光伏并网逆变器控制电路

简介

上述几种逆变器的主电路均需要有控制电路来实现，一般有方波和正弦波两种控制方式，方波输出的逆变电源电路简单，成本低，但效率低，谐波成份大。正弦波输出是逆变器的发展趋势，随着微电子技术的发展，有PWM功能的微处理器也已问世，因此正弦波输出的逆变技术已经成熟。

方波输出的逆变器

1.方波输出的逆变器多采用脉宽调制集成电路，如SG3525，TL494等。实践证明，采用SG3525集成电路，并采用功率场效应管作为开关功率元件，能实现性能价格比较高的逆变器，由于SG3525具有直接驱动功率场效应管的能力并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路很简单。

正弦波输出的逆变器

2.正弦波输出的逆变器控制集成电路，正弦波输出的逆变器，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL公司生产的80C196MC、摩托罗拉公司生产的MP16以及MI－CROCHIP公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路PWM发生器，并可设定上、下桥臂之间的死区时间，采用INTEL公司80C196MC实现正弦波输出的电路，80C196MC完成正弦波信号的发生，并检测交流输出电压，实现稳压。电路输出端一般采用LC电路滤除高频波，得到纯净的正正弦波。

由dc/dc转换提升或降低输入的电压，调节其输出以实现最大的效率。在经过一些附加的电压缓冲之后，左侧电桥中通常由18～20khz的开关频率，把dc电压转换为ac电压。一般来说，单相h桥是dc/ac级的常见配置，但是，也可以采用三相和其他配置。最后，通过低通滤波器产生用于并网光伏发电系统的正弦交流电输出。

1.要求具有较高的效率。由于太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

2.要求具有较高的可靠性。光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

3.要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在10V～16V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

4.在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。

为太阳能光伏发电、风力发电、燃料电池发电、小型水力发电等各种可再生能源发电系统提供各种电源变换和接入方案，主要应用于可再生能源并网发电系统、离网型村落供电系统和户用电源系统，并可为电网延伸困难的地区通信、交通、路灯照明等提供电力。

另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模式，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。

逆变器的主功率元件的选择至关重要，使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（BJT），功率场效应管（MOS－FET），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势，而在特大容量（100kVA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。

逆变器将直流电转化为交流电，若直流电压较低，则通过交流变压器升压，即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器，由于直流母线电压较高，交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V，在中、小容量的逆变器中，由于直流电压较低，如12V、24V，就必须设计升压电路。

中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。

1、在安装前首先应该检查逆变器是否在运输过程中有无损坏。

2、在选择安装场地时，应该保证周围内没有任何其他电力电子设备的干扰。

3、在进行电气连接之前，务必采用不透光材料将光伏电池板覆盖或断开直流侧断路器。暴露于阳光，光伏阵列将会产生危险电压。

4、所有安装操作必须且仅由专业技术人员完成。

5、光伏系统发电系统中所使用线缆必须连接牢固，良好绝缘以及规格合适。

6、所有的电气安装必须满足当地以及国家电气标准。

7、仅当得到当地电力部门许可后并由专业技术人员完成所有电气连接后才可将逆变器并网。

8、在进行任何维修工作前，应首先断开逆变器与电网的电气连接，然后断开直流侧电气连接。

9、等待至少5分钟直到内部元件放电完毕方可进行维修工作。

10、任何影响逆变器安全性能的故障必须立即排除方可再次开启逆变器。

11、避免不必要的电路板接触。

12、遵守静电防护规范，佩戴防静电手环。

13、注意并遵守产品上的警告标识。

14、操作前初步目视检查设备有无损坏或其它危险状态。

15、注意逆变器热表面。例如功率半导体的散热器等，在逆变器断电后一段时间内，仍保持较高温度。

第1章 绪论 1

1.1 光伏发电 1

1.2 光伏并网发电系统 2

1.2.1 集中式 3

1.2.2 串式和多串式 3

1.2.3 交流模块式 3

1.3 光伏并网逆变器 4

1.3.1 工频隔离型 4

1.3.2 高频隔离型 4

1.3.3 非隔离型 5

1.4 非隔离光伏并网逆变器关键技术 6

1.4.1 漏电流抑制技术 6

1.4.2 入网滤波器 7

1.4.3 直流侧控制技术 8

1.4.4 进网电流控制技术 10

1.4.5 锁相环技术 12

1.4.6 非理想电网的影响 13

1.5 本书的主要内容 14

第2章 光伏并网逆变器的漏电流抑制技术 16

2.1 概述 16

2.2 桥式逆变拓扑漏电流系统化分析模型 17

2.3 漏电流抑制途径 21

2.4 常见单相桥式逆变拓扑漏电流抑制机理分析 22

2.4.1 采用抑制途径A的桥类逆变拓扑 22

2.4.2 采用抑制途径B的桥类逆变拓扑 31

2.4.3 采用抑制途径C的桥类逆变拓扑 35

2.4.4 常见单相桥式逆变拓扑小结 42

2.5 单相非隔离桥式逆变拓扑的构造 42

2.5.1 改进型H5拓扑 43

2.5.2 改进型Heric拓扑 44

2.5.3 H5变化拓扑1的改进 44

2.6 三相并网逆变器的漏电流抑制 45

2.6.1 采用抑制途径A的拓扑 45

2.6.2 采用抑制途径B的拓扑 46

2.7 本章小结 48

第3章 光伏并网逆变器的入网滤波器 49

3.1 概述 49

3.2 L滤波器及参数设计 49

3.2.1 L滤波器结构 49

3.2.2 设计依据 50

3.2.3 设计实例 51

3.3 LCL滤波器及参数设计 52

3.3.1 LCL滤波器结构 52

3.3.2 设计依据 53

3.3.3 设计实例 55

3.4 LLCL滤波器及参数设计 63

3.4.1 LLCL滤波器结构 63

3.4.2 设计依据 64

3.4.3 设计实例 65

3.5 本章小结 68

第4章 光伏并网逆变器的直流侧控制技术 69

4.1 概述 69

4.2 最大功率点跟踪（MPPT）控制 69

4.2.1 恒定电压法 70

4.2.2 电导增量法 71

4.2.3 扰动观察法 73

4.3 NPC半桥逆变器直流侧电容电压均衡控制 74

4.3.1 NPC半桥逆变器等效电路 74

4.3.2 电容电压自平衡机理 77

4.3.3 闭环控制对电容电压均衡的影响 86

4.3.4 电容电压均衡控制 89

4.3.5 半桥并网逆变器均压控制策略 93

4.4 本章小结 94

第5章 光伏并网逆变器的电流控制技术 96

5.1 概述 96

5.2 单L滤波并网逆变器的电流控制技术 96

5.2.1 电流控制的稳定性 97

5.2.2 基波电流跟踪 99

5.2.3 进网电流谐波失真的原因 101

5.2.4 进网电流低频谐波抑制 106

5.2.5 典型的三相L滤波并网逆变器电流控制 108

5.3 LCL滤波并网逆变器的谐振现象 110

5.3.1 LCL滤波器固有谐振 110

5.3.2 单进网电流闭环控制 111

5.3.3 单逆变器侧电流闭环控制 113

5.4 LCL滤波并网逆变器的无源阻尼技术 115

5.5 LCL滤波并网逆变器的有源阻尼技术 117

5.5.1 有源阻尼控制机制 117

5.5.2 基于附加单变量反馈的有源阻尼 118

5.5.3 前向通路附加数字滤波器的有源阻尼 127

5.6 LCL滤波并网逆变器的多变量反馈控制技术 128

5.6.1 基于零点配置的控制技术 129

5.6.2 基于极点配置的控制技术 140

5.7 LCL滤波并网逆变器的低频谐波电流抑制技术 144

5.7.1 低频谐波的抑制方案 144

5.7.2 谐波抑制的分析模型 145

5.7.3 电网电压谐波的影响 146

5.7.4 逆变器桥臂输出电压扰动的影响 148

5.8 本章小结 150

第6章 光伏并网逆变器的锁相技术 151

6.1 概述 151

6.2 电网电压过零点检测法 152

6.3 数字锁相环技术 152

6.3.1 三相数字锁相环 153

6.3.2 单相数字锁相环 158

6.4 不平衡电网下的数字锁相环 162

6.5 本章小结 167

参考文献 168 2100433B

本书以光伏并网逆变器为对象，结合作者自身的研究和工作经验，对并网逆变器的漏电流抑制技术及高电能质量电流控制技术进行了系统深入的介绍，包括：漏电流抑制技术、进网滤波器设计、直流侧控制技术、进网电流控制技术以及锁相环技术等。此外，深入讨论了实际应用场合中并网逆变器存在的各种非理想因素（包括死区、功率管开通关断延时和导通压降、逆变器桥臂不对称、电网电压谐波、电网阻抗以及电网电压不平衡等）对电能质量与系统可靠性的不利影响及抑制策略。