的原理及应用光伏系统中变换器的原理及应用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：光伏发电系统通常分为独立发电系统和并网发电系统。独立光伏发电系统是孤立的发电系统，主要应用于偏远地区。因而光伏并网发电系统可作为分布式能源发电系统的一种有益补充。图5-14给出了典型光伏并网发电系统的结构示意图。图示光伏发电系统中的变换器包括光伏直流电压升压变换器、蓄电池充电控制器、、DC/AC逆变器等。在光伏发电系统用变换器中，光伏并网逆变器是整个光伏并网发电的核心。

由前文分析可知，光伏电池在太阳光的照射下可直接将光能转换为电能。然而，经光伏电池直接转化的电能并不能满足各类不同负载的用电要求；同时，随着外界环境（光照强度、温度以及用电负载大小）的变化，光伏电池也并非始终工作在最佳工作状态。另外，由于光伏电池输出的是较低电压的直流电，所以也不能将所得到的电能直接输送给电网供电网上的其他负载使用。所有上述功能的实现都需要另外增加电力电子变换器来完成。光伏发电系统中的变换器有DC/DC和DC/AC两类。DC/DC变换器主要是将光伏电池输出的低压直流电变换为较高电压等级的直流电供后级的逆变器使用，同时通过调节变换器的占空比来调节等效负载，从而使光伏电池工作在最大功率输出状态，即实现光伏电池的MPPT控制；而DC/AC逆变器则是将直流电能逆变成220V/50Hz的交流电能供交流电负载使用或作为分布式能源的一种电源实现并网供电。此处的逆变器前级可以是DC/DC变换器，也可以直接是光伏电池。如果是后者，则该逆变器除了要能完成常规的电压幅值、相位、频率以及PWM波形调制外，还需考虑光伏电池的最大功率点跟踪控制。

光伏发电系统通常分为独立发电系统和并网发电系统。独立光伏发电系统是孤立的发电系统，主要应用于偏远地区。其供电可靠性受气象、环境、负载等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。独立的光伏发电系统最典型的应用之一是户用光伏发电系统。户用独立运行光伏系统的容量一般在几十瓦到几千瓦，主要用于照明和小型家电、小型农用机械等。独立运行的光伏系统，也可用于野外供电，如通信塔、观测站等。而并网发电系统，除了供本地负载供电外，还能将多余的电量输送给电网。同时，当光伏发电系统发电量不足时，反过来电网也能向接入系统的负载进行供电。因而光伏并网发电系统可作为分布式能源发电系统的一种有益补充。图5-14给出了典型光伏并网发电系统的结构示意图。图示光伏发电系统中的变换器包括光伏直流电压升压变换器、蓄电池充电控制器、、DC/AC逆变器等。在该图示系统中，光伏直流电压升压变换器与DC/AC逆变器共同组成了两级式并网逆变器。其中，前级DC/DC直流升压电力电子变换器的主要作用是将光伏电池的电压升压输出，给后续的逆变器供电，并实现光伏电池的最大功率输出工作点控制以及后级负载的调节控制；而DC/AC逆变器的主要作用是实现逆变器输出交流电的电压幅值、频率与相位的控制，使其与电网保持一致，从而便于实现发电并网。图示的蓄电池充电控制器其实质也是一个DC/DC变换器，可通过调节控制器的直流电压和电流输出值，达到对蓄电池电流或电压不同模式的充电控制。常规情况下的充电控制主要有恒流充电和恒压充电两种控制模式。恒流充电是以蓄电池充电电流恒定为控制目标，一般用在处于深度放电的蓄电池充电控制中，以便实现快速充电；而恒压充电则是以蓄电池充电电压恒定为控制目标，主要用于轻度放电的蓄电池充电控制或在蓄电池充电后期，当蓄电池电压接近额定电压时，为防止电压过充而采取的一种充电控制模式。

在光伏发电系统用变换器中，光伏并网逆变器是整个光伏并网发电的核心。如图5-14所示，光伏并网逆变器连接了系统的能源输入与输出两端，不仅要实现光伏电池的MPPT控制，而且还要实现与电网的并网控制。光伏并网逆变器按输入源的性质和输出控制方式的不同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类。若按输入源的性质分，并网逆变器有电压源和电流源输入两种。电流源输入的并网逆变器，其输入直流侧串接有一个大电感，以提供较稳定的直流电流输入；而电压源输入的并网逆变器，输入直流侧并联有一个大电容，以平滑输入电压的波动，提供较稳定的直流电压。目前，世界上大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式，因为电流源输入的并网逆变器会由于输入侧大电感的存在而导致系统的动态响应变差。

图5-14 典型光伏发电系统结构示意图

若仅按输出控制方式来分，则分为电压控制型和电流控制型。在实际设计中，常常可把市电系统看作一个容量无穷大的定值交流电压源。若对并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上等同于两个电压源的并联运行。在这种情况下，若要保证系统的稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步。同时，在稳定运行的基础上，通过调整逆变器的输出电压大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出。然而，由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易精确控制、可能会导致系统出现环流等问题。如果不采取特殊措施，同样功率等级的电压源并联运行将无法获得令人满意的性能。若逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。因此，这种控制方式相对简单，所以应用也比较广泛。

对于并网逆变器电路拓扑的选择，应该视电气性能和应用场合而定。一般逆变电路拓扑有推挽逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路，如图5-15所示。推挽变换器中功率开关管的电压应力为输入电压的2倍，适合直流母线电压较低的应用场合。该变换器中的隔离变压器由于在绕制时无法将原边的两组绕组做到完全一致容易导致直流磁化问题。因此，变压器需降额使用，其利用率有所降低。而半桥逆变器和全桥逆变器中功率管的电压应力都比较低，均为直流输入电压，因而比较适合应用于高压输入场合。

对于半桥变换器而言，由于输入侧串接有两个容值大小相同的电容，各自承担输入电压的一半。因而当采用PWM控制时，单相半桥电路在输入端只产生两种电平，因此在输出端生成的是双极性的SPWM波，其幅值是直流电压的一半，直流电压利用率较低；而全桥逆变器的直流电压利用率则较高，且可以工作于单极性倍频方式。因而，与半桥变换器相比，采用较小的滤波器就能获得较好的输出纹波性能。

并网逆变器的主电路结构按照电路变换和能量传递的过程，分为单级式和两级式或多级式并网逆变器：而按是否带电气隔离又可分为隔离型和非隔离型并网逆变器，下面将分别进行详细介绍。

图5-15 单相逆变器变换拓扑

1.单级直接耦合并网

单级并网逆变器要求逆变器能同时实现最大功率点跟踪、交流电压/电流控制、锁相并网控制等多重控制。它的输入端与光伏电池输出端直接相连，通过并网逆变器将光伏阵列输出的直流电能直接转换成与电网同频、同相、同幅度的工频交流电能。由于只进行了电路的一次变换，因而具有电路简单、元器件少、高效低功耗及高可靠性等诸多优点，在满足系统性能要求的情形下，单级拓扑结构将会是首选。若不考虑电气隔离，则又省去了笨重的工频变压器，具有效率高、质量轻、结构简单、可靠性较高等优点。然而，不考虑电气隔离的并网逆变器容易带来安全隐患，特别是电网电压会影响到光伏电池板的两极，从而威胁人身安全。另外，为了满足直流侧电压达到能够直接逆变的电压等级，直流侧MPPT电压一般需大于350V，即一般太阳电池阵列的开路电压至少为440V。这对于光伏电池组件乃至整个系统的耐压绝缘均提出了较高的要求，并且还容易造成漏电现象。因此，单级直接耦合并网逆变器在实际应用中较少采用。

2.单级工频隔离并网

单级工频隔离并网逆变器的电路拓扑结构如图5-16所示，其使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，因而系统整体比较笨重，系统效率相对较低，但是安全性能良好、可靠性高、抗冲击性能好、结构简单，该逆变器直流侧MPPT电压等级一般为220～600V。

3.两级高频隔离并网

多级式逆变器电路结构如图5-17所示，逆变器前级的主要作用是将不稳定的光伏输出电压变换为一定数值的稳定直流电压，以便能满足后级逆变负载或并网的需要。所以多级式逆变拓扑实质上也可以看作一个两级变换结构，它的第一级可以为DC-DC变换器，也可以是一个DC-AC-DC的变换器，主要用来完成光伏阵列的MPPT控制和升压控制，把光伏输出电压变换成能满足逆变所需的稳定直流电压，而第二级的主要作用是将直流电能进行逆变成交流电能并输出给电网。与单级工频隔离并网逆变器不同的是，该类逆变器中的变压器为高频变压器，体积与单级工频隔离并网逆变器中的变压器相比已大大减少，质量也大大减小。

图5-16 单级工频隔离式并网逆变器电路结构

对具有较高升压比的多级式逆变器，一般前级需要将变化的直流电压变换成可控的直流电压，然后由高频或工频逆变器将其逆变成负载所要求的交流电。这种结构可看成是DC-AC-DC-AC结构形式，图5-17所示是较为典型的DC-AC-DC-AC拓扑结构。图中，光伏电池的输出电压经第一级逆变成为高频交流电，经高频升压变压器升压、整流和滤波得到逆变器所需的直流电压。而后，再将直流电压逆变成所需的交流电，供负载使用或输送给电网。该结构前后两级均工作在高频开关状态，大大减少了高频变压器的体积和输出电流谐波。同时，由于采用了高频变压器，使逆变器具备了电气隔离和质量轻的优点。然而，这种拓扑结构的缺点也正是由于工作频率较高，会增加器件的开关损耗，从而使系统效率有所降低。系统的整体逆变效率一般在93%左右。另外，由于高频DC-AC-DC工作频率较高，一般为几十kHz或者更高，因此，系统的EMC比较难设计，其抗冲击性能会受到影响。

图5-17 两级高频隔离并网逆变器电路结构

4.两级高频不隔离并网

常用的两级高频不隔离并网电路结构如图5-18所示。其前级为Boost变换器，主要实现对光伏电池阵列的最大功率点跟踪控制以及对电池输出电压的升压变换，光伏电池阵列的输入电压范围较宽（典型输入电压范围为120～400V）；后级为高频全桥逆变器，主要是把直流电逆变为负载所需要的交流电。这种拓扑结构简单，电路成熟，前、后级之间的控制相对独立，且无须同步，由于该逆变器结构中省去了笨重的工频变压器，使其具有效率高（94%左右）、重量轻等优点，在小功率分布式发电系统中应用较广。同时，考虑到DC与AC环节之间没有电气隔离，所以，该逆变器不宜在安全要求高、需要电气隔离的场合使用。

图5-18 两级高频不隔离并网逆变器电路结构

由上述并网逆变器的介绍和分析可以看出，对于并网逆变器的选择应结合制造成本、电气性能以及应用场合等多种因素考虑。比较单级式和两级式并网逆变器可以发现：

1）尽管单级式逆变器结构简单、成本低、效率高，但是在日照剧烈变化的情况下，光伏电池的输出电压波动会影响到系统工作的稳定性。在这种工作环境下，逆变器的工作容易对光伏电池的输出功率存在干扰，降低了光伏电池的输出功率。由于单级式逆变器既要实现MPPT控制，又要对输出电压的幅值、频率和相位进行控制，因此其控制系统设计相对复杂。同时，这类逆变器结构通常仅用于功率较小或对成本控制要求较高的光伏并网发电系统。

2）两级式逆变器功率变换级数多，能量需经过多次传递，因而整机效率一般低于单级式逆变器。但是这种逆变器能有效减少逆变器工作时对光伏电池输出功率的影响。此外，光伏电池的输出电压经前级逆变器电路控制后变得非常稳定，减小了光伏电池工作状态对逆变器的工作影响，降低了逆变器控制设计难度。

的原理及应用光伏系统中变换器的原理及应用

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