光伏逆變器的設計要求案例

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要用于無電或缺電的邊遠地區(qū)，作為獨立的電源給家用電器及照明設備供電。隨著電力緊張、環(huán)境污染等問題的日趨嚴重，與公用電網(wǎng)并網(wǎng)運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)已顯出越來越大的競爭力。光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，將省去獨立光伏系統(tǒng)中的貯能環(huán)節(jié)—蓄電池，從而大大減少了電站的維護。由于蓄電池的壽命較短，省去蓄電池后，發(fā)電系統(tǒng)的壽命可與太陽能電池的壽命相當。對于家庭住宅而言，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，可緩和白天電力緊張的局面，提高電網(wǎng)功率因素和降低線路損耗。光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電，最終將取代常規(guī)能源發(fā)電。光伏發(fā)電的并網(wǎng)原理如圖1 所示。太陽能電池陣列通過正弦波脈寬調(diào)制逆變器向電網(wǎng)傳送電能，逆變器饋送給電網(wǎng)的電力由陣列功率和當時當?shù)氐娜照諚l件決定。逆變器除了具有直流— 交流轉(zhuǎn)換功能外，還必須具有光伏陣列的最大功率跟蹤功能和各種保護功能。圖1 所示逆變器為電壓型逆變器。目前，電壓源型逆變器技術(shù)已日趨成熟，所需的硬件也容易購得。本文將對電壓型逆變器作進一步研究。

1 小型光伏并網(wǎng)電站應具備的性能

光伏電站并網(wǎng)運行，對逆變器提出了較高的要求。這些要求如下：

① 要求逆變器輸出正弦波電流。光伏電站回饋給公用電網(wǎng)的電力，必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的指標，如逆變器的輸出電流不能含有直流分量、逆變器輸出電流的高次諧波必須盡量減少、不能對電網(wǎng)造成諧波污染等。

②要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行。光伏電站的能量來自太陽能，而日照強度隨氣候而變化，這就要求逆變器能在不同的日照條件下均能高效運行。

③要求逆變器能使光伏陣列工作在最大功率點。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負載的變化有關(guān)，即其輸出特性具有非線性特性[1]。這就要逆變器具有最大功率跟蹤功能，即不論日照、溫度等如何變化，都能通過逆變器的自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)陣列的最佳運行。

④要求逆變器具有體積小、可靠性高等特點。對于家用的光伏電站，其逆變器通常安裝在室內(nèi)或壁掛于墻上，因此對其體積、重量均有限制。另外，對整機的可靠性也提出較高的要求。由于太陽能電池的壽命均在20 年以上，因此其配套設備的壽命也必須與其相當。

⑤要求在市電斷電狀況下逆變器在有日照時能夠單獨供電。

2 正弦波電壓型逆變器的實現(xiàn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)運行時的電路原理如圖2 所示。Up 為逆變器輸出電壓，Uu 為電網(wǎng)電壓，R為線路電阻，L 為串聯(lián)電抗器，Iz 則為回饋電網(wǎng)的電流。為保證回饋功率因數(shù)為1，回饋電流的相位必須與電網(wǎng)電壓的相位一致。以電網(wǎng)電壓Uu為參考，則Iz 與Uu 同相位，其矢量圖如圖3 所示。內(nèi)阻R 兩端的電壓UR 與電網(wǎng)電壓相位一致，而電抗器兩端電壓UL 的相位則落后于UR90o.由此可以求得UP 的相位和幅值：

其中ω為公用電網(wǎng)角頻率。實際電路中，Uu 的

摘要提出了并網(wǎng)發(fā)電所需的光伏逆變器的設計要求。設計時采用電壓源型逆變器實現(xiàn)光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，并采用16 位微處理器和IGBT 功率器件改善逆變器的輸出波形。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前主要用于無電或缺電的邊遠地區(qū)，作為獨立的電源給家用電器及照明設備供電。隨著電力緊張、環(huán)境污染等問題的日趨嚴重，與公用電網(wǎng)并網(wǎng)運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)已顯出越來越大的競爭力。光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行，將省去獨立光伏系統(tǒng)中的貯能環(huán)節(jié)—蓄電池，從而大大減少了電站的維護。由于蓄電池的壽命較短，省去蓄電池后，發(fā)電系統(tǒng)的壽命可與太陽能電池的壽命相當。對于家庭住宅而言，配備光伏發(fā)電系統(tǒng)，可緩和白天電力緊張的局面，提高電網(wǎng)功率因素和降低線路損耗。光伏電站的并網(wǎng)發(fā)電，最終將取代常規(guī)能源發(fā)電。光伏發(fā)電的并網(wǎng)原理如圖1 所示。太陽能電池陣列通過正弦波脈寬調(diào)制逆變器向電網(wǎng)傳送電能，逆變器饋送給電網(wǎng)的電力由陣列功率和當時當?shù)氐娜照諚l件決定。逆變器除了具有直流— 交流轉(zhuǎn)換功能外，還必須具有光伏陣列的最大功率跟蹤功能和各種保護功能。圖1 所示逆變器為電壓型逆變器。目前，電壓源型逆變器技術(shù)已日趨成熟，所需的硬件也
容易購得。本文將對電壓型逆變器作進一步研究。

1 小型光伏并網(wǎng)電站應具備的性能

光伏電站并網(wǎng)運行，對逆變器提出了較高的要求。這些要求如下：

① 要求逆變器輸出正弦波電流。光伏電站回饋給公用電網(wǎng)的電力，必須滿足電網(wǎng)規(guī)定的指標，如逆變器的輸出電流不能含有直流分量、逆變器輸出電流的高次諧波必須盡量減少、不能對電網(wǎng)造成諧波污染等。

②要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行。光伏電站的能量來自太陽能，而日照強度隨氣候而變化，這就要求逆變器能在不同的日照條件下均能高效運行。

③要求逆變器能使光伏陣列工作在最大功率點。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負載的變化有關(guān)，即其輸出特性具有非線性特性[1]。這就要逆變器具有最大功率跟蹤功能，即不論日照、溫度等如何變化，都能通過逆變器的自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)陣列的最佳運行。

④要求逆變器具有體積小、可靠性高等特點。對于家用的光伏電站，其逆變器通常安裝在室內(nèi)或壁掛于墻上，因此對其體積、重量均有限制。另外，對整機的可靠性也提出較高的要求。由于太陽能電池的壽命均在20 年以上，因此其配套設備的壽命也必須與其相當。

⑤要求在市電斷電狀況下逆變器在有日照時能夠單獨供電。

2 正弦波電壓型逆變器的實現(xiàn)

光伏發(fā)電并網(wǎng)運行時的電路原理如圖2 所示。Up 為逆變器輸出電壓，Uu 為電網(wǎng)電壓，R為線路電阻，L 為串聯(lián)電抗器，Iz 則為回饋電網(wǎng)的電流。為保證回饋功率因數(shù)為1，回饋電流的相位必須與電網(wǎng)電壓的相位一致。以電網(wǎng)電壓Uu為參考，則Iz 與Uu 同相位，其矢量圖如圖3 所示。內(nèi)阻R 兩端的電壓UR 與電網(wǎng)電壓相位一致，而電抗器兩端電壓UL 的相位則落后于UR90o.由此可以求得UP 的相位和幅值：

其中ω為公用電網(wǎng)角頻率。實際電路中，Uu 的位、周期和幅值由電壓傳感器檢測得到。由于在實際系統(tǒng)中R 是很難得到的，因此回饋電流Iz 的相位必須采用電流負反饋來實現(xiàn)，回饋電流Iz 的相位角的參考相位即為公用電網(wǎng)相
位。用電流互感器隨時檢測Iz，確保Iz 與電網(wǎng)電壓相位一致，以實現(xiàn)功率因數(shù)為1 的回饋發(fā)電。

實用的光伏發(fā)電并網(wǎng)運行專用逆變器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。逆變器主電路功率管采用IGBT，容量為50A、600V，型號為2MBI50N-060 。隔離驅(qū)動電路采用東芝公司生產(chǎn)的TLP250。逆變器的控制部分由微處理器完成。主控芯片采用INTEL 公司最新推出的逆變或電機驅(qū)動專用16 位微處理器87C196MC,該芯片除了具有16 位運算指令外，還具有專用的脈寬
調(diào)制(PWM)輸出口[2]，包括一個10 位A/D 轉(zhuǎn)換器、一個事件處理陣列、兩個16 位定時器和一個三相波形發(fā)生器。三相波形發(fā)生器的每相均能輸出兩路死區(qū)時間可以設定的PWM 信號。

這就給逆變應用場合提供了很多便利。微處理器主要完成電網(wǎng)、相位實時檢測、電流相位反饋控制、光伏陣列最大功率跟蹤以及實時正弦波脈寬調(diào)制信號發(fā)生，其工作過程如下：公用電網(wǎng)的電壓和相位經(jīng)過霍爾電壓傳感器