速发展的阶段。2006年国家提出建设社会主义新农村，农村电气化便成为光伏发电应用的主要市场入口，截止到2006年底，我国太阳能电池的累计装机已经达到80MW。近年来，国家又在“973”和“863”等重大项目中将太阳能电池的发展也放到了重要的位置。 
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、性能可靠、体积小、低噪声的光伏并网逆变器。 
本发明的目的是这样实现的： 
一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其组成高频隔离型光伏并网系统结构和采用全桥逆变电路，其中并网系统采用电流控制。 
所述的一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其特征是：单相全桥逆变电路的设计中，开关器件选择智能功率模块IPM。 
所述的一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其特征是：光伏并网系统的控制规律作为整个系统的核心算法部分，通过控制规律可以实现系统的并网运行。 
本发明采用高频隔离型光伏并网系统结构作为我的主电路结构，把主电路分成典型的两级式结构，分别为前级的DC/DC变换电路和后级的并网逆变器电路，前级的DC/DC变换电路采用移相控制实现最大功率的跟踪，后级的并网逆变部分则采用全桥逆变电路。并网系统采用电流控制，即以电流源形式并网，控制方法简单、容易实现。 
单相全桥逆变电路的设计中，开关器件选择智能功率模块(IPM)。考虑到前级DC/DC变换的输出额定电压为450V，考虑一定的安全裕量，开关器件的耐压至少因该为前级额定电压的2倍，即耐压值，本次实验选择的IPM模块的型号为PM75RLA120，是日本三菱公司生产的，其耐压值是1200V，可以承受的最大输入电流为75A。 
光伏并网系统的控制规律是整个系统的核心算法部分，通过控制规律可以实现系统的并网运行，本课题需要设计的控制规律主要分为两个部分：第一个是前级DC/DC变换时的最大功率跟踪控制，该控制算法的主要目的是使光伏电池板发出的能量尽可能的流入到后级的电 路中，这样能提高光伏电池板的效率，有效的利用光伏电池板发出的能量；另一个则是在后级并网逆变控制时，为了整个系统能顺利并网，把直流母线上的电压逆变成与电网电压同频同相的信号，进而实现并网。 
本发明的优点是：本发明采用高频隔离型光伏并网系统结构，直流侧与电网侧相互隔离，不会对电网产生较大的冲击，而且高频变压器体积很小，这样能节省很大的空间，重量相对来说也很轻，适合中、小功率的场合。 
附图说明
图1为半桥逆变电路结构； 
图2为全桥逆变电路结构； 
图3为系统并网控制框图。 
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 
一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其组成高频隔离型光伏并网系统结构和采用全桥逆变电路，其中并网系统采用电流控制。 
其特征是：单相全桥逆变电路的设计中，开关器件选择智能功率模块IPM。 
其特征是：光伏并网系统的控制规律作为整个系统的核心算法部分，通过控制规律可以实现系统的并网运行。 
对于单相光伏并网逆变系统来说，逆变电路可以分为单相全桥和单相半桥拓补结构。对比这两个电路，我们容易发现，单相半桥逆变电路的结构简单使用的元器件和开关器件较少，但是其输出电压只能是输入电压的一半，这样在输出电压相同的情况下，就必须把输入电压提高2倍，这样就必须提高开关管的耐压。另外，半桥电路需要用到两个分压电容，这就必须保证两个分压电容上的电压平衡，这在实现上是非常复杂的，会把控制复杂化。而单相全桥逆变电路虽然多了两个开关器件，但是不用考虑电容分压等问题，与半桥电路相比，显然更适合用在单相光伏并网逆变电路中。 
下面就全桥电路，简单介绍其工作原理，如图2中的全桥逆变电路，流母线电压为Udc,当开关管Q1和Q4导通，Q2和Q3关断，且电流方向如图中所示时，输出电压为上正、下负，这时输出电压为+Udc，开关管控制信号相同，当电流方向与图中相反时，开关管不导通，通过与Q1和Q4反并联的二极管续流，这时的电压仍然是上正、下负，输出电压为+Udc；当开关管Q2和Q3导通，Q1和Q4关断，电流方向与图中所标方向相反时，输出电压为下正、上负，这时输出电压为-Udc，电流方向与图中相同时，电流通过与Q2和Q3反并联的二极管续 流，输出电压仍然是-Udc。这样输出电压就是介于正负Udc的方波信号，由于后面与电网相连，因此在控制开关管的控制脉冲信号时，就要让开关管以一定的规律输出，保证输出为与电网同频、同相的正弦信号，这就需要一定的控制规律，一般采用PWM等调制方法，另外需要注意的就是在同一个桥臂上的两个开关管不能同时导通，否则会出现直通的危险，烧毁电路中的元器件，上下桥臂交替导通时需要设置一定的死区时间，这样就可以避免上下桥臂直通了。 
结合图3，图3为系统并网控制框图。逆变部分采用双闭环控制策略，即外环电压环和内环电流环，再加上电网电压前馈控制，通过这三种控制，可以使系统的并网运行达到比较理想的效果。其中U0 *是逆变器输入即直流母线电压给定值，U0是直流母线电压的检测值，是电流给定信号，ic是逆变器输出电流的实时检测值，UN表示电网电压，US是逆变器经调节后的输出电压值，G1(s)是一阶滤波环节的传递函数，G2(s)是逆变器本身的传递函数，G3(s)是内环电流环的PI调节器的传递函数，Gd(s)是外环电压环的PI调节器的传递函数。 
图2中，逆变器的传递函数可以等效成一个一阶惯性环节，它的传递函数可以表示为： 
G 2 ( s ) = K pwm T pwm s + 1
其中，Kpwm是整个逆变器系统的等效增益，Tpwm是该惯性环节的小时间常数，在系统建模时其值可以等效为载波周期。 
系统中的滤波器是一阶滤波器，因此其传递函数可以表示为： 
G 1 ( s ) = 1 Ls + R L
其中L为滤波电感的值，RL是后级电感及电路中的等效电阻。 
两个PI调节器的传递函数可以表示如下： 
G 3 ( s ) = K p 1 + K i 1 S
G d ( s ) = K p 2 + K i 2 S
假设先不考虑电网电压前馈环节，根据以上的分析，可以得到逆变器电流闭环的输出关系式为： 
L di c dt = U S - U N - i c R L
将上式在复频域内展开可以得到： 
i c ( s ) = 1 Ls + R L ( U S ( s ) - U N ( s ) ) = G 1 ( s ) ( U S ( s ) - U N ( s ) ) 。 

Claims (3)

1.一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其组成高频隔离型光伏并网系统结构和采用全桥逆变电路，其中并网系统采用电流控制。
2.根据权利要求1所述的一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其特征是：单相全桥逆变电路的设计中，开关器件选择智能功率模块IPM。
3.根据权利要求1所述的一种单相无工频变压器光伏发电并网逆变器，其特征是：光伏并网系统的控制规律作为整个系统的核心算法部分，通过控制规律可以实现系统的并网运行。
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