关于光伏并网逆变器的控制和仿真

近年来，应用于可再生能源的并网转换技术已成为电力电子技术领域的研究热点. 并网转换器在可再生能源分布式能源系统（如太阳能光伏发电和风力发电）中具有广阔的发展前景. 太阳能和风能发电的重要应用模式是并网发电，并网逆变器技术是太阳能光伏并网发电的关键技术. 光伏并网发电系统中使用的逆变器主要基于以下技术特征: 直流输入范围宽；具有最大功率跟踪（MPPT）功能；并网逆变器输出电流的相位和频率与电网电压同步，波形失真小，满足电网质量要求；具有孤岛检测和保护功能；逆变器效率高达92％或更高，可以并行运行. 逆变器的主电路拓扑直接决定其整体性能. 因此，开发一种简单，高效且具有成本效益的电路拓扑非常重要.

1. 逆变原理

该设计是大型光伏并网发电系统. 根据文献，通常选择工频隔离式光伏并网逆变器结构，如图1所示. 光伏阵列输出的直流电通过逆变器转换为交流电，再经集成后再接入电网. 被变压器提升和隔离. 光伏并网发电系统的核心是逆变器，而电力电子设备是逆变器的基础. 尽管功率电子设备的工艺水平已经得到了很大的发展，但必须将其生产为尽可能满足最高频率，高压和低EMI. 大功率逆变器仍然有很大的困难. 因此，对大容量逆变器拓扑的研究是一个有代表性的解决方案. 作为太阳能光伏阵列与交流电网之间的换能器，其安全性，可靠性，逆变器效率，制造成本等因素在光伏逆变器的发展中起着决定性的作用逆变器仿真，决定了投资和收益. 市场上大多数主流的光伏转换器都使用电压源转换器. 由于光伏电池的电流源输出特性，为了满足光伏电池的直流电压可能发生很大变化的特性，采用二次转换的技术方案，导致转换效率降低. 由于强制电流缓冲电容器的高价格和低可靠性，大功率电流源转换技术限制了电流源转换器的应用. 注入电流源转换器的DC电流和电压的完全控制特性使光伏电池发出的DC功率仅通过一级转换即可完成. 此功能使电流源转换器可能成为高效的光伏转换技术解决方案.

1.1两级逆变器

传统的逆变器通常也称为两电平转换器，并网逆变器通常使用桥式电路. 此拓扑相对简单. 太阳能光伏电池具有电流源类型的特性. 光伏阵列以大电感串联后，相当于一个电流源. 通过这种方式，它连接到电网，这称为电流源电网连接. 为了改善并网电流，需要在交流侧增加一个滤波电容器，并且光伏电池必须以串联电感连接到相应的直流母线. 由于存在大电感，因此直流回路电流不容易改变. 如果在切换逆变器时逆变器输入电流不稳定，则很容易产生高di / dt，从而影响逆变器的安全运行.

1.2多级注入电流源逆变器

谐波注入的概念已在功率转换器中使用了半个多世纪. 然而，谐波注入被用于功率转换器中作为减少谐波含量的方法. 多级注入电流的幅度与工作条件相匹配. 附加的晶闸管触发控制和使用纹波电压来实现自然换向，注入电流的频率和相位与电源同步. 基于直流电流和注入电流之间的固定幅度关系，可以保证在各种工作条件下的最优谐波抑制，进一步提高了交流电流波形和直流电压波形的质量. 在文献中，提出了直流电流注入的新概念，并且发现当在12脉冲电流源转换器中使用时，可以使用6倍基频的注入电流来完全抑制谐波. 非常规系统的研究方法是寻找注入电流波形的幅度，以达到最小谐波畸变率的目的. 并通过严格的数学分析，总结了这一思想，并得出了可以完全消除标准12脉冲电流源转换器的交流测量输出波形的谐波的理想注入波形. 12脉冲电流源转换器，主电路的工作方式与普通的三相全控桥式转换器相同，每个桥的六个晶闸管以60°的间隔依次触发，每个主桥开关为打开120°. 这样，对于两个并联的三相全控电桥，一个电桥臂上的开关每30°触发一次，并且随时可以打开两个开关. 它不需要交流系统提供的换向电压，并且可以与交流系统同步地用作整流器或逆变器. 当有功功率从交流系统传输到直流系统时，设备将在整流状态下工作；当有功功率从直流系统传输到交流系统时，设备将处于逆变器状态. 多级注入电流源逆变器（MLCR-CSC）的DC电压可以为正或负. 转换器需要使用具有对称特性的开关设备，即具有双向电压阻断能力和单向电流流动能力的设备. 因此，IGBT无法直接用于MLCR-CSC. 二极管和IGBT可以串联满足此性能要求，但是器件的串联将导致额外的功率损耗. 由于MLCR-CSC的开关频率相对较低，晶闸管适用于大功率MLCR-CSC. 由于直流侧的电感，直流电流会在一个方向上流动，并且直流电压的极性可能会瞬时变化，因此多级注入电流源转换器所需的开关器件应具有双向电压阻断能力和单向性电流能力.

2. 实验模拟

2.1太阳能电池模型构建

根据文献原理，光伏电池的等效电路如图2所示. 在此基础上，在PSCAD中内置了输出0至450V的直流电源. 该模型如图2所示. 该仿真模型选择典型的光伏参数，而组件选择模型为YL85（17）1010＆TImes; 660. 主要参数是: 输出峰值功率85W，峰值电压17.5V，峰值电流4.9A，开路电压22V，短路电流5 .3A. 光伏阵列需要输出5000W，估计光伏模块的连接方式为20串3并联.

根据图1中的光伏阵列的仿真模型，如图3所示，得到I-U特性曲线和P-U特性曲线.

计算得出的最大功率为5.1kW，与模型输出的功率基本一致，输入的其他参数也基本一致，可以在工程实践中使用.

2.2逆变器拓扑电路

在这种拓扑结构中（参见图5），主控制桥使用串联连接的两相三相全桥来形成12脉冲电流源转换器. 主桥由24个转换阀组成，每个开关阀由晶闸管组成. 交流侧由变压器的串联连接形成. 变压器分别通过Y / Y和Y /△连接，变比分别为Kn: 1和Kn:. 构成连接到Y /△的6脉冲转换器的触发脉冲比连接到Y / Y的6脉冲转换器滞后30°，因此两个转换器的输出与输出的初级侧的每个相电压同相. 变压器. 图中的注入电路由串联或反串联的晶闸管和二极管组成. 连接到上桥的开关是晶闸管和二极管的反向连接，下桥是相反的. 逆变器的四象限是通过向晶闸管发送不同的触发脉冲来实现的. 在工作中，上桥也注入了理想的电流波形，从而使波形输出理想.

图6中的主电桥注入电流波形显示，相应的上，下三相电桥输出直流电流大小相等，相位差为15°，电感器支路电流叠加有少量直流电纹波，每个分支电流的平均值为IDC / 6. 有关交流电压和电流波形，请参见图7. 多电平电流波形的正弦性较好，电压波形有明显的毛刺. 这是由开关切换时的感应能量传递引起的. 将每个开关设备引入RC吸收电路后，电压毛刺可以大大降低.

在图8中，CH1是A相电压波形； CH2是B相电压波形; CH3是C相电压波形. 结论是逆变器仿真，在三相电压的正弦波形上叠加了一些毛刺，与仿真结果吻合.

3. 实验结论

确定每个注入支路功率电子开关的最佳组合控制方案. 多个注入分支具有多种开关组合方案，如何以较低复杂度的开关组合方案实现转换要求是研究的主要技术难题之一. 在仿真中，使用PSCAD进行了6级电流注入研究，证明了该系统无需添加滤波器和使用PWM技术即可获得理想的输出波形. 正是因为该设备的谐波失真率非常低，而且开关损耗也很低，所以它非常适合大功率应用.

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