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1、光伏发电系统逆变器的设计 摘 要：本文根据光伏电池阵列与逆变电路的特点，研究比较了常见的光伏逆变器拓扑结构，本文针对光伏发电系统，设计了一种并网逆变器。选择由前级DC-DC电路与后级DC-AC电路组成的双极式系统；比较分析了各种DC-DC电路最终选择了Boost电路作为升压电路，后级的DC-AC电路采用了基本全桥逆变器。在设计光伏并网逆变器的基础上，利用Matlab对系统的各个控制环节以及主电路进行了仿真，最终验证了控制的正确定性。 【关键词】Boost电路 电流跟踪 逆变器 1 逆变器或电源控制器（PCU）在并网太阳能发电系统中起着非常重要的作用 PCU的主要作用就是将发电系统中产生的直流电
2、转换为可以入网的标准交流电，当供电部门中止供电的时候，PCU会自动切断电源。当太阳能光伏发电系统输出的电能超过系统负载实际所需的电量时，将多余的电量传输给公共电网。在阴雨天或者夜晚，太阳能光伏发电系统输出的电能小于系统负荷实际所需的电能，可通过公共电网补充系统负载所需要的电能。同时也要保证在公共电网故障或者维修的时候，太阳能光伏发电系统将不会把电能亏送到公共电网上，以使系统运行稳定可靠。如图1所示。 2 Boost电路工作原理 为了满足并网的要求，升压电路需要将光伏阵列的输出电压上升为比电网峰值更高的直流电压。图2为Boost的电路结构。其中US为输入电压，VT为开关管，C为储能电容，L为升压
3、电感。VT为快速开关管，使用PWM控制。 根据升压电感电流的连续与否，Boost有两种工作方式，连续与断续状态。为了保证电能质量，光伏并网系统中要求Boost必须工作在连续状态，这样才能保证输出电流不为脉冲状态。Boost电路有两个工作过程，储能与放电。我们选择Boost变换器为二级非隔离型逆变器的DC-DC环节变换器。选择全桥逆变器为DC-AC电路。其主电路结构如下： 采用的光伏并网系统主电路如图3所示，并网逆变器选用两级式非隔离型。本系统中的前级DC/DC 升压电路选择Boost电路，后级为全桥逆变电路。 我们选择开关频率为fs=12.8kHz，所以逆变器输出电压的实际载频率为2fs=25
4、.6kHz。我们采用DSP作为实现控制的硬件结构，使用TMS320LF2407DSP芯片作为本文控制系统核心。 3 基于DSP的并网控制系统 并网系统的整体硬件结构框图如图4所示。 逆变器数字并网控制系统以TMS320LF2407芯片为控制核心，充分利用了DSP的硬件资源，如全比较单元PWM1/2，PWM3/4，捕获口CAP2，A/D采样，以及外部中断XINT1等。LF2407芯片采集外部电压、电流信号并进行A/D转换，通过DSP内部的控制算法计算PWM脉宽，控制逆变器桥臂开关开通或关断，锁定电网电压的频率与相位，控制输出电流单位功率因数并网。 4 全桥逆变器控制方式与PI整定 我们采用三角波
5、比较的方式对逆变器进行控制，并利用PI整定作为放大器。PI的参数决定了三角波控制方式的跟踪特性，三角波载波的频率越高，输出波形谐波更易滤除。加入PI整定环节后的三角波控制方式如图5。 本文将光伏系统设置为二阶系统，其目的是提高光伏发电系统的动态性能，提高响应速度。并利用最佳的二阶系统工程方式对PI参数进行整定 PI 参数整定后光伏发电系统开环传递函数为： 加入PI 调节能大幅度提升动态性性能，系统响应速度加快。其中Tpwm=78us 我们选择了单极性调制作为逆变器的调制方式，那么必须获得逆变器的输出参考电流才能对系统进行调制，逆变器的参考电流由电网电压与系统的输出功率等条件获得。 参考电流的获
6、取过程原理如图6。 Upv光伏发电系统Boost输出直流电压，Ipv光伏发电系统Boost输出直流电流，Ugird是电网电压的有效值，Ppv是光伏器件的输出功率。其中Ppv=UpvIpv，在不考虑电路损耗的情况下IERF=Ppv/Ugird。光伏电池的最大功率输出保持在3200W 左右，与电网电压平均幅值220v 相除，得到逆变器输出电流的幅值，幅值乘以正弦，即得到给定电流。 5 仿真结果 我们利用Matlab对控制方式与电路进行了仿真。 电流采样仿真如图7所示。 电流采样的结果如图8。其中上幅为采样电流；下幅为d-q转换后的dv与电压波形对比。 逆变器仿真 逆变器的仿真结构如图9。逆变器仿真
7、结果如10所示。 图10中第一层示出采样电流波形，第二层示出逆变器的电流，第三幅为电网电压波形。由图可以看出，逆变转变后的电流波形与电网电压同相。 6 结论 本文针对光伏发电系统设计了一种并网逆变器，重点选择与研究了主电路与控制方法，选择了主电路的拓扑结构，设计了前级的Boost与后级的全桥逆变电路，分析了主电路各个部分的工作原理，并对主电路各个器件参数进行了计算。 参考文献 1王爱超.光伏发电系统中单相并网逆变器的研究D.曲阜：曲阜师范大学，2012.96-105. 2日本光发电协会编，刘树民，宏伟译.太阳能光伏发电系统的设计与施工M.北京：科学出版社，2006：58-72. 3赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪系统M.北京：电子工业出版社，2011：389-400. 作者简介 赵若静（1985-），女，山西省临汾市人。现为山西农业大学信息学院教师。研究方向为信号处理。 作者单位 山西农业大学信息学院 山西省太谷县市 030800第 5 页