单相光伏并网逆变器的设计

第一章绪论1.1 光伏发电背景与意义作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。

目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。

但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1％，产业和市场之间发展极不平衡。

为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如《中华人民共和国可再生能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《可再生能源十一五发展规划》等。

这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。

《可再生能源中长期发展规划》还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3％以上。

对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。

当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW 并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。

可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率，光伏市场的前景仍然令人期待。

光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。

按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。

典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。

图1-1 不可调度式光伏并网发电系统从图1-1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。

第22卷第2期北华大学学报(自然科学版)Vol.22No.22021年3月JOURNAL OF BEIHUA UNIVERSITY(Natural Science)Mar.2021文章编号:1009-4822(2021)02-0267-08DOI :10.11713/j.issn.1009-4822.2021.02.026基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计许晋飞1,刘德君2,薛若楠1(1.北华大学电气与信息工程学院,吉林吉林㊀132021;2.北华大学工程训练中心,吉林吉林㊀132021)摘要:传统的双环PI 控制无法满足LCL 并网逆变器电流谐波,输出电压扰动大;线性自抗扰技术可以通过线性扩张状态观测器和线性控制律对总扰动进行实时估计和补偿,大大提高并网逆变控制器的性能.为提高系统输出对电网电压扰动的抑制能力和系统的起动性能,引入电网电压前馈控制策略,提出基于自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,采用MATLAB 软件进行仿真.仿真结果表明,基于线性自抗扰控制下的单相光伏并网控制系统可实现对入网电流的无静差跟踪,提高了系统抑制电网电压扰动的能力,入网电流的总谐波失真小.关键词:LCL 滤波器;并网逆变器;双电流环结构;线性自抗扰控制;电网电压前馈控制中图分类号:TM464文献标志码:A收稿日期:2020-11-16基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目(2015148).作者简介:许晋飞(1996 ),男,硕士研究生,主要从事电力系统自动控制及非线性控制理论研究,E-mail:2295757721@;通信作者:刘德君(1971 ),男,博士,教授,主要从事电力传动及非线性控制理论研究,E-mail:dejunliu@.Controller Design of Single Phase PV Grid-connected Inverter Based on Active Disturbance Rejection ControlXU Jinfei 1,LIU Dejun 2,XUE Ruonan 1(1.College of Electrical and Information Engineering ,Beihua University ,Jilin 132021,China ;2.Engineering Training Center of Beihua University ,Jilin 132021,China )Abstract :The traditional double loop PI control can not satisfy the large current harmonic and output voltage disturbance of LCL grid connected inverter,linear active disturbance rejection technology can estimate and compensate the total disturbance in real time through linear extended state observer and linear control law,which greatly improves the performance of grid connected inverse variable controller.In addition,in order to improve the ability of the system output to suppress the grid voltage disturbance and the starting performance of the system,the grid voltage feedforward control strategy is introduced.Therefore,this paper proposes the grid voltage feedforward control strategy based on active disturbance rejection control.MATLAB software is used to simulate and verify that the single-phase photovoltaic grid connected control system based on linear active disturbance rejection control can realize no steady-state error tracking of the incoming current,which improves the ability of the system to suppress the grid voltage disturbance,the total harmonic distortion of the incoming current is small.Key words :LCL filter;grid-connected inverter;double loop controller;linear active disturbance rejection controller(LADRC);grid voltage feedforward control近年来,作为清洁能源的太阳能受到了国内㊁外学者的普遍关注.并网逆变器是单相光伏并网发电系统的主要元件之一,能够将光伏阵列产生的直流电逆变转换为交流电,从而实现光伏并网发电系统准同步并网或同步并网[1],而其控制技术的优劣直接影响到系统入网电流的电能质量,因此,研究逆变器的并网控制技术具有重要的现实意义.针对光伏发电系统存在的并网功率波动大㊁谐波含量高㊁系统稳定性差等问题,学者们开展了深入研究,提出了双电流环控制结构[2]㊁线性自抗扰控制的有源阻尼方法[3]㊁基于准PR 控制器的陷波滤波器控制策略[4]㊁电网电压比例前馈控制策略[5]等控制方法.本研究在分析LCL 单相光伏并网逆变控制系统原理的基础上,将系统的电流外环引入线性自抗扰控制器,并将其与电网电压前馈控制相结合,设计一个以三阶线性自抗扰控制器为基础的控制系统,实现对入网电流的快速无静差跟踪,对扰动的抑制能力更强;根据并网逆变系统元件参数,对LCL 滤波器参数的设计进行详细分析,并通过MATLAB 仿真对控制系统抑制电网电压波动的性能进行验证.1㊀系统结构及数学模型LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构见图1.其中:VT 1~VT 4为绝缘栅双极型晶体管;L 1㊁L 2㊁C 分别为LCL 型逆变器的逆变侧电感㊁网侧电感和交流侧滤波电容;U dc ㊁u 分别为直流输入电压和逆变器的输出电压;i 1㊁i 2㊁i c 为逆变器侧电感电流㊁并网侧电感电流和电容电流;U PCC 为网侧测量公共耦合点电压,用于锁相环和电网电压前馈控制.图1LCL 型单相光伏并网逆变器控制系统结构Fig.1Structure of LCL single phase PV grid-connected inverter control system 由图1LCL 逆变系统的拓扑结构可推导出逆变器输出电压u 到并网侧电感电流i 2的传递函数:G (s )=I 2(s )U (s )=1L 1L 2Cs 3+L 1+L 2()s .(1)由式(1)可知,由LCL 滤波器组成的系统为三阶系统,其发生谐振时的频率为f =12πL 1+L 1L 1L 2C.由于引入无源阻尼电阻会使系统产生很大的损耗,因此,本文设计的控制系统采用双闭环控制结构:内环采用电容电流反馈的有源阻尼控制,不仅可以有效降低LCL 滤波器的谐振尖峰,而且不产生附加损耗;外环采用线性自抗扰进行控制.双闭环控制系统数学模型见图2.图2电流双闭环控制结构Fig.2Control structure of current double closed loop㊀㊀由图2可推导出外环控制器由输出i ∗c 到入网电流i 2的系统开环传递函数:G A =G c 2G INV G 1G 2G 31+G 1G 2+G 2G 3+G c 2G INV G 1,(2)其中:G 1=1/(sL 1),G 2=1/(sC ),G 3=1/(sL 2),逆变桥近似为G INV =k PWM =380,内环通常采用比例控制器,能够提高系统的动态性能,设G c2=k c .则式(2)可以化简为G A (s )=k c k PWM L 1L 2Cs 3+k c k PWM L 2Cs 2+(L 1+L 2)s .862北华大学学报(自然科学版)第22卷2㊀LCL 滤波器参数选取为了抑制逆变器等非线性负载工作时产生的谐波,降低入网电流的总谐波失真(total harmonic disto-rtion,THD),需要在逆变器的终端添加一个三阶LCL 滤波器.由于滤波器参数的选择会直接影响到系统的稳定性,因此,研究系统中LCL 滤波器的参数具有重要意义.本文设计系统中的元件参数见表1.表1㊀系统元件参数Tab.1㊀System component parameters 参量数值电网电压U g /V 220电网频率f g /Hz 50开关频率f s /kHz 20直流侧电压U dc /V 400系统容量P n /(kV㊃A)3逆变侧电感参数L 1的大小与纹波电流和系统功耗有关.一般情况下,规定电流纹波为额定电流的10%~20%,本文按照20%的电流纹波进行电感值计算.L 1ȡU dc 7f s I n ˑ20%.式中:I n 为相电流的额定值.滤波电容C 的大小与系统容量㊁谐振频率有关.如果滤波电容C 较大,则流过其他器件的电流将较大,从而增加系统损耗,降低整个系统效率;如果滤波电容C 较小,则LCL 系统要实现相同的滤波效果,电感值会较大.C ɤ5%ˑP n 6πfU 2g.网侧电感L 2由LCL 滤波器系统整体性能决定.文献[6]已经证明了逆变侧电感L 1决定输出电流纹波的大小;网侧电感L 2和滤波电容C 对高频电流起到分流作用,滤波电容给高频分量提供了一个低阻通道.为了保障系统具有良好的分流效果,需要满足X c <X L 2ˑ20%.综上所述,系统使用的LCL 滤波器参数分别为L 1=3.3mH,L 2=2mH,C =5μF .3㊀系统控制器设计3.1㊀线性自抗扰控制器设计LADRC 是一种不依赖于被控对象模型的新型控制技术,将外部扰动和内部动态参数变化的总扰动视为一个状态,利用线性扩张状态观测器对其进行实时观测和补偿,结合特殊的线性控制律实现良好控制,具有超调小㊁响应速度快㊁控制精度高㊁抗干扰能力强等特点[7].由于高阶线性自抗扰跟踪速度更快,抑制扰动的能力更强,且适用于扰动较大的低频系统[8],因此,本文以三阶线性自抗扰为例进行设计.LADRC 控制器结构见图3.图3LADRC 控制器结构Fig.3Structure of LADRC controller由图3可见,自抗扰控制器基本结构是由线性扩张状态观测器(LESO)㊁线性误差反馈控制率(LSEF)㊁补偿扰动3种功能组合而成[9-10].以三阶系统为例,其被控系统可以描述为y‴=f (y ,yᶄ,yᵡ,ω,t )=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+bu ,(3)式中:u ㊁y 分别为对象输入与输出;ω为对象扰动;a 1㊁a 2㊁a 3为系数,其值未知;b 为正的输入增益,其值未962第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计知,但是有标称值b 0>0.式(3)可以改写成y‴=-a 2yᵡ-a 1yᶄ-a 0y +ω+(b -b 0)+b 0u =f +b 0u .(4)线性扩张状态观测器LESO 和线性误差反馈控制率LSEF 的表达式见式(5)与式(6).LESO Zᶄ1=Z 2+β1(y -Z 1),Zᶄ2=Z 3+β2(y -Z 1),Zᶄ3=Z 4+β3(y -Z 1)+b 0u ,Zᶄ4=β4(y -Z 1),ìîí(5)式中:β1㊁β2㊁β3㊁β4为张状态观测器参数;Z 1为对系统输出y 的估计值;Z 2为对系统输出y 的一次微分估计值;Z 3为对系统输出y 的二次微分估计值;Z 4对系统总扰动f 的估计值.LSEF u 0=k 1(r -Z 1)-k 2Z 2-k 3Z 3,u =u 0-Z 4b 0,ìîí(6)式中:k 1㊁k 2㊁k 3分别为线性控制组合的控制参数.3.2㊀电网电压前馈控制在外环控制器为线性自抗扰的基础上,为提高系统的抗干扰能力,确保并网电流满足并网标准,需要抑制电网电压波动对系统输出的影响.目前,抑制电网电压波动的方法主要分为两大类:一类是通过增大基波或者谐波频率处的环路增益来提高系统的稳定性;另一类是采用电网电压前馈控制策略.本研究采用电网电压前馈控制策略,不仅可以抑制入网电流中的多种谐波含量,而且控制器结构相对简单,不影响光伏发电系统中入网电流环路增益,可以有效减少并网电流的稳态误差[11-12].系统电网电压前馈控制策略见图4.图4系统电网电压前馈控制策略Fig.4Control strategy of system grid voltage feedforward结合线性误差反馈控制律(式6),可以将系统简化为图5所示的等效模型.图5系统等效模型Fig.5System equivalent model㊀㊀通过系统等效模型可将系统简化为图6所示的等效模型.其中,G x 1和G x 2的传递函数如下:072北华大学学报(自然科学版)第22卷图6电网电压前馈控制等效模型Fig.6Equivalent model of grid voltage feedforward control G x 1=k PWM G 1G 2G c 1G c 21+G 1G 2+G 1G c 2k PWM ,G x 2=G 3+G 1G 2G 3+G 1G 3G c 2k PWM 1+G 1G 2+G 2G 3+G 1G c 2k PWM.根据图6可得到并网电流的表达式i 2=G x 1G x 21+G x 1G x 2H i ∗2-G x 21+G x 1G x 2H u g .(7)由式(7)可以看出,电网电压u g 的基波分量会造成入网电流i 2与其参考信号之间存在稳态误差,若谐波分量过多则会造成入网电流发生畸变.因此,需要在电网电压u g 和i 2之间引入一条传递函数为G f 的支路,这样就可以完全消除u g 对i 2的影响.G f =1k PWM+CH i s +L 1C k PWM s 2,(8)式中:H i 为一次微分项的参数.由式(8)可见,单相LCL 并网逆变器的电网电压前馈函数由比例项㊁一次微分项和二次微分项3项组成[11].由于所设计的系统中电网电压主要含有低次谐波,电网电压比例前馈足以消除电网电压对并网电流的影响,因此,可将前馈函数简化为G f =1k PWM.4㊀仿真试验为了检验所提出的基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略的性能,根据图4的系统结构搭建仿真模型,并与传统的双环PI 控制器进行对比.系统元件参数见表1,其中,逆变器采用单极性倍频SPWM 调制.表2㊀LADRC 控制器参数Tab.2㊀Parameters of LADRC controller LESO 参数LSEF 参数b 0=1010β1=7ˑ105k 1=5ˑ1010β2=4ˑ109k 2=4ˑ106β3=1.9ˑ1013k 3=1800β4=4ˑ1016若系统为传统的比例-积分双环控制,由文献[13]可知,其内㊁外环控制器电流内环比例控制器参数k c =0.15;电流外环PI 控制器参数k p =0.75,T i =0.418.若系统为LADRC-PI 双环控制,则其电流内环比例控制器k c =0.15;外环LADRC 控制器参数见表2.传统比例-积分双环控制与LADRC-PI 双环控制入网电流的对比波形(无前馈)见图7,入网电流谐波分析(无前馈)见图8,入网电流幅值和畸变率(无前馈)对比见表3.图7入网电流波形对比(无前馈)Fig.7Comparison of incoming current waveform (without feedforward )172第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计图8入网电流谐波分析(无前馈)Fig.8Harmonic analysis of incoming current (without feedforward )表3㊀入网电流参数对比(无前馈)Tab.3㊀Comparison of network current parameters(without feedforward )控制器幅值/ATHD /%PI-PI 6.3890.75LADRC-PI 6.4800.19图9电网电压u g 波形Fig.9u g waveform of power grid voltage㊀㊀仿真结果表明:与传统的比例-积分双环控制策略相比,LADRC-PI 双环控制策略解决了传统PI 控制器在对电流信号跟踪时难以实现无静差控制的问题.LADRC-PI 双环控制的系统入网电流畸变率明显减小,电流曲线光滑无毛刺,谐波含量大大减少,可以实现对入网电流信号的无静差跟踪,并且具有动态性能好㊁抗扰动能力强的特点,入网电流的电能质量得到了明显改善.在与LADRC-PI(无前馈)控制器具有相同控制器参数的基础上,引入电网电压前馈控制策略.为了检验该控制策略对系统电网电压扰动的抑制作用,电网电压u g 在0.04秒时加入5sin(ωt )的基波电压扰动,在0.1秒时加入10sin(ωt )的基波电压扰动.电网电压u g 的波形见图9,LADRC-PI 双环控制(无前馈)与LADRC-PI 双环控制(有前馈)入网电流的波形对比(有前馈)见图10,入网电流谐波分析见图11㊁图12,入网电流幅值和电流畸变率(有前馈)对比见表4.图10入网电流波形对比(有前馈)Fig.10Comparison of current waveforms of network access (with feedforward )表4㊀入网电流参数对比(有前馈)Tab.4㊀Comparison of network current parameters (with feedforward )控制器扰动幅值/A THD /%LADRC-PI LADRC-PI +前馈5sin(ωt ) 6.4846.4810.770.30LADRC-PI LADRC-PI +前馈10sin(ωt ) 6.5046.491 3.481.94272北华大学学报(自然科学版)第22卷图11扰动为5sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.11Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 5sin (ωt)图12扰动为10sin (ωt )时入网电流谐波分析Fig.12Harmonic analysis of incoming current when the disturbance is 10sin (ωt)图13电容电流波形Fig.13Waveform of capacitance current ㊀㊀由图10~12和表4可见,当系统的电压扰动为5sin(ωt )时,有前馈和无前馈的系统波形都满足入网需要,但有前馈的控制系统电流畸变率仅为0.30%,入网电流的电能质量更好;当系统的电压扰动较大(10sin (ωt ))时,无前馈的控制系统已经难以实现无静差跟踪,围绕参考电流上㊁下波动,而有前馈的控制系统可以更好地抑制电网电压波动,跟踪过程中没有稳态误差.系统为LADRC-PI 双环控制(有前馈)时的电容电流波形见图13,电流波形的相位误差见图14.由图14可见,基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略系统可以实现并网电流与电网电压的同频同相,符合国家电能质量的并网标准.图14线性自抗扰控制下电流波形的相位差Fig.14Phase difference of current waveform under linear active disturbance rejection control372第2期许晋飞,等:基于自抗扰控制的单相光伏并网逆变控制器设计472北华大学学报(自然科学版)第22卷5㊀小㊀㊀结针对单相光伏并网逆变系统,本文提出了一种基于线性自抗扰控制的电网电压前馈控制策略,通过仿真验证了该控制策略的正确性和可靠性.仿真结果表明,该策略不仅能够实现对入网电流的无静差跟踪,而且还能够有效改善入网电流的畸变率,提高系统的抗扰动能力.另外,该控制策略不需要准确的数学模型,极大地提高了并网电能质量和并网系统的可靠性,体现了该控制算法作用于光伏并网系统的优越性.但本文仅对单相光伏并网发电系统进行了设计,并未研究更深层次的三相光伏并网发电系统,今后将在这方面进行深入研究.参考文献:[1]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2010.[2]易桂平,黄慧春,胡仁杰.基于LCL输出滤波器的双环控制并网逆变器研究[J].太阳能学报,2016,37(1):40-46.[3]吕勤,王金跃,周竹菁.LCL滤波并网逆变器的自抗扰控制[J].电力电子技术,2020,54(1):5-9.[4]李彦哲,保婷婷.三相LCL光伏并网逆变器的新型入网控制策略[J].控制工程,2018,25(8):1511-1515.[5]XIE Shaojun,XU Jinming,TANG Ting.Improved control strategy with grid-voltage feedforward for LCL-filter-based inverter connected to weak grid[J].IET Power 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单相光伏并网逆变器的研究轮机工程学院摘要能源危机和环境问题的不断加剧，推动了清洁能源的发展进程。

太阳能作为一种清洁无污染且可大规模开发利用的可再生能源，具有广阔应用前景。

并且伴随“智能电网”理论的兴起，分布式电力系统正日益受到关注，光伏逆变系统作为分布式电力系统的一种重要形式，使得对该领域的研究具有重要的理论与现实意义。

论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的主要关键技术，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。

为研究光伏逆变系统，本文建立了一套完整的光伏逆变系统模型，主要包括光伏电池模块，前级DCDC变换器，后级DCAC逆变器，以及相应的控制模块。

为了提高系统模型的准确性及稳定性，论文设计了一种输出电压随温度光照改变的光伏电池模型，提出了一种基于Boost 升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。

最后在MatlabSimulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。

经过仿真实验验证，所提出的光伏逆变系统设计方案正确可行，且输出达到了设计要求，为进一步实现并网功能提供了条件，具有较高的实用参考价值。

关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；光伏逆变系统；正弦脉冲调制技术ABSTRACTWith intensify of the energy crisis and environmental problems, the development of clean energy . The solar energy because of its friendly-environmental advantage and renewable property. With the proposition of the Smart Grid, Distributed Power System . As an important form of Distributed Power System, photovoltaic inverter system is the key of the research in this field.This paper discusses the key techniques of photovoltaic inverter system on the basis of analysis of development and research techniques such as maximum power point tracking (MPPT) which work efficiency and work condition and technology of PV inverter.In order to research PV inverter system, this paper builds an integral model, including PV battery model and DCDC converter and DCAC single phase inverter as well as corresponding control models. In order to improve the validity and the stability of the system, the paperuses a PV battery model whose output voltage changes with intensify of the illumination and the real time temperature. And this paper proposes a control method of MPPT on the basis of Boost converter and applies the Sinusoidal PWM in single phase inverter control. At last, we will build an integral PV inverter system by using MatlabSimulink software, to get a verification and validation.Through many simulation experiments, the proposed photovoltaic inverter system design is correct and feasible. And the output indicators meet the design requirements. The system paves the road to the further implement and grid connection and ，在这段过程中电感L上积蓄的能量为U i i L t on。

第5章单相并网逆变器后级的DC- AC部分，采用单相全桥逆变电路，将前级 DC- DC输出的400V 直流电转换成220V/50Hz 正弦交流电，完成逆变向电网输送功率。

光伏并网逆变器实现并网运行必须满足要求：输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（单位功率因数），而且其输出还应满足电网的电能质量要求，这些都依赖于逆变器的有效并网控制策略。

光伏并网逆变器拓扑结构按逆变器主电路的拓扑结构分类，主要有推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。

5.1.1推挽式逆变电路推挽式逆变电路由两只共负极的功率开关元件和一个原边带有中心抽头的升压变压器组成。

它结构简单，两个功率管可共同驱动，两个开关元件的驱动电路具有公共地，这将简化驱动电路的设计。

U图5-1 推挽式逆变器电路拓扑推挽式电路的主要缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，另外和单电压极性切换的全桥逆变电路相比，它对开关器件的耐压值也高出一倍。

因此适合应用于直流母线电压较低的场合。

此外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。

推挽式逆变器拓扑结构如图5-1 所示。

5.1.2半桥式逆变电路}半桥式逆变电路使用的功率开关器件较少，电路结构较为简单，但主电路的交流输出电压幅值仅为输入电压的一半，所以在同等容量条件下，其功率开关的额定电流要大于全桥逆变电路中功率元件额定电流，数值为全桥电路的2 倍。

由于分压电容的作用，该电路具有较强的抗电压输出不平衡能力，同时由于半桥式逆变电路控制较为简单，且使用元件少、成本低，因此在小功率等级的逆变电源中常被采用。

其主要缺点是直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。

图5-2 半桥式逆变器电路拓扑5.1.3全桥式逆变电路全桥逆变电路可以认为是由2 个半桥逆变电路组成的，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。

在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥式逆变电路的2 倍。

光伏发电系统中逆变器方案的设计对于光伏发电系统来说，逆变器是一个至关重要的组成部分。

它负责将由太阳能光伏电池产生的直流电转换为交流电，以便供应给家庭、企业等电网使用。

因此，逆变器的设计方案必须经过谨慎的考虑和详细的规划。

本文将详细讨论光伏发电系统中逆变器方案的设计，并提供一步一步的回答。

第一步：确定系统需求在设计逆变器方案之前，首先需要确定系统的需求。

这包括所需的输出功率、电压和频率等。

根据需求，可以选择适合的逆变器类型，如独立式逆变器、并网式逆变器或混合式逆变器。

第二步：选择逆变器类型根据系统需求和实际情况，选择适合的逆变器类型。

独立式逆变器适用于没有电网供电的场所，它可以将直流电转换为交流电，供应给内部设备使用。

并网式逆变器适用于将太阳能发电系统与电网连接起来的场所，它可以将直流电转换为交流电，并将多余的电力注入到电网中。

混合式逆变器则是两者的结合，适用于同时具备独立供电和并网供电的场所。

第三步：确定逆变器容量逆变器容量是指逆变器可以承载的最大功率。

根据系统需求和实际情况，确定逆变器的容量。

一般来说，逆变器的容量应略大于系统的峰值功率需求，以确保逆变器可以稳定运行并承载额外的负载。

此外，逆变器的容量还应考虑光伏电池组的数量和输出功率。

第四步：选择逆变器拓扑结构逆变器拓扑结构是指逆变器内部电路的连接方式和电子元件的布局。

常见的逆变器拓扑结构有单相桥式逆变器、三相桥式逆变器和多级逆变器等。

选择逆变器拓扑结构时，需要考虑功率密度、效率、可靠性等因素。

第五步：设计逆变器控制策略逆变器的控制策略决定了其工作方式和性能。

常见的逆变器控制策略包括脉宽调制（P W M）控制、电流控制和电压控制等。

选择适合的控制策略时，需要考虑输出电压的稳定性、谐波失真等因素。

第六步：选择逆变器的电子元件逆变器的电子元件包括功率开关器件、驱动电路、滤波电路等。

选择适合的电子元件时，需要考虑功率损耗、效率、成本等因素。

第七步：优化散热设计逆变器在工作过程中会产生大量的热量，因此散热设计是非常关键的。

MPPT 控制，并在电压电流双循环中采用电流无差拍算法。

在检测电网电压的频率相位后，通过无差拍算法求出逆变器各开关管的导通时间，使得输出电流可以跟随电网电压的频率相位达到输出的功率因数为1。

1单相光伏并网逆变器的结构无变压器型光伏并网逆变器采用两级式光伏逆变结构：由Boost 电路为主体的MPPT 环节和由单相逆变器组成的并网逆变环节。

具体结构如图1所示。

图1中Boost 电路通过改变功率管的占空比α改变光伏侧的输出电压完成最大功率跟踪控制，同时提高直流侧电压。

并网逆变器通过检测电网侧电压的频率和相位，采用电压电流双死循环控制，使得单相并网逆变器产生与电网电压同频同相的电流波形。

2MPPT 原理及Boost 斩波电路分析依据光伏电池串并联组成光伏数组结构，采用能够满足工程应用精度且易于分析的并联二极管光伏数组模型来分析其输出特性。

在一定条件下，考虑温度变化的光伏数组U －I 方程[5-6]为:I =N p I sc ·{1－C 1[exp （U －d U2s oc）－1]}+d I（1）式中：U oc 与I sc 分别为光伏电池的开路电压和短路电流；U 和I 分别为最大功率点电压和电流；C 1收稿日期：2016-06-02作者简介：葛鹏江（1986—），男，陕西兴平人，硕士，工程师，目前主要从事新能源接入电网规划分析等研究工作。

E-mail:gepj1025@图1无变压器型单相光伏并网结构Fig.1Transformerless single phase grid －connectedphotovoltaic structure增刊与C 2分别为参考辐射强度下电流和电压温度变化系数；N p 与N s 分别为光伏数组中光伏电池的串并联数。

光伏电池在一定太阳辐射强度及环境温度下的输出功率为：P =U I （1－K lo ）（2）式中：K lo 为光伏数组中光伏电池的串并联损耗系数。

光伏最大功率跟踪原理分析过程如下：具有恒流源特性的光伏电池可以等效为电压源和一个可变电阻的串联，具体等效模型如图2Boost 电路和负载可等效为一个大小随α和负载R 1变化而变化的可控电阻R eq 。

单级式单相太阳能光伏并网逆变系统的设计摘要：转换效率是太阳能光伏并网逆变系统的关键技术问题。

当前，多级式变换的拓扑结构多被系统采用，尽管其结构控制较为简单，但由于变换级数的增加，难于提高该结构的转换效率。

因此，拥有高效低功耗、高可靠性、电路简单等诸多优点的单级式拓扑结构越来越成为太阳能光伏并网逆变系统设计的第一选择。

关键词太阳能；光伏；单级式拓扑结构；并网逆变系统；滤波近年来，为缓解常规能源消耗和能源结构不合理等问题，太阳能光伏发电作为新能源核心产业发展迅速，且逐渐以供应分布式能源的主体为目标。

并网系统与独立系统是太阳能光伏发电系统的两种主要方式，而并网系统主要被作为分布式或者集中式的太阳能发电站来应用。

光伏发电系统的储能设备使用的是蓄电池，并不与电网直接连接，白天储存其太阳能电池需要输出的电能，而夜晚向供电负荷直接提供电力。

本文就单级式单向太阳能光伏并网逆变系统进行分析讨论。

因单级式太阳能光伏并网逆变系统在控制时既要对并网电流的相位和幅值进行控制，且还要对太阳能电池最大功率点进行跟踪，因此，提高系统工作安全性和稳定性及整个系统的工作效率，是目前太阳能光伏并网逆变系统中主要面对的问题。

另外，由于控制系统相对复杂实际应用中较少采用该拓扑结构。

但与多级式系统相比，单级式系统工作效率要高许多，而工作效率是太阳能光伏发电系统中极其关键的。

随着现代数字信号处理技术以及电力电子技术的迅猛发展，克服系统拓扑结构带来的控制难题也成为可能。

1设计MPPT控制方案日照温度和强度会对光伏阵列的开路电压和短路电流造成影响，如带来系统效率降低等问题。

为了对太阳能进行充分利用，MPPT方式必须应用于并网逆变系统中，以便于在任何环境下，光伏阵列能够得到最大功率输出。

虽然有诸多光伏阵列的最大功率跟踪方法，但现阶段应用较多的有：模糊控制法、间歇扫描法、电导增量法、扰动观测法、恒定电压法等。

方法各有千秋，具体应用时要根据系统所处环境进行选择。