容摘： 摘：针光伏网发电系统中关键部件——逆变器结构设计控制方法研究进行详细分析阐述电网光伏阵列户逆变器求出发分析种逆变器拓扑结构控制方法较运行效率控制效果目前国外光伏发电系统中网逆变器研究现状亟解决问题进行阐述指出光伏发电系统中网逆变器高效运行发展方
摘：针光伏网发电系统中关键部件—— 逆变器结构设计控制方法研究进行详细分析阐述电网光伏阵列户逆变器求出发分析种逆变器拓扑结构控制方法较运行效率控制效果目前国外光伏发电系统中网逆变器研究现状亟
解决问题进行阐述指出光伏发电系统中网逆变器高效运行发展方
关键词：光伏网发电系统逆变器拓扑结构功率点踪孤岛效应
O 引言
传统源枯竭环境重视电力系统正面着巨变革分布式发电成未电力系统发展方中光伏发电独特优点公认技术含量高发展前途技术
光伏发电系统存着初期投资成较高等缺点探索高性低造价新型光电转换材料器件研究方方面进步减少光伏发电系统身损耗提高运行效率降低发电成重途径逆变器效率高低仅影响身损耗影响光电转换器件系统设备容量选择合理配置
逆变器已成影响光伏网发电系统济运行关键素研究结构控制方法提高系统发电效率降低成具极重意义 [5]
文电网光伏阵列户网逆变器求出发分析逆变器拓扑结构控制方法较运行效率控制效果目前
国外光伏发电系统中网逆变器研究现状亟
解决技术问题进行综合进步指出光伏发电系统中网逆变器高效运行发展方
1 光伏发电系统逆变器求
光伏网发电系统般光伏阵列逆变器
控制器 3 部分组成逆变器连接光伏阵列电网关键部件完成控制光伏阵列功率点运行
电网注入正弦电流两务
1 ． 1 电网逆变器求
逆变器电网相连必须满足电网电质量
防止孤岛效应安全隔离接 3 求
避免光伏网发电系统公电网污染逆变器应输出失真度正弦波影响波形失真度素逆变器开关频率数控逆变系统中采高速
DSP 等新型处理器明显提高网逆变器开关频率性已成实际系统广泛采技术时逆变器功率元件选择关重容量低压系统较功率场效应 (MOSFET) 具较低通态压降较高开关频率 MOsFET 着电压升高通态电阻增高压容量系统中般采绝缘栅双极晶体 (IGBT) 特容量系统中般采关断晶闸 (GTO) 作功率元件[6]
IEEE 2000929 [7] UL1741[8] 标准网逆变器必须具防孤岛效应功孤岛效应指电网电气障误操作然素等原中断供电时光伏网发电系统未时检测出停电状态切离电网光伏网发电系统周围
负载形成电力公司法掌握供电孤岛 [g] 防孤岛效应关键电网断电检测
保证电网逆变器安全运行逆变器
电网效隔离逆变器接技术十分重
电气隔离般采变压器三相输出光伏发电系统中接方式参国际电工委员会规定非接 (I T) 方式单保护接 (T T) 方式变压器中性线直接接电设备外壳通保护线 (PE) 接点金属性连接 (TN)
1 ． 2 光伏阵列逆变器求
日强度环境温度会影响光伏阵列功率输出必须通逆变器调节光伏阵列输出电压趋功率点输出电压保证光伏阵列功率点运行获源常功率点踪 (MPPT) 方法：定电压踪法
山法干扰观察法增量电导法
1 ． 3 户逆变器求
光伏发电系统户说成低效率性高寿命长逆变器求逆变器求通常：
①具合理电路结构严格筛选元器件具备输入直流极性反接交流输出短路热载等种保护功
②
具较宽直流输入电压适应范围光伏阵列端电压
负载日强度变化逆变器必须较宽
直流输入电压范围正常工作保证交流输出电压稳定
③量减少中间环节 ( 蓄电池等 ) 节约成提高效率
2 逆变器结构发展
够设计出量满足述项求网逆变器数研究员直集中逆变器拓扑结构控制方法 2 方面研究
采单级变压器电压型全桥逆变结构特点结构简单造价低鲁棒性强受限时开关器件水系统输出功率数 0 ． 6 ～ 0 ． 7 输出电流谐波 引着电子开关器件发展 高频 ( 频率 > 16 kHz) 双极晶体 MOSFET IGBT 等逐渐取代网换相晶闸采 PWM 全桥逆变电路高频开关电子器件够控制输出谐波 16 kHz ～ 2O kHz 开关频率开关损耗增效率降低
单级逆变系统直接直流转换交流缺点：
① 需较高直流输入成提高性降低
② 功率点踪没独立控制操作系统整体输出功率降低
③结构够灵活法扩展满足光伏阵列直流输入变性直流输入较低时考虑采交流变压器升压标准交流电压频率时输 入输出间电气隔离
带工频变压器结构光伏逆变系统优点逆变器低压侧逆变桥采高频低压器件MOSFET 节省初期投资逆变器控制低压侧实现控制更易实现结构适电流光伏模块
工频升压变压器体积效率低价格昂 贵着电力电子技术微电子技术进步发展 采高频升压变换实现更高功率密度逆变升压变压器采高频磁芯材料工作频率均 20 kHz 体积重量轻高频逆变高频变压器变成高频交流电高频整流滤波电路高压直流电 ( 通常 300 V ) 工 频逆变电路实现逆变
转换级带高频变压器逆变结构相带工频变压器逆变结构功率密度提高逆变器空载损耗相应降低效率提高导致逆变器电路结构复杂性降低
光伏逆变器单级级发展电转换级数增加够便满足功率点踪直流电压输入范围求单级逆变器结构紧凑元器件少损耗更低逆变器转换效率更高更易控制
结合两者优点前提提高直流输入电压提高逆变器转换效率早期采集中式技术提高输入电压图 4(a) 示光伏模块串／联连接产生直流高电压电流增加转换效率该结构方式够灵活会产生许电 质量问题现阶段光伏网逆变器采串级型结构图 4(b) 示光伏模块串联输入时量采模块化设计减少中间环节导致图 4(c) 示结构该设计更灵活适应性更强插图 4(d) 示串级逆变器结构融合 串级设计灵活高量输出集中型低成优 点光伏网逆变结构种发展趋势
新型逆变器拓扑结构连接概念 提出连接概念队连接概念等研究仅仅局限单逆变器效率提高逆变器连接效率整系统效率提高
3 逆变器控制策略
光伏逆变器实现网运行必须满足：输出电压电网电压频相幅值输出电流电网电压频相( 功率数1) 输出应满足电网电质量求赖逆变器效控制策略光伏网逆变器控制般分 2 环节：第 1 环节系统功率点光伏阵列工作 点第 2 环节完成光伏逆变系统电网踪
时保证光伏逆变器安全效直接工作网状态系统必须具备定保护功防孤岛效应检测控制功
3 ． 1 光伏阵列工作点踪控制
光伏阵列工作点控制恒电压控制 (CVT) MPPT 2 种方式
CVT 通光伏阵列端电压稳定某值方法确定系统功率点优点控制简单系统 稳定性温度变化较时 CVT 方式光 伏阵列工作点偏离功率点 r1
MPPT 前较广泛采光伏阵列功率点 控制策略通实时改变系统工作状态踪 阵列工作点实现系统功率输 出 r1 种寻优方式动态性较 稳定性 CVT 常方法山法干扰观察法电导增量法等具体实现见文献
现 MPPT 研究集中简单高稳定性 控制算法实现优梯度法 r1 模糊逻辑控制法等神元网络控制法 等取较显著 踪控制效果
3 ． 2 逆变器踪电网控制
电网踪控制整逆变系统控制核心直接关系系统输出电质量运行效率
光伏网逆变器基 PWM 逆变实现 控制属逆变器 PWM 电流控制方式 r1 引
较早出现 PWM 非线性控制方法瞬时较方式三角波较方式 r1 引
示瞬时较方式电流误差补偿 PWM 信号产生时控制单元完成 构成闭环反馈控制器实现简单具良 动态响应电流保护功具控制 延时开关频率固定法产生零电压矢量等足输出电流波动谐波畸变率避免器件开关频率高采滞环宽度根输出电流 动调节滞环较器采定时控制瞬时 值较方式方法补偿电流误差固定 l2 引
三角波较方式原理放器 A 常采例例积分放器瞬时值较方式相该方法优点输出电压中含谐波较少 ( 含三角波相频率谐波 ) 器件开关频率固定 ( 等三角波频率 ) 该方法硬件较复杂 误差较放器增益限电流响应瞬时值较方式慢
目前更闭环电流控制方法基载波周期控制方法例差拍 PWM 技术目标误差控制周期消实现稳态静差效果方法计算量较开关频率固定动态响应快适宜光伏阿数字控制实现引
着微处理器技术尤数字信号处理器发展现代控制理中许先进算法应光伏逆变系统控制中工神网络适应滑模变结构模糊控制等领域解决某控制问题样具种相应局限性例：工神网络控制精度赖模型训练样适应控制求线辨识象模型算法复杂计算量滑模变结构控制存系统抖振问题模糊控制赖隶属函数选取控制精度提高等
三相网系统中较采交流变量转换直流变量三相变换两相控制策略提出 dq 步参考坐标系基空间矢量 PWM(SVPWM) 线性电流控制器 [z ] SVPwM 控制解耦 d 轴 q 轴形成电流控制环具固定开关频率输出谐波频谱优化开关控制方案直流电压利率输出电流质量般具备电流保护力
年光伏网系统综合控制成研究发展新趋势文献 [33] 研究基瞬时功理功谐波电流补偿控制光伏网系统电网提供功功率实现电网功谐波电流补偿逆变器踪电网控制实时性动态特性求更高研究适合类逆变器控制方法电网电质量提高具重意义
3 ． 3 逆变器孤岛效应检测控制
逆变器直接网时应具基保护功外应具备防孤岛效应特殊功电安全电质量考虑孤岛效应允许出现孤岛 发生时必须快速准确切网逆变器引出孤岛效应进行检测控制研究
孤岛效应检测般分成动式动式动式检测利电网监测状态 ( 电压频率相位等 ) 作判断电网否障 [9] 果电网中负载正逆变器输出匹配动法法检测 孤岛发生动检测法通电力逆变器定时 产生干扰信号观察电网否受影响作判断 [9] 脉电流注入法 输出功率变化检测法动频率偏移法滑模频率偏移法 等
实际网逆变器中应存着足电压幅值频率变化范围某值时频率偏移法法检测孤岛效应存检测盲区输出功率变化检测法存检测盲区然光伏网系统受光强度等影响 光伏输出功率时波动逆变器加入功功率 扰动会降低光伏阵列逆变系统效率解决问题光伏网功功综合控制方 法常提出
着光伏网发电系统进步广泛应逆变器时网时逆变器输出变化非 常导致述方法失效研究逆 变器网通信协控制已成孤岛效应检测控制研究趋势 引
4 结语
社会济发展环境角度 考虑光伏发电技术研究均具重现实意义年已飞速发展文提高光伏发电系统效率角度针部件— — 逆变器相 关研究发展进行述根电网光伏阵列 户逆变器求网逆变器拓扑结构控制方法 2 方面研究现状解决技术问题进行分析目前高集成度模块化设计减少中间转换环节采插形式逆变器结构发展方研究适合非线性强耦合变量分布式综合控制策略光伏发电系统中网逆变器控制方法研究重点
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摘：针光伏网发电系统中关键部件—— 逆变器结构设计控制方法研究进行详细分析阐述电网光伏阵列户逆变器求出发分析种逆变器拓扑结构控制方法较运行效率控制效果目前国外光伏发电系统中网逆变器研究现状亟
解决问题进行阐述指出光伏发电系统中网逆变器高效运行发展方
关键词：光伏网发电系统逆变器拓扑结构功率点踪孤岛效应
O 引言
传统源枯竭环境重视电力系统正面着巨变革分布式发电成未电力系统发展方中光伏发电独特优点公认技术含量高发展前途技术
光伏发电系统存着初期投资成较高等缺点探索高性低造价新型光电转换材料器件研究方方面进步减少光伏发电系统身损耗提高运行效率降低发电成重途径逆变器效率高低仅影响身损耗影响光电转换器件系统设备容量选择合理配置
逆变器已成影响光伏网发电系统济运行关键素研究结构控制方法提高系统发电效率降低成具极重意义 [5]
文电网光伏阵列户网逆变器求出发分析逆变器拓扑结构控制方法较运行效率控制效果目前
国外光伏发电系统中网逆变器研究现状亟
解决技术问题进行综合进步指出光伏发电系统中网逆变器高效运行发展方
1 光伏发电系统逆变器求
光伏网发电系统般光伏阵列逆变器
控制器 3 部分组成逆变器连接光伏阵列电网关键部件完成控制光伏阵列功率点运行
电网注入正弦电流两务
1 ． 1 电网逆变器求
逆变器电网相连必须满足电网电质量
防止孤岛效应安全隔离接 3 求
避免光伏网发电系统公电网污染逆变器应输出失真度正弦波影响波形失真度素逆变器开关频率数控逆变系统中采高速
DSP 等新型处理器明显提高网逆变器开关频率性已成实际系统广泛采技术时逆变器功率元件选择关重容量低压系统较功率场效应 (MOSFET) 具较低通态压降较高开关频率 MOsFET 着电压升高通态电阻增高压容量系统中般采绝缘栅双极晶体 (IGBT) 特容量系统中般采关断晶闸 (GTO) 作功率元件[6]
IEEE 2000929 [7] UL1741[8] 标准网逆变器必须具防孤岛效应功孤岛效应指电网电气障误操作然素等原中断供电时光伏网发电系统未时检测出停电状态切离电网光伏网发电系统周围
负载形成电力公司法掌握供电孤岛 [g] 防孤岛效应关键电网断电检测
保证电网逆变器安全运行逆变器
电网效隔离逆变器接技术十分重
电气隔离般采变压器三相输出光伏发电系统中接方式参国际电工委员会规定非接 (I T) 方式单保护接 (T T) 方式变压器中性线直接接电设备外壳通保护线 (PE) 接点金属性连接 (TN)
1 ． 2 光伏阵列逆变器求
日强度环境温度会影响光伏阵列功率输出必须通逆变器调节光伏阵列输出电压趋功率点输出电压保证光伏阵列功率点运行获源常功率点踪 (MPPT) 方法：定电压踪法
山法干扰观察法增量电导法
1 ． 3 户逆变器求
光伏发电系统户说成低效率性高寿命长逆变器求逆变器求通常：
①具合理电路结构严格筛选元器件具备输入直流极性反接交流输出短路热载等种保护功
②
具较宽直流输入电压适应范围光伏阵列端电压
负载日强度变化逆变器必须较宽
直流输入电压范围正常工作保证交流输出电压稳定
③量减少中间环节 ( 蓄电池等 ) 节约成提高效率
2 逆变器结构发展
够设计出量满足述项求网逆变器数研究员直集中逆变器拓扑结构控制方法 2 方面研究
采单级变压器电压型全桥逆变结构特点结构简单造价低鲁棒性强受限时开关器件水系统输出功率数 0 ． 6 ～ 0 ． 7 输出电流谐波 引着电子开关器件发展 高频 ( 频率 > 16 kHz) 双极晶体 MOSFET IGBT 等逐渐取代网换相晶闸采 PWM 全桥逆变电路高频开关电子器件够控制输出谐波 16 kHz ～ 2O kHz 开关频率开关损耗增效率降低
单级逆变系统直接直流转换交流缺点：
① 需较高直流输入成提高性降低
② 功率点踪没独立控制操作系统整体输出功率降低
③结构够灵活法扩展满足光伏阵列直流输入变性直流输入较低时考虑采交流变压器升压标准交流电压频率时输 入输出间电气隔离
带工频变压器结构光伏逆变系统优点逆变器低压侧逆变桥采高频低压器件MOSFET 节省初期投资逆变器控制低压侧实现控制更易实现结构适电流光伏模块
工频升压变压器体积效率低价格昂 贵着电力电子技术微电子技术进步发展 采高频升压变换实现更高功率密度逆变升压变压器采高频磁芯材料工作频率均 20 kHz 体积重量轻高频逆变高频变压器变成高频交流电高频整流滤波电路高压直流电 ( 通常 300 V ) 工 频逆变电路实现逆变
转换级带高频变压器逆变结构相带工频变压器逆变结构功率密度提高逆变器空载损耗相应降低效率提高导致逆变器电路结构复杂性降低
光伏逆变器单级级发展电转换级数增加够便满足功率点踪直流电压输入范围求单级逆变器结构紧凑元器件少损耗更低逆变器转换效率更高更易控制
结合两者优点前提提高直流输入电压提高逆变器转换效率早期采集中式技术提高输入电压图 4(a) 示光伏模块串／联连接产生直流高电压电流增加转换效率该结构方式够灵活会产生许电 质量问题现阶段光伏网逆变器采串级型结构图 4(b) 示光伏模块串联输入时量采模块化设计减少中间环节导致图 4(c) 示结构该设计更灵活适应性更强插图 4(d) 示串级逆变器结构融合 串级设计灵活高量输出集中型低成优 点光伏网逆变结构种发展趋势
新型逆变器拓扑结构连接概念 提出连接概念队连接概念等研究仅仅局限单逆变器效率提高逆变器连接效率整系统效率提高
3 逆变器控制策略
光伏逆变器实现网运行必须满足：输出电压电网电压频相幅值输出电流电网电压频相( 功率数1) 输出应满足电网电质量求赖逆变器效控制策略光伏网逆变器控制般分 2 环节：第 1 环节系统功率点光伏阵列工作 点第 2 环节完成光伏逆变系统电网踪
时保证光伏逆变器安全效直接工作网状态系统必须具备定保护功防孤岛效应检测控制功
3 ． 1 光伏阵列工作点踪控制
光伏阵列工作点控制恒电压控制 (CVT) MPPT 2 种方式
CVT 通光伏阵列端电压稳定某值方法确定系统功率点优点控制简单系统 稳定性温度变化较时 CVT 方式光 伏阵列工作点偏离功率点 r1
MPPT 前较广泛采光伏阵列功率点 控制策略通实时改变系统工作状态踪 阵列工作点实现系统功率输 出 r1 种寻优方式动态性较 稳定性 CVT 常方法山法干扰观察法电导增量法等具体实现见文献
现 MPPT 研究集中简单高稳定性 控制算法实现优梯度法 r1 模糊逻辑控制法等神元网络控制法 等取较显著 踪控制效果
3 ． 2 逆变器踪电网控制
电网踪控制整逆变系统控制核心直接关系系统输出电质量运行效率
光伏网逆变器基 PWM 逆变实现 控制属逆变器 PWM 电流控制方式 r1 引
较早出现 PWM 非线性控制方法瞬时较方式三角波较方式 r1 引
示瞬时较方式电流误差补偿 PWM 信号产生时控制单元完成 构成闭环反馈控制器实现简单具良 动态响应电流保护功具控制 延时开关频率固定法产生零电压矢量等足输出电流波动谐波畸变率避免器件开关频率高采滞环宽度根输出电流 动调节滞环较器采定时控制瞬时 值较方式方法补偿电流误差固定 l2 引
三角波较方式原理放器 A 常采例例积分放器瞬时值较方式相该方法优点输出电压中含谐波较少 ( 含三角波相频率谐波 ) 器件开关频率固定 ( 等三角波频率 ) 该方法硬件较复杂 误差较放器增益限电流响应瞬时值较方式慢
目前更闭环电流控制方法基载波周期控制方法例差拍 PWM 技术目标误差控制周期消实现稳态静差效果方法计算量较开关频率固定动态响应快适宜光伏阿数字控制实现引
着微处理器技术尤数字信号处理器发展现代控制理中许先进算法应光伏逆变系统控制中工神网络适应滑模变结构模糊控制等领域解决某控制问题样具种相应局限性例：工神网络控制精度赖模型训练样适应控制求线辨识象模型算法复杂计算量滑模变结构控制存系统抖振问题模糊控制赖隶属函数选取控制精度提高等
三相网系统中较采交流变量转换直流变量三相变换两相控制策略提出 dq 步参考坐标系基空间矢量 PWM(SVPWM) 线性电流控制器 [z ] SVPwM 控制解耦 d 轴 q 轴形成电流控制环具固定开关频率输出谐波频谱优化开关控制方案直流电压利率输出电流质量般具备电流保护力
年光伏网系统综合控制成研究发展新趋势文献 [33] 研究基瞬时功理功谐波电流补偿控制光伏网系统电网提供功功率实现电网功谐波电流补偿逆变器踪电网控制实时性动态特性求更高研究适合类逆变器控制方法电网电质量提高具重意义
3 ． 3 逆变器孤岛效应检测控制
逆变器直接网时应具基保护功外应具备防孤岛效应特殊功电安全电质量考虑孤岛效应允许出现孤岛 发生时必须快速准确切网逆变器引出孤岛效应进行检测控制研究
孤岛效应检测般分成动式动式动式检测利电网监测状态 ( 电压频率相位等 ) 作判断电网否障 [9] 果电网中负载正逆变器输出匹配动法法检测 孤岛发生动检测法通电力逆变器定时 产生干扰信号观察电网否受影响作判断 [9] 脉电流注入法 输出功率变化检测法动频率偏移法滑模频率偏移法 等
实际网逆变器中应存着足电压幅值频率变化范围某值时频率偏移法法检测孤岛效应存检测盲区输出功率变化检测法存检测盲区然光伏网系统受光强度等影响 光伏输出功率时波动逆变器加入功功率 扰动会降低光伏阵列逆变系统效率解决问题光伏网功功综合控制方 法常提出
着光伏网发电系统进步广泛应逆变器时网时逆变器输出变化非 常导致述方法失效研究逆 变器网通信协控制已成孤岛效应检测控制研究趋势 引
4 结语
社会济发展环境角度 考虑光伏发电技术研究均具重现实意义年已飞速发展文提高光伏发电系统效率角度针部件— — 逆变器相 关研究发展进行述根电网光伏阵列 户逆变器求网逆变器拓扑结构控制方法 2 方面研究现状解决技术问题进行分析目前高集成度模块化设计减少中间转换环节采插形式逆变器结构发展方研究适合非线性强耦合变量分布式综合控制策略光伏发电系统中网逆变器控制方法研究重点
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