1、引言

光伏發(fā)電技術(shù)始于80年代初，限于技術(shù)、成本、效益等的限制，發(fā)展比較緩慢。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，光伏發(fā)電在最近30年有了快速的發(fā)展?，F(xiàn)今新能源的引領(lǐng)潮流都是以功率級的變流器為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展，那么變流器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用就是最基本、最重要的。

本文主要研究變流器的硬件、軟件設(shè)計(jì)以及其LCL濾波器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。在此基礎(chǔ)上研究了三相光伏逆變器LCL濾波器參數(shù)選取的理論依據(jù)，推導(dǎo)了參數(shù)計(jì)算公式，給出了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制算法的設(shè)計(jì)方法和具體實(shí)現(xiàn)步驟，并采用Matlab進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得出了上述參數(shù)選取方法和控制算法是可行的。在以上理論和算法的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了500kW三相光伏并網(wǎng)逆變器主要硬件電路及參數(shù)選取方案，搭建了硬件實(shí)驗(yàn)測試平臺，并進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和上述的算法在系統(tǒng)中的應(yīng)用是可行的，對大功率光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)和性能提升具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

2、變流器原理及模型建立

2.1變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2-1光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是通過光伏把太陽能轉(zhuǎn)化為電能再逆變?yōu)榻涣鞑⑷腚娋W(wǎng)的發(fā)電裝置，一般由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量、顯示平臺、檢測系統(tǒng)等組成。

本文建立在三相單級工頻隔離型500kW逆變器拓?fù)鋵?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。三相逆變橋是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的核心。三相并網(wǎng)逆變器的逆變橋主要有兩電平逆變橋、三電平逆變橋、H橋并聯(lián)等幾種典型拓?fù)?。本文所在?shí)驗(yàn)室采用的是最為通用的兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-2所示。

圖2-2三相單級工頻隔離型逆變器拓?fù)?/p>

光伏組串輸出的電壓Udc經(jīng)三相逆變橋逆變后將電能饋入三相電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)包括電網(wǎng)電壓同步鎖相、三相指令電流生成、并網(wǎng)電流閉環(huán)跟蹤控制、以及最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)和孤島檢測。MPPT是通過直接調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的幅值來實(shí)現(xiàn)的。由于只有一級變換，沒有電壓控制環(huán)，MPPT控制會使直流電壓Udc大幅度變化。這一點(diǎn)會使得PV組串和逆變器開關(guān)之間的電壓匹配更為復(fù)雜一些。工頻隔離變壓器可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并且緩解電壓匹配上的矛盾。電氣隔離大幅提高了系統(tǒng)的安全性，但是工頻變壓器會顯著增大逆變器的成本。

2.2變流器數(shù)學(xué)模型分析

在三相三線制平衡系統(tǒng)下推導(dǎo)SVPWM整流器數(shù)學(xué)模型，我們假設(shè)交流側(cè)進(jìn)線電感L為線性，容量及飽和度滿足要求；功率器件沒有損耗。SVPWM整流器主電路如圖2-3所示：

圖2-3PWM整流器主電路

圖2-4空間矢量坐標(biāo)變換

SVPWM三相逆變器，對于設(shè)定的參考電壓，可經(jīng)坐標(biāo)變換，在αβ坐標(biāo)系下，根據(jù)扇區(qū)號公式確定合成矢量所在扇區(qū)以及求出參考矢量U的旋轉(zhuǎn)角度，并計(jì)算出基本矢量作用時(shí)間，再根據(jù)選擇的組合開關(guān)，即可計(jì)算各開關(guān)對應(yīng)作用時(shí)間。

表2-1各扇區(qū)基本矢量作用時(shí)間

如圖2-5是基本矢量作用時(shí)間以及每個(gè)開關(guān)對應(yīng)作用時(shí)間的仿真模型。主要采用Matlab函數(shù)和上面推導(dǎo)公式模擬生成。圖2-6是建立在理想的SVPWM調(diào)制技術(shù)下的三相逆變電路輸出的線電壓模型。圖2-7是SVPWM三相逆變電路系統(tǒng)仿真模型，基于前面建立的兩個(gè)模型。

圖2-5開關(guān)時(shí)間計(jì)算

圖2-6SVPWM線電壓輸出

圖2-7SVPWM三相逆變電路路仿真

圖2-8SVPWM逆變器總波形圖

3、基于LCL濾波器的變流器設(shè)計(jì)

3.1主電路元器件選型

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)500kw并網(wǎng)逆變器，其主電路主要由調(diào)壓器、逆變功率單元、直流母線支撐電容和交流濾波LCL電路等組成。

針對主電路中不同的功能分區(qū)要有相應(yīng)的開關(guān)隔離，這樣可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能模塊和功能區(qū)的調(diào)試，并且在過流、過壓等保護(hù)功能操作下，可以實(shí)現(xiàn)直流或者交流的開合，在控制電路有效保護(hù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)主電路的分?jǐn)啾Ｗo(hù)。

設(shè)計(jì)中考慮器件的功率、電壓、電流的容量是否冗余，查看相關(guān)的DATASHEET，同時(shí)還要注意所選器件的功耗，因?yàn)樵诘凸β瘦敵鰰r(shí)測試效率，損耗所占百分比會顯得突出，需要重視。

3.1.1功率單元選型及設(shè)計(jì)

功率單元的主要功能是跟蹤指令目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)有功功率輸出。其內(nèi)部主要選型為IGBT。根據(jù)功率的公式可知，500kw的交流380V系統(tǒng)，額定輸出有功電流為76A。直流母線我們控制在500~700V左右。

4、系統(tǒng)仿真

采用SVPWM調(diào)制方式，建立500kW三相光伏并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)仿真模型，如圖4-1所示。直流電壓設(shè)為500V，基波頻率設(shè)為50Hz，開關(guān)頻率為3kHz，電感值為0.1mH，電容按照三角接法，容值為300μF，仿真模式采用離散模式，仿真時(shí)間為1s，運(yùn)行之后得到圖4-2所示的波形圖。

圖4-1系統(tǒng)仿真模型

（a）網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形

（b）網(wǎng)側(cè)電流諧波分析

圖4-2系統(tǒng)仿真波形

由上面仿真結(jié)果可以看到，網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形均比較穩(wěn)定且正弦性好，說明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。表有功功率的id在仿真過程中，基本在指令值大小為1.414*1070=1512.98A上下變化，表無功功率的iq在0上下擺動，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有功和無功的解耦控制的有效性。對并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析，可以看到THD為2.28%，說明采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制策略和空間矢量調(diào)制算法下，能有效控制系統(tǒng)在單位功率因數(shù)運(yùn)行情況下有著較低的并網(wǎng)電流總諧波畸變率。

結(jié)論

本文主要研究基于LCL濾波器的變流器的設(shè)計(jì)、建模以及應(yīng)用。通過模型分析后給出變流器在應(yīng)用上的分類，并在仿真上分別建立整流器和逆變器的matlab模型加以驗(yàn)證。在整體仿真和實(shí)驗(yàn)后，基本實(shí)現(xiàn)了LCL濾波要求，裝置達(dá)到了額定輸出和功率因數(shù)要求。搭建實(shí)驗(yàn)平臺，給出系統(tǒng)的仿真波形，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)有效性，對大功率光伏逆變器的設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

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