基于微网理念的光伏变流器系统设计

并网发电是光伏发电的有效利用方式之一。目前并网发电系统当外部主电网故障或检修时，需要防止孤岛效应产生，常用措施是切除并网系统，停止其发电，但会造成一定的浪费。随着生活水平的提高，人们对供电稳定性也提出了更高的要求。
    微电网是一种由负荷和微型电源组成的系统，其内部电源主要由电力电子器件负责能量转换，并提供必要控制。微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面要求，并且微电网能与外部电网脱离，独立运行。
    本文结合微电网理念，设计一个光伏变流器，构建一个小型系统。当外部电网正常时，变流器工作于并网模式；当外部电网故障时，该系统和外部电网脱离，变流器工作于离网模式，并结合蓄电池继续对重要负载供电。

1 系统原理
1．1 系统结构
    系统结构框图如图1所示。该系统结构主要由太阳能光伏池板阵列、蓄电池组及其管理系统、光伏变流器、电能计量单元以及重要负载5部分组成。

    光伏池板经过串并联后形成25 kWp，开路电压为500V的太阳能电池阵列。蓄电池选用50kW·h锂电池，并且带有电池管理系统。逆变器是整个系统核心和主控单元，设计额定输出功率为25kW。电能计量单元能够实时检测电网和系统之间的功率流向以及接口处电压相位和频率，为并网离网切换提供信息依据。
    光伏变流器主电路拓扑主要分2部分，前级为2个并联在直流母线上的双向DC-DC电路，后级为三相全桥DC-AC逆变电路。两级之间通过大电容解耦。双向DC-DC电路作用主要有维持中间电压稳定，另外光伏池板侧的DC-DC电路同时实现光伏池板的最大功率跟踪功能，蓄电池侧的DC-DC电路同时能实现蓄电池的充电功能。
    变流器三相逆变输出通过LC滤波，经过三相工频隔离变压器并网。重要负载接在变压器输出侧，通过一个交流继电器和电网相连。变流器系统通过隔离RS485方式与电能计量单元通信，获取网侧实时功率信息；通过隔离CAN总线方式与锂电池管理系统通信，获取蓄电池状态信息。
1．2 系统工作模式
    系统工作模式有并网和离网2种模式。当外部电网正常时，变流器工作于并网模式。光伏池板侧DC-DC电路升压工作，维持中间直流母线电压710 V，同时采用扰动观察法，对光伏池板进行最大功率点跟踪，使池板工作发挥最大效率。蓄电池侧DC-DC电路，结合蓄电池管理系统提供数据，单相降压工作，对蓄电池进行充电，直到达到其设定的上限电压Uh。DC-AC部分工作于电压型逆变器模式，实时跟踪外部电压幅值和相位，逆变输出电能供给重要负载和电网。
    当外部电网异常时，变流器工作于离网模式。光伏池板侧DC-DC电路依旧升压工作，但此时蓄电池侧DC-DC电路根据重要负载大小，选择给蓄电池充电或是使蓄电池放电工作，维持中间母线电压稳定。DC-AC部分工作于离网逆变模式，维持输出相电压220 V／50 Hz。锂电池侧DC-DC电路控制充分结合锂电池管理系统，其控制流程如图2所示。

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2 主电路器件选型
2．1 IGBT
    功率器件直流侧输入最大电流为100 A，交流输出按额定功率考虑，器件输出相电流有效值为：
   
    交流输出2倍过载时电流为76 A。
    系统所用开关管均选EUPEC FF200R12KE3G，200 A，1 200 V。
2．2 中间支撑电容
    首先，对于700 V的直流电压，中间直流滤波电容电压值设计为900 V。其次，考虑到中间直流电容要能承受PWM整流器直流侧工作时所带来的纹波电流Ims。对于采用SVPWM算法的PWM整流器，其直流侧纹波电流有效值约为相电流有效值的55％。稳态时，纹波电压Ums可以取额定值的2％，电容值应满足下述关系：
   
    式中，Ims为流过电容的纹波电流；Ia为A相电流有效值；Ums为电容上的纹波电压；fs2为PWM整流器开关管开关频率。
    按照额定输出功率25 kW设计，将数据Udc=700 V，Ia=38 A，fs2=6 kHz，带入公式(2)得到C≥40 μF。
    考虑PWM整流器工作时，电容在开关管导通期间放电，输出能量，在开关管关断期间充电，储存能量。电容上电压按照开关周期振荡。所以，电容设计应满足能量传输的要求，即在一个开关周期内，电容上储存的能量的变化等于一个开关周期内传输的能量。
   
    式中，P0为额定输出功率。
    按照额定输出功率25 kW设计，将Udc=700 V，ε=1％，P0=25 kW，fs2=6 kHz带入式(2)，得到C≥854 μF。为加强各个环节的解耦，降低控制难度，这里选择900 V／2 000μF的电容。
2．3 直流升压电感
    直流输入电压范围250～600 V，最大工作电流为100 A，工作频率为10 kHz。当输入电压为350 V时，电流波形最差，设此时电流峰峰值为15 A(满功率电流15％)，则有：
   
    得知：L≥1．16 mH。选用两个600μH／100 A电感串联，该系统总共用4个。
    提供15 A峰峰值电流对于太阳能电池阵列来说，影响较大，需在输入侧加滤波电容。对蓄电池电压影响很小，但是考虑电磁兼容问题，也要在输入侧加上滤波电容。对在输入电压为350 V时，要求输入开关周期内电压跌落不超过2％，则：
   
    可得：C=700 μF
    因此选用1 000 μF／900 V的薄膜电容。

3 变流器控制电路设计
    变流器控制电路是基于TMS320F2812型DSP设计的，由DSP、控制底板、电压采集板和驱动板构成。控制底板处理电压采集板和传感器输出的电流信号，并传输给DSP，DSP对输入的数据进行A／D转换。一方面按SVPWM算法计算控制脉冲，将脉冲通过驱动板提供给IGBT，实现功率因数为1的并网或者离网工作；另一方面进行MPPT控制，使太阳能池板始终工作在最大功率点处。驱动板可以反馈IGBT故障信号，从而进行故障保护，使系统可以安全可靠的运行。

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3．1 光伏系统最大功率跟踪——扰动观察法
    在光照相对稳定的条件下，提供高性能追踪MPPT算法有很多不同的方法，经常使用的是扰动观察法，其优点是简单可靠，几乎适应任何的光伏发电系统配置，并在稳态下具有良好表现。扰动观察法基本思想：引入一个小扰动H，然后与前一个状态进行比较，根据比较的结果调整光伏电池板的工作点，实时采集光伏电池的输出电压和电流，并计算出此时的功率值，而后与上一时刻的功率值进行比较，从而相应调整光伏电压的变化方向，使其向着最大功率点的方向移动，以达到逼近最大功率点的目的。
3．2 SVPWM控制算法实现
    逆变器采用空间矢量脉冲宽度调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)技术。SVPWM是具有较高直流电压利用率，谐波电流含量少的优化算法，在现代变流器控制领域得到广泛关注。

4 实验结果
4．1 并网工作模式
    并网工作模式变流器跟踪电网电压与电网同频同向正常并网。图4 实际并网时A相输出电流与电压波形。图4 中波形较好的为A相电压波形，另一个为A相电流波形。从图中可以看出，电流波形有一定畸变，并不理想，但是输出电流能基本保证与电网电压同频同向且功率因素为1。

4．2 离网工作模式
    系统离网模式工作时，输出相电压为220 V／50 Hz。系统正常工作，且波形良好。
    图5为离网工作时A相电压和电流波形。图6为离网工作时A相和B相电流波形。从图6可以看出，由于模拟的三相重要负载不平衡，A相和B相电流大小有些不同。

5 结束语
    介绍了一种基于微网理念的光伏变流器系统设计，分析了系统结构和控制原理，进行了主电路器件选型。构建的实验室样机显示其能完成基本的设计功能，能正常工作于并网和离网模式，只是并网时电流谐波偏大，在电流跟踪的控制算法上仍需做更进一步的改进。该系统设计解决了普通并网系统在出现孤岛现象时必须停机的不足，同时能加强对重要负载供电的可靠性。该系统对于光伏发电系统的推广和微网的研究都有一定的价值。该系统还可以继续加入其他分布式电源，比如小型风电机组、小型燃气轮机等组成多电源更为复杂的微网系统，有利于分布式发电技术的进一步推广应用，对于提高电网的可靠性也有一定作用。