大功率太阳能并网发电逆变器的研究与设计

高丽萍（1982—），女，工程师，硕士，主要从事太阳能逆变器的研究。

大功率太阳能并网发电逆变器的研究与设计高丽萍1，李攀2，安连祥2（1.北京三义电力电子公司，北京102613；2.河北工业大学自动化系，天津300130）摘要：提出了一种特殊的适用于大功率太阳能并网发电厂的两级并网系统设计方案。

前级采用Boost 升压电路等进行太阳能电池板最大功率的追踪，后级使用高功率因数逆变器进行逆变并网，并且采用快速关断以及冗余技术，提高了系统的可靠性；此外，还分析了该系统的使用环境、优势和限制的所在。

关键词：升压变换器；逆变器；太阳能并网发电；高功率因数；24相整流技术中图分类号：TM 615文献标志码：A文章编号：1001-5531（2011）03-0036-05Research and Design of Inverter in High-powerSolar Energy Combined to GridGAO Liping 1，LI Pan 2，AN Lianxiang 2（1.Beijing Sunny Electric Co.，Ltd.，Beijing 102613，China ；2.Dept.of Automation ，Hebei University of Technology ，Tianjin 300130，China ）Abstract ：A two-stage utility grid connect was designed to fitapply for high-power solar energy combined to grid.The preceding stage traces the max power point with Boost converter ，and the Boost converter ’s work mode was analyzed.The backward stage was high power factor inverter.The fast turn-off and redundancy technology could improve the system reliability.In addition ，the environmental conditions ，superiority and limiting of the sys-tem was analyzed.Key words ：boosting converter ；inverter ；solar energy combined to grid ；high-power ；24phase recti-fication technology李攀（1982—），男，硕士研究生，研究方向为控制理论与控制工程。

安连祥（1946—），男，教授，研究方向为控制理论与控制工程。

0引言全球光伏产业飞速发展，国际能源署预测：2020年，世界光伏发电的量占总发电量的2%；到2040年，占总发电量的20% 28%。

在中国可再生能源中长期发展规划报告中明确提出：到2010年，太阳能发电总容量达到30万kW ，到2020年达到180万kW ，到2050年将达到60，000万kW 。

相信随着光伏发电在中国的普及和推广应用，光伏系统的优化设计问题会越来越受到社会的重视。

1太阳能电池特性太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。

当光线照射太阳电池表面时，光子的能量传递给了原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N 结两侧集聚，形成电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路，产生一定的输出功率。

太阳能电池板特性的几何意义可用I-U 曲线图表示，如图1所示。

—63—图1太阳能电池板的I-U 特性曲线图1中：I sc 为短路电流；U oc 为开路电压；I m 为最佳工作电流；U m 为最佳工作电压。

太阳能电池在不同的照射强度和温度下，其I-U 特性曲线各不相同，而输出与I-U 特性相应存在一个最大功率输出点。

因此，对太阳电池最大输出功率点的追踪（Maximum Power Point Trace ，MPPT ）成为提高整个系统效率的关键点之一。

2DC-DC 变换器在并网发电系统中，当DC-DC 变换器的输出电压一定时，通过调节变换器中功率开关器件的占空比就可改变DC-DC 的输入电压，从而改变电池板的输出电压，自动寻求最大功率点输出。

2.1DC-DC 升压变换器的工作原理升压变换器的电路结构如图2所示。

图2升压变换器电路结构图升压变换器电路的前级并联电容C 1主要用于稳定电源输出电压；通过IGBT 的导通和关断来控制电感电流平均值，实现最大功率的追踪。

其工作模式有以下2种：（1）电流连续工作模式。

在频率一定的情况下，当输出电流比较大时，升压变换器的输入电流为连续形式，其波形如图3所示。

图3电流连续工作模式波形图（2）电流断续工作模式。

当输入、输出电压不变，功率减小，即输入电流减小，那么，电流连续的情况将不能得以维持，从而出现电流断续的情况，此时，系统要进入电流断续工作模式，其波形图如图4所示。

图4电流断续工作模式波形图2.2电流平均值控制原理根据电流连续、断续2种工作模式，电流平均值的控制也相应有2个思路，即给定电流最大值控制和给定电流最大值控制与周期控制相结合，以下分别进行介绍。

（1）给定电流最大值控制。

当电流波形处于连续或临界连续时，采用该控制方法。

计算机发出给定电流最大值I max ，开通IGBT ，电感由于承受太阳能电池板施加的正压而电流上升，上升到计算机给定的最大值I max 后关断IGBT ，电感电流承受反压导致电流下降，下降到I min 时再次开通IGBT ，进入下一个周期的电流追踪过程，如图5所示。

图5电流控制临界连续模式（2）给定电流最大值控制与周期控制相结合。

当电流波形处于断续时，采用该控制方法。

计算机发出给定电流最大值I kd 和最小周期T min ，开通IGBT ，电感由于承受太阳能电池板施加的正压而电流上升，上升到计算机给定的最大值I kd 后关断IGBT ，电感电流承受反压导致电流下降，下降到零时进行周期控制，即零电流一直延续到T min 才能允许再次开通IGBT ，进入下一个周期的电流追踪过程，如图6所示。

—73—图6电流控制断续模式3高功率因数逆变器对于并网发电系统中的DC-AC 逆变器而言，本文没有采用传统的功率闭环（多为电流、电压双闭环）设计，而是设计了一种功率开环控制系统，且能实现功率因数为1，谐波含量很小，因此，称之为高功率因数逆变器。

本设计采用两级控制方案，以下将从各方面进行说明该逆变器的原理和特点。

3.1高功率因数当功率因数近似为1时，这种逆变器可称为单位功率因数逆变器，也可称其为高功率因数逆变器。

本文将使用带有辅助晶闸管的电流型逆变电路进行实现，其线路如图7所示。

图7带有辅助晶闸管电流型逆变器的电路原理图图7中，VT1 VT6为主晶闸管，构成桥式逆变电路。

换流装置是由辅助晶闸管VT1＇ VT6＇、换流电容器C 1 C 3和变压器负载共同组成，能够有效地防止逆变失败。

3.224相整流技术逆变器采用三相桥式整流电路，3倍次谐波理论上可抵消；通过逆变角180ʎ、正负半周对称触发晶闸管进行逆变，偶数倍次谐波理论上也能完全抵消，因此，该逆变器只有6n ʃ1次谐波。

将几个桥式整流电路多重连接，可减少输入电流谐波。

采用24相整流技术，可将24次及以下谐波消除。

连接电路以及波形分别如图8、9所示。

整流变压器二次侧需要移相15ʎ，由于采用图824相整流连接电路图924整流电流输入电流波形星型、三角形联接组合，无法移相15ʎ，则第1、第3绕组采用了曲折联接。

这种联接的每相由对应于一次侧不同相的绕组串联而成，改变绕组的匝比就可以实现任意角度的相移。

以一次侧绕组匝数为1时，通过求解图8中第1组桥a 1相绕组的三角形，可得绕组W x 和W y 的匝数分别为N x =sin 15ʎsin 20ʎ=0.299N y =sin 45ʎsin 20ʎ=0.{817（1）由图9知整流变压器二次侧输入电流波形i A ，其基波幅值和谐波幅值分别为A 1=槡83πI d ，A 24k ʃ1=124k ʃ1槡83πI d （2）式中，k =1，2，3，…，即输入电流谐波次数为23、25、47、49、71、73，…。

该电路特性如下：直流输出电压U d =槡122E Lπcos α；直流输出电压纹波频率f dr =24f ；输入电流有效值I 1=3.128I d ；输入电流总畸变率THD i =0.0757；位移因数cos φ1=cos α；功率因数λ=0.9971cos α。

—83—从以上论述可看出，采用多重连接的方法，可使输入电流谐波大幅度减小。

对于逆变电路而言，其机理与整流电路一样，只是控制角大于90ʎ，在该方案中为180ʎ。

可见，功率因数很高，几乎接近于1。

3.3逆变器的快速关断技术在逆变器控制技术中，会出现逆变失败，变压器一次侧失电等故障。

这样，都会导致与逆变器连接的电容短路放电，形成很大的电流，造成严重故障。

因此逆变器的快速关断技术就十分重要了。

一种逆变器的关断电路原理图如图10所示。

图10逆变器主回路关断电路原理图通过图10可知，当电路出现故障时，开通VT1，此时由于电容C的电压使主回路晶闸管VT 承受反压而关断，电感电流通过续流二极管放电，当电感电流放完，晶闸管VT1电流减为零，自然关断，主回路断开。

3.4DC-DC变换器与逆变器的联接由于太阳能电池板的电流源特性决定了太阳能电池板要尽可能少的串联，故其直流电流较小，DC-DC变换器的输出电流也就比较小。

对于一定等级的太阳能发电系统，欲使其功率增加，必然需要提高其输出电流，因此本设计采用并联多路DC-DC变换器的方式。

这样，不仅可以增大DC-DC变换器的输出电流，增加系统的输出功率，而且由于DC-DC变换器的模块化，使得设备的检修和维护变得方便、简单。

本方案的太阳能发电厂系统连接示意图如图11所示。

图中，以3个DC-DC变换器并联为一个逆变器，提供太阳能功率，4个逆变器进行24相整流，最后并入标准电网，完成发电过程。

3.5功率开环控制太阳能发电系统是通过DC-DC变换器追踪太阳能电池板的最大功率，并输出一个相对稳定的电压Ud，然后经过逆变器将直流电转换为交流电，输送到电网。

其电路原理图如图12所示，其图11太阳能发电厂系统连接示意图中，Ue为电网电压有效值。

由逆变器原理可知其电压公式为Ud=kUecosα（3）图12功率开环控制太阳能发电系统电路原理图由逆变器的输出电压公式可知，输出电压与输入电压成简单的比例关系。