并網(wǎng)發(fā)電是光伏" title="光伏">光伏發(fā)電的有效利用方式之一,。目前并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)外部主電網(wǎng)故障或檢修時(shí),，需要防止孤島效應(yīng)產(chǎn)生，常用措施是切除并網(wǎng)系統(tǒng),，停止其發(fā)電,，但會(huì)造成一定的浪費(fèi)。隨著生活水平的提高,，人們對(duì)供電穩(wěn)定性也提出了更高的要求,。
微電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源組成的系統(tǒng)，其內(nèi)部電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，并提供必要控制,。微電網(wǎng)相對(duì)于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元,，并可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全等方面要求，并且微電網(wǎng)能與外部電網(wǎng)脫離,，獨(dú)立運(yùn)行,。
本文結(jié)合微電網(wǎng)理念，設(shè)計(jì)一個(gè)光伏變流器,，構(gòu)建一個(gè)小型系統(tǒng),。當(dāng)外部電網(wǎng)正常時(shí)，變流器工作于并網(wǎng)模式,；當(dāng)外部電網(wǎng)故障時(shí),，該系統(tǒng)和外部電網(wǎng)脫離，變流器工作于離網(wǎng)模式,，并結(jié)合蓄電池繼續(xù)對(duì)重要負(fù)載供電,。
1 系統(tǒng)原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)" title="系統(tǒng)結(jié)構(gòu)">系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由太陽(yáng)能光伏池板陣列,、蓄電池組及其管理系統(tǒng)" title="管理系統(tǒng)">管理系統(tǒng),、光伏變流器、電能計(jì)量單元以及重要負(fù)載5部分組成,。
光伏池板經(jīng)過串并聯(lián)后形成25 kWp,，開路電壓為500V的太陽(yáng)能電池陣列。蓄電池選用50kW·h鋰電池,，并且?guī)в须姵毓芾硐到y(tǒng),。逆變器是整個(gè)系統(tǒng)核心和主控單元，設(shè)計(jì)額定輸出功率為25kW,。電能計(jì)量單元能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電網(wǎng)和系統(tǒng)之間的功率流向以及接口處電壓相位和頻率,，為并網(wǎng)離網(wǎng)切換提供信息依據(jù)。
光伏變流器主電路拓?fù)渲饕?部分,，前級(jí)為2個(gè)并聯(lián)在直流母線上的雙向DC-DC" title="DC-DC">DC-DC電路,，后級(jí)為三相全橋DC-AC逆變電路。兩級(jí)之間通過大電容解耦,。雙向DC-DC電路作用主要有維持中間電壓穩(wěn)定,，另外光伏池板側(cè)的DC-DC電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏池板的最大功率跟蹤功能，蓄電池側(cè)的DC-DC電路同時(shí)能實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電功能,。
變流器三相逆變輸出通過LC濾波,，經(jīng)過三相工頻隔離變壓器并網(wǎng)。重要負(fù)載接在變壓器輸出側(cè),，通過一個(gè)交流繼電器和電網(wǎng)相連,。變流器系統(tǒng)通過隔離RS485方式與電能計(jì)量單元通信,，獲取網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)功率信息；通過隔離CAN總線方式與鋰電池管理系統(tǒng)通信,，獲取蓄電池狀態(tài)信息。
1．2 系統(tǒng)工作模式
系統(tǒng)工作模式有并網(wǎng)和離網(wǎng)2種模式,。當(dāng)外部電網(wǎng)正常時(shí),，變流器工作于并網(wǎng)模式。光伏池板側(cè)DC-DC電路升壓工作,，維持中間直流母線電壓710 V,，同時(shí)采用擾動(dòng)觀察法，對(duì)光伏池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,，使池板工作發(fā)揮最大效率,。蓄電池側(cè)DC-DC電路，結(jié)合蓄電池管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù),，單相降壓工作,，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，直到達(dá)到其設(shè)定的上限電壓Uh,。DC-AC部分工作于電壓型逆變器模式,，實(shí)時(shí)跟蹤外部電壓幅值和相位，逆變輸出電能供給重要負(fù)載和電網(wǎng),。
當(dāng)外部電網(wǎng)異常時(shí),，變流器工作于離網(wǎng)模式。光伏池板側(cè)DC-DC電路依舊升壓工作,，但此時(shí)蓄電池側(cè)DC-DC電路根據(jù)重要負(fù)載大小,，選擇給蓄電池充電或是使蓄電池放電工作，維持中間母線電壓穩(wěn)定,。DC-AC部分工作于離網(wǎng)逆變模式,，維持輸出相電壓220 V／50 Hz。鋰電池側(cè)DC-DC電路控制充分結(jié)合鋰電池管理系統(tǒng),，其控制流程如圖2所示,。
2 主電路器件選型
2．1 IGBT
功率器件直流側(cè)輸入最大電流為100 A，交流輸出按額定功率考慮,，器件輸出相電流有效值為：
交流輸出2倍過載時(shí)電流為76 A,。
系統(tǒng)所用開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管均選EUPEC FF200R12KE3G，200 A,，1 200 V,。
2．2 中間支撐電容
首先，對(duì)于700 V的直流電壓,，中間直流濾波電容電壓值設(shè)計(jì)為900 V,。其次，考慮到中間直流電容要能承受PWM整流器直流側(cè)工作時(shí)所帶來的紋波電流Ims。對(duì)于采用SVPWM算法的PWM整流器,，其直流側(cè)紋波電流有效值約為相電流有效值的55％,。穩(wěn)態(tài)時(shí)，紋波電壓Ums可以取額定值的2％,，電容值應(yīng)滿足下述關(guān)系：
式中,，Ims為流過電容的紋波電流；Ia為A相電流有效值,；Ums為電容上的紋波電壓,；fs2為PWM整流器開關(guān)管開關(guān)頻率。
按照額定輸出功率25 kW設(shè)計(jì),，將數(shù)據(jù)Udc=700 V,，Ia=38 A，fs2=6 kHz,，帶入公式(2)得到C≥40 μF,。
考慮PWM整流器工作時(shí)，電容在開關(guān)管導(dǎo)通期間放電,，輸出能量,，在開關(guān)管關(guān)斷期間充電，儲(chǔ)存能量,。電容上電壓按照開關(guān)周期振蕩,。所以，電容設(shè)計(jì)應(yīng)滿足能量傳輸?shù)囊?，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),，電容上儲(chǔ)存的能量的變化等于一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)傳輸?shù)哪芰俊?br />
式中，P0為額定輸出功率,。
按照額定輸出功率25 kW設(shè)計(jì),，將Udc=700 V，ε=1％,，P0=25 kW,，fs2=6 kHz帶入式(2)，得到C≥854 μF,。為加強(qiáng)各個(gè)環(huán)節(jié)的解耦,，降低控制難度，這里選擇900 V／2 000μF的電容,。
2．3 直流升壓電感
直流輸入電壓范圍250～600 V,，最大工作電流為100 A，工作頻率為10 kHz,。當(dāng)輸入電壓為350 V時(shí),，電流波形最差,，設(shè)此時(shí)電流峰峰值為15 A(滿功率電流15％)，則有：
得知：L≥1．16 mH,。選用兩個(gè)600μH／100 A電感串聯(lián),，該系統(tǒng)總共用4個(gè)。
提供15 A峰峰值電流對(duì)于太陽(yáng)能電池陣列來說,，影響較大,，需在輸入側(cè)加濾波電容。對(duì)蓄電池電壓影響很小,，但是考慮電磁兼容問題，也要在輸入側(cè)加上濾波電容,。對(duì)在輸入電壓為350 V時(shí),，要求輸入開關(guān)周期內(nèi)電壓跌落不超過2％，則：
可得：C=700 μF
因此選用1 000 μF／900 V的薄膜電容,。
3 變流器控制電路設(shè)計(jì)
變流器控制電路是基于TMS320F2812型DSP設(shè)計(jì)的,，由DSP、控制底板,、電壓采集板和驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成,。控制底板處理電壓采集板和傳感器輸出的電流信號(hào),，并傳輸給DSP,，DSP對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。一方面按SVPWM算法計(jì)算控制脈沖,，將脈沖通過驅(qū)動(dòng)板提供給IGBT,，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的并網(wǎng)或者離網(wǎng)工作；另一方面進(jìn)行MPPT控制,，使太陽(yáng)能池板始終工作在最大功率點(diǎn)處,。驅(qū)動(dòng)板可以反饋IGBT故障信號(hào)，從而進(jìn)行故障保護(hù),，使系統(tǒng)可以安全可靠的運(yùn)行,。
3．1 光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤——擾動(dòng)觀察法
在光照相對(duì)穩(wěn)定的條件下，提供高性能追蹤MPPT算法有很多不同的方法,，經(jīng)常使用的是擾動(dòng)觀察法,，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，幾乎適應(yīng)任何的光伏發(fā)電系統(tǒng)配置,，并在穩(wěn)態(tài)下具有良好表現(xiàn),。擾動(dòng)觀察法基本思想：引入一個(gè)小擾動(dòng)H，然后與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較,，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)整光伏電池板的工作點(diǎn),，實(shí)時(shí)采集光伏電池的輸出電壓和電流,，并計(jì)算出此時(shí)的功率值，而后與上一時(shí)刻的功率值進(jìn)行比較,，從而相應(yīng)調(diào)整光伏電壓的變化方向,，使其向著最大功率點(diǎn)的方向移動(dòng)，以達(dá)到逼近最大功率點(diǎn)的目的,。
3．2 SVPWM控制算法實(shí)現(xiàn)
逆變器采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)技術(shù),。SVPWM是具有較高直流電壓利用率，諧波電流含量少的優(yōu)化算法,，在現(xiàn)代變流器控制領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注,。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4．1 并網(wǎng)工作模式
并網(wǎng)工作模式變流器跟蹤電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)同頻同向正常并網(wǎng)。圖4 實(shí)際并網(wǎng)時(shí)A相輸出電流與電壓波形,。圖4 中波形較好的為A相電壓波形,，另一個(gè)為A相電流波形。從圖中可以看出,，電流波形有一定畸變,，并不理想，但是輸出電流能基本保證與電網(wǎng)電壓同頻同向且功率因素為1,。
4．2 離網(wǎng)工作模式
系統(tǒng)離網(wǎng)模式工作時(shí),，輸出相電壓為220 V／50 Hz。系統(tǒng)正常工作,，且波形良好,。
圖5為離網(wǎng)工作時(shí)A相電壓和電流波形。圖6為離網(wǎng)工作時(shí)A相和B相電流波形,。從圖6可以看出,，由于模擬的三相重要負(fù)載不平衡，A相和B相電流大小有些不同,。
5 結(jié)束語(yǔ)
介紹了一種基于微網(wǎng)理念的光伏變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì),，分析了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，進(jìn)行了主電路器件選型,。構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)顯示其能完成基本的設(shè)計(jì)功能,，能正常工作于并網(wǎng)和離網(wǎng)模式，只是并網(wǎng)時(shí)電流諧波偏大,，在電流跟蹤的控制算法上仍需做更進(jìn)一步的改進(jìn),。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決了普通并網(wǎng)系統(tǒng)在出現(xiàn)孤島現(xiàn)象時(shí)必須停機(jī)的不足，同時(shí)能加強(qiáng)對(duì)重要負(fù)載供電的可靠性,。該系統(tǒng)對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣和微網(wǎng)的研究都有一定的價(jià)值,。該系統(tǒng)還可以繼續(xù)加入其他分布式電源，比如小型風(fēng)電機(jī)組,、小型燃?xì)廨啓C(jī)等組成多電源更為復(fù)雜的微網(wǎng)系統(tǒng),，有利于分布式發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,，對(duì)于提高電網(wǎng)的可靠性也有一定作用。