一种新型光伏并网逆变器设计

一种新型光伏并网逆变器设计

于志永

（青岛地铁集团有限公司山东青岛266012）

摘要：本文设计了一种基于DSP控制的光伏并网逆变器，阐述了光伏逆变器并网的关键技术，通过对并网控制和孤岛效应等问题的分析，给出了具体的解决方案，经系统仿真和样机实验证明，该逆变器能够实现可再生能源以高功率因数回馈电网。

关键词：可再生能源；并网逆变器；DSP；孤岛效应

0引言

光伏发电系统主要分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。其中并网型光伏发电系统一般由太阳能电池板、升降压变换电路，光伏逆变器，控制器等部分组成，其中光伏逆变器是将直流电转换成交流电的核心设备。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，独立的向负载供电，并网逆变器用于并网运行的太阳能发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统，正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。本文设计出一种效率较高、并网控制策略较新的光伏并网逆变器。实现输出电流与电网电压同频同相，达到光伏发电并网的要求。

1并网逆变器的基本原理

并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一个大电感提供较稳定的直流输入，但由于这一大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用电压源输入为主的方式。逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。本文所设计的3KW单相并网逆变器就是采用电压源输入、控制电流输出的控制方式，逆变电路结构采用的是单相桥式逆变电路。其拓扑结构图如图1所示，逆变器的输出经过一个L滤波环节和工频隔离变压器接入电网。

2逆变器并网电流控制方案

对逆变器输出电流的控制，本设计采用的设计方案是固定载波频率的SPWM强迫电流跟踪方式，控制框图如图4所示。其控制过程是：将与市电电压同频同相的参考电流给定值iC*与实际的并网电流瞬时值反馈值ic进行比较，差值△i通过PI调节器处理，与引入的市电电压前馈补偿值相加后，得到的值经SPWM调制，输出正弦波脉宽调制信号，经驱动电路放大，驱动功率电子开关器件工作，产生与电网同频同相位的正弦波电流。这里电流差值△i经PI调节的物理意义就相当于在滤波电感L上产生的电压，PI调节输出值与市电前馈电压值UN之和，其物理意义就相当于逆变器输出电压US，这样就构成了一个矢量三角形，与并网逆变器输出矢量图相一致了。

图4中iC*是电流给定信号，ic是实际的并网电流，G3(S)是PI调节环节传递函数，G2(S)是逆变环节传递函数，G1(S)是滤波环节传递函数，G4(S)是电网电压前馈环节传递函数。这里加入市电电网电压的前馈控制，还可以使得电网电压对输出电流的影响为零。

逆变器的输出电流ic是跟踪参考电流给定值iC*，因而对参考电流给定值iC*的控制显得尤为重要，对参考电流的控制最主要的是要使其与市电电压同频同相，这里DSP采用异步变频锁相算法实现。异步变频锁相算法的原理是建立一个与所用DSP器件字长同长的相位指针Index，利用该指针在采样频率下步进而周期性溢出的特点来产生与市电同频同相的参考电流信号，从而控制逆变输出，达到控制并网电流的目的。由于是异频调制，调制信号频率变化时载波频率可以不变。那么，以载波频率作为系统采样频率，在每个采样周期对相位指针增加一个步进值Step，则当前的Index值代表了当前调制信号的相位值。增量值Step的大小决定了指针Index溢出的快慢，也即决定了调制信号的频率。如此周而往复，则实现了周期参考正弦信号的发生。通过对增量值Step的调整，则可实现对逆变输出频率的调节；如果在一个逆变周期之后对相位指针Index增减一个值，则可实现对逆变输出相位的移相控制。

图8电网电压和并网电流实验波形

3逆变器反孤岛效应控制

本设计设定了一个固定的偏移频率，即并网电流超出电网电压0.1Hz。系统周期性检测逆变器输出频率和电网电压频率，假设上一周期检测到电网电压频率为F，则这个周期逆变器输出频率应设定为（F+0.1）。在电网没有断电时，因为逆变器与电网相连，并且下一个周期逆变器输出都会与电网重新同步，所以在下一个周期逆变器设定频率和实际输出的频率依然为（F+0.1），依次循环下去，逆变器输出频率始终只会超出电网电压频率0.1Hz；但是如果电网突然断电，此时完全由逆变器向电网输出供电，电网电压频率即为逆变器输出频率，逆变器输出频率因而失去了一个同步标准，则下一周期逆变设定频率将会变为（F+0.1），在接下来的一个周期内将会变为（F+0.2），在以后每个周期逆变设定频率将会继续增加，因而导致逆变器输出频率会不断累加，当频率超出电网允许范围时，逆变器将判断到孤岛状态，并进行自动保护。

4系统仿真及实验

本设计还搭建了实验平台，进行了逆变器并网实验，并网功率为3KW，逆变器直流侧电压为400V，系统采样周期为100μS，图8为电网电压和并网电流实验波形。从仿真结果和实验结果都可以可看出，并网电流顺利跟踪了电网电压，谐波含量小，系统具有较好的工作稳定性。

5结束语

本文设计了一种基于DSP控制的光伏并网逆变器，采用电压型逆变器电流控制的方式，引入固定载波频率的SPWM强迫电流跟踪和软件锁相等技术，控制逆变器输出与电网电压频同相的并网电流，实现可再生能源以高功率因数回馈电网。样机实验表明，本文所设计的并网逆变器能够将可再生能源产生的电能可靠地、高质量地输送电网，实现了并网响应速度快、功率因数高、控制方便等目标。

参考文献

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