基于微網(wǎng)理念的光伏變流器系統(tǒng)設(shè)計

并網(wǎng)發(fā)電是光伏發(fā)電的有效利用方式之一。目前并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當外部主電網(wǎng)故障或檢修時，需要防止孤島效應(yīng)產(chǎn)生，常用措施是切除并網(wǎng)系統(tǒng)，停止其發(fā)電，但會造成一定的浪費。隨著生活水平的提高，人們對供電穩(wěn)定性也提出了更高的要求。
微電網(wǎng)是一種由負荷和微型電源組成的系統(tǒng)，其內(nèi)部電源主要由電力電子器件負責能量轉(zhuǎn)換，并提供必要控制。微電網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面要求，并且微電網(wǎng)能與外部電網(wǎng)脫離，獨立運行。
本文結(jié)合微電網(wǎng)理念，設(shè)計一個光伏變流器，構(gòu)建一個小型系統(tǒng)。當外部電網(wǎng)正常時，變流器工作于并網(wǎng)模式；當外部電網(wǎng)故障時，該系統(tǒng)和外部電網(wǎng)脫離，變流器工作于離網(wǎng)模式，并結(jié)合蓄電池繼續(xù)對重要負載供電。

1 系統(tǒng)原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由太陽能光伏池板陣列、蓄電池組及其管理系統(tǒng)、光伏變流器、電能計量單元以及重要負載5部分組成。

光伏池板經(jīng)過串并聯(lián)后形成25 kWp，開路電壓為500V的太陽能電池陣列。蓄電池選用50kW·h鋰電池，并且?guī)в须姵毓芾硐到y(tǒng)。逆變器是整個系統(tǒng)核心和主控單元，設(shè)計額定輸出功率為25kW。電能計量單元能夠?qū)崟r檢測電網(wǎng)和系統(tǒng)之間的功率流向以及接口處電壓相位和頻率，為并網(wǎng)離網(wǎng)切換提供信息依據(jù)。
光伏變流器主電路拓撲主要分2部分，前級為2個并聯(lián)在直流母線上的雙向DC-DC電路，后級為三相全橋DC-AC逆變電路。兩級之間通過大電容解耦。雙向DC-DC電路作用主要有維持中間電壓穩(wěn)定，另外光伏池板側(cè)的DC-DC電路同時實現(xiàn)光伏池板的最大功率跟蹤功能，蓄電池側(cè)的DC-DC電路同時能實現(xiàn)蓄電池的充電功能。
變流器三相逆變輸出通過LC濾波，經(jīng)過三相工頻隔離變壓器并網(wǎng)。重要負載接在變壓器輸出側(cè)，通過一個交流繼電器和電網(wǎng)相連。變流器系統(tǒng)通過隔離RS485方式與電能計量單元通信，獲取網(wǎng)側(cè)實時功率信息；通過隔離CAN總線方式與鋰電池管理系統(tǒng)通信，獲取蓄電池狀態(tài)信息。
1．2 系統(tǒng)工作模式
系統(tǒng)工作模式有并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式。當外部電網(wǎng)正常時，變流器工作于并網(wǎng)模式。光伏池板側(cè)DC-DC電路升壓工作，維持中間直流母線電壓710 V，同時采用擾動觀察法，對光伏池板進行最大功率點跟蹤，使池板工作發(fā)揮最大效率。蓄電池側(cè)DC-DC電路，結(jié)合蓄電池管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，單相降壓工作，對蓄電池進行充電，直到達到其設(shè)定的上限電壓Uh。DC-AC部分工作于電壓型逆變器模式，實時跟蹤外部電壓幅值和相位，逆變輸出電能供給重要負載和電網(wǎng)。
當外部電網(wǎng)異常時，變流器工作于離網(wǎng)模式。光伏池板側(cè)DC-DC電路依舊升壓工作，但此時蓄電池側(cè)DC-DC電路根據(jù)重要負載大小，選擇給蓄電池充電或是使蓄電池放電工作，維持中間母線電壓穩(wěn)定。DC-AC部分工作于離網(wǎng)逆變模式，維持輸出相電壓220 V／50 Hz。鋰電池側(cè)DC-DC電路控制充分結(jié)合鋰電池管理系統(tǒng)，其控制流程如圖2所示。