光伏逆变

第一篇:光伏逆变

2 并网逆变器的工作原理 2.1 并网逆变器主电路 2.1.1 并网逆变器结构 光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制 电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，直流侧 需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入， 但由于此大电感往往会导致系统 动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。

按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变 器，结构如图 2-1、2-2 所示。 L1 PV array L2 e C 图 2-1 电流型全桥逆变电路 L PV array C C1 图 2-2 电压型全桥逆变电路 市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源， 光伏并网逆变器的输出可以 控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网 系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联运行， 这种情况下要保证光伏并网 发电系统稳定运行，则必须采用闭环控制技术实现与市电电网同步。在稳定运行 的基础上， 可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出 与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢[8]，并网逆变器输出电压值不易精确控 制，系统可能出现环流等问题，同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优 异性能。因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制，此时光伏并网系统和电网 实际上是交流电流源和电压源的并联， 只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电 压，即可达到并联运行的目的。这种控制方式相对简单，使用比较广泛。

综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控 制方式，即电压型逆变器。采用电压型逆变主电路，可以同时实现有源滤波和 无功补偿的控制，在实际中已经得到了广泛的研究和应用，可以有效的进行光 伏发电、提高供电质量和减少功率损耗，而且可以节省相应设备的投资。 2.1.2 全桥逆变电路工作原理简介 VD1 VD3 V1 V3 UO R V2 VD2 V4 VD4 图 2-3 单相全桥逆变电路 全桥逆变电路工作原理如图所示它共有四个桥臂， 可以看成由两个半桥电路组合 而成。把桥 1 和 4 作为一对，桥 2 和 3 作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两 对交替各导通 180 度。

由图 2-2 可知其为电压型单相全桥逆变电路， 工作原理如 下，首先输出端口有电感，由电感特性可知输出电流比输出电压之后，也就是说 当电压为正时候电流有正有负，当电压为正时候电流为正，开关管 V1 和 V4 导 通构成闭合回路此时输出电压为电容两边电压，当 V4 关断时候电流仍为正，回 路电流由 V3 二极管构成回路，此时输出电压为 0，当电流为负时候，回路电流 经过 V1 和 V4 的二极管构成回路，此时电压为电容电压。同理当电压为负时候 输出电压只能是电容电压或者是 0，因此输出电压只能是正 Ud 或者-Ud。 uG 1 t uG2 t uG3 θ t U G4 t uO t 图 2-4 各个开关管导通随时间导通以及输出电压电流波形图 2. 2 光伏并网控制原则 逆变器并网运行的主要控制目标是逆变器输出正弦波电流与电网电压在频 率、相位上同步，并且能实时跟踪电网参数的变化，且电流的总畸变失真要低， 以减小对电网的谐波影响[24]。使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因子 近似为l。

目前，逆变器交流输出的控制方法可分为：电压控制方法和电流控制方法。

由于电压控制不能使系统同时保证响应速度和稳定性的要求， 所以其控制通常采 取电流控制方式。 2.3 并网逆变器控制电路策略 要成功实现并网，使光伏并网逆变器在工作时的功率因子接近于 1，即要求 输出电流为正弦波且与电网电压同频同相，输出电流的控制方式一般有两种：电 流滞环瞬时控制方式和固定开关频率控制方式。

(1)电流滞环瞬时控制方式 电流滞环瞬时控制方式示意图如图 2-5 所示的双闭环结构， 其外环是电压回 馈控制环，内环是电流控制环。将电压 PI 调节器输出电流幅值指令乘以表示网 压的单位正弦信号后，得到交流的电流指令，将它与实际检测剑的电流信号进行 比较，当电流误差大于指定的环宽时，滞环比较器产生相应的开关信号来控制逆 变器增大或减小输出电流，使其重新回到滞环内。这样，使实际电流围绕着指令 电流曲线上下变化，并且始终保持在一个滞环带中[11]。

这种方式中，滞环的宽度对电流的跟踪性能有较大的影响。当滞环宽度较大 时，开关频率较低，对开关器件的开关频率要求不高，但跟踪误差较大，输出电 流中的高次谐波含量较大；当滞环宽度较小时，跟踪误差较小，器件的开关频率 提高，对器件的开关频率要求较高。

电流滞环瞬时控制方式有以下特点

1)控制方法简单，实时控制，电流回应快； 2)没有斩波，输出电压中不含特定频率的谐波分量； 3)若滞环的宽度固定，电流跟踪的误差范围就会固定，但电力开关器件的开关频 率是变化的，这将导致电流频谱较宽，增加了滤波器设计的难度，可能会引起间 接的谐波干扰。 Vref PI Vout I* i* PWM波 Sin(ωt ) i out 图 2-5 电流滞环瞬时控制方式示意图 (2)固定开关频率控制方式 固定开关频率控制方式在保留电流跟踪的动态性能好的基础上， 克服了滞环 控制的开关频率不固定的缺点，控制框图如图 2-6 所示。这种控制方法与电流滞 环控制的区别在于从电流误差信号得到最终控制逆变器的 PWM 信号的方式不 同。该控制技术的基本思想是：对给定参考电压 Vref 和逆变器输出电压 Vout 回馈 误差信号经电压调节器后得到逆变器输出电流参考控制信号， 然后根据电流参考 信号和逆变器回馈电流的误差经过比例放大和三角波进行交截可得到正弦脉宽 调制(SPWM)信号，控制功率器件的导通或关断。由此可知，该方法中逆变器开 关器件的工作频率等于三角波载波频率，因此它的工作频率是固定的。由于载波 频率固定，因此逆变器输出谐波是固定的，滤波器设计相对于电流滞环瞬时控制 方式控制简单，控制效果较好。 Vref I* i* 三角波 iout PI Vout Sin(ωt) 图 2-6 固定开关频率电流控制示意图 本文采用第一种方式讨论即电流滞环控制方式。

电流控制方式又可分为间接电流 控制和直接电流控制。

间接电流控制以电压向量图为基础，基波压向量可由图2-7表示，它表示出 了逆变器的输电压U。

、输出电流i以及电网电压UN之间的系。利用控制手段使逆 变器的输出电流J。始和电网电压UN同向，使输出功率因子为1。对出电流的控制 包括幅值控制和相位控制，设逆变输出功率为P，由三角函数关系可知 tanβ = PωL / U 2 N (2-1) 可见在电感数值和电网电压确定的条件下，依据给定的功率，可以确定超前 角度，即可以确定逆变器控制信号的相位。输出电压满足 U S = U N / cos β 对于SPWM逆变器来说，输出电压基波满足 U S = mU d / 从而调制比可得 m= 2U N / U d cos β (2-4) 2 (2-2) (2-3) 通过实时改变调制比例，根据式可以达到控制输出电压U。幅值，并最终调 整并网电流 i N 的目的 β β 图 2-7 电压向量图 直接电流控制是一种电流跟踪控制方式[25]，通常采用电压外环、电流内环的 双环控制模式， 这类电流型控制技术是检测并将电感电流或功率开关电流作为电 流内环的回馈信号与电压外环的输出信号(电流给定)经比较器比较后， 去控制功 率开关的占空比， 使功率开关的峰值或谷值电流直接跟随电压反馈回路中误差放 大器输出信号的变化。它具有电流波形好，动态响应速度快，稳定性好，调节性 能好等优点。目前有多种控制方式，它们都是PWM非线性控制方法，主要有瞬时 值滞环比较方式、定时比较方式和三角波比较方式。

图2-5所示的瞬时值滞环比较方式，把电流考值与实际输出电流相比较，偏 差经过滞环比较产生控制逆变桥各开关管通断的PWM信号，去触发或关断主电路 功率开关器件，使输出电流围绕着给定的正弦波电流作锯齿形变化，从而控制电 流的变化。这种方式硬件电路简单，具有电流跟踪精度高，响应速度快、鲁棒性 强等优点。如果逆变器的开关器件有足够的开关频率，则逆变器的输出电流就能 很快地调节其幅值和相位，使逆变器的输出电流得到高质量的动态控制。但是缺 点也很明显，即电力半导体开关频率是变化的，使滤波器设计困难。尤其是当电 流变化范围较大时，一方面，在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误 差过大；另一方面，在电流值大的时候，固定的滞环宽度会使跟踪误差增大或使 器件的开关频率过高， 甚至会超过器件允许的最高工作频率而导致器件损坏和逆 变器工作失效。解决此问题可以采用滞环宽度跟踪电流增量的变化而自动调节， 但会使电路结构变得复杂。滞环调制方式又分两态调制和三态调制两种。两态调 制只有输入能量和回馈能量两个状态； 而三态调制除了输入能量和回馈能量两个 状态外，另有续流状态，在相同开关频率下电流脉动比两态调制时小。 DC i* + AC it 滞环比较器 图 2-8 电流滞环控制框图 图2-9所示的三角波比较方式 [26] ，将指令信号与回馈信号比较后得到的电流 误差，经过放大器之后，与三角波进行比较，目的是将电流误差控制为最小。放 大器经常采用P1调节器。这种方法可以视为SPWM法和瞬时值滞环比较法的组合， 综合了二者的优点。但该方法跟踪误差较大，开关频率固定，跟踪速度较慢，输 出含有与三角波相同频率的谐波，电路结构比较复杂。 i* + it 放大器 + PWM信号 - 图 2-9 三角波比较框图 目前，在逆变控制技术中，模拟控制技术还占有相当重要的地位。但是，随 着微处理器和数字信号处理器的发展，数字电路硬件成本的不断降低，出现了许 多新的控制方法，数字元元化PWM控制方式具有更加广泛的应用前景，相继出现 了无拍差PWM技术，滑模变结构控制法，重复控制方式，瞬时值回馈控制技术[7]， 它们在传统方法上有了很大进步，有着各自的优势，但同样有各自的局限性。本 文在仿真过程中采用的是电流滞环控制结构。 2.4 并网逆变器电路结构 2.4.1 低频环节并网逆变器 低频环节并网逆变器电路结构如图 2-10 所示，该电路结构由工频或高频逆 变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成。

此类低频环节并网逆变器具有电路结构简洁、双向功率流、单级功率变换、 高效率等优点，同时具有变压器体积和重量大、音频噪音大等缺点。 L C 工频或高 频逆变器 工频变压器 滤波器 L C 滤波器 图 2-10 低频环节逆变器 2.4.2 高频环节并网逆变器 电路结构 L 整流器 高频变压器 滤波器 滤波器 电网 工频逆变 桥 L DC 太阳能电池 C 高频逆变 器 图 2-11 高频环节逆变器 高频环节并网逆变器电路结构如图 2-11 所示，该电路结构由高频逆变器、 高频变压器、整流器、极性反转逆变桥以及输入、输出滤波器构成。

这类电路具有高频电气隔离、结构简洁、单向功率流、三级功率变换、直流 交换级工作在 SPWM、工频逆变桥功率开关电压应力低且为 ZVZCS 等特点，特别 是用于有源逆变场合。 2.4.3 非隔离型并网逆变器 电路结构 逆变器 DC DC/DC C L C2 滤波器 直流升压变压器 图 2-12 非隔离型逆变器 非隔离型并网逆变技术使用的拓扑相对较少， 在本文用 PSCAD 仿真实验中用 此种方法。在一些国家都要求有变压器隔离才可以并网工作。如图 2-12 所示， 通常需要通过无变压器隔离的 DC/DC 变换器将很低的输入电压变换为高压输出 供逆变桥使用。其应用电路如图 2-13 所示的是一种 boost 升压型电路。 L C C1 e 图2-13 boost 升压电路 综上所述，本文中以较为简便的非隔离型逆变器图 2-12 为模板进行 PSCAD 仿真。 2.5 PWM 和滞环介绍以及其原理 2.5.1 PWM 介绍 在采样控制理论中有一个重要的结论

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同， 。冲量即指 窄脉冲的面积。这里所说的效 果基本相同，是指缓解的输出相应波形基本相同。如果把个输出波形用傅立叶变 换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

用一系列的等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。把图 2-14(a)的正弦半 波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲序列所组成的 波形。这些脉冲宽度相等，都等于 π /N，但幅值不相等，且脉冲顶部不是水平直 线，二是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数 量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替， 使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中 点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这样就得到图 2-14作文(b)所示的脉冲序列。这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲的复制相等，而 宽度是按正弦规律变化的。

根据面积等效原理， PWM 波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度 按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM(Sinusoidal PWM)波 形。

PWM 波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种。直流斩波电路的 PWM 波室友直流电源产生的，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此 PWM 波 是等幅的。 4 3 2 1 3 2 1 1 2 3 4 3 2 1 图(a) 正弦半波 图(b) 脉冲序列 图 2-14 用 PWM 波代替正弦半波 2.5.2 PWM 的控制方法 PWM 的控制方法主要有计算法和调制法两种，本文主要介绍调制法，即把 希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制 得到所期望的 PWM 波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三 角形应用最多。

因为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对 称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开 关器件的通断进行控制就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合 PWM 控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是 SPWM 波形，这种 情况应用最广。当调制信号不是正弦波，二是其它所需要的博形式，也能得到与 之等效的 PWM 波。下面结合具体电路对调制法做进一步的说明。

图 2-15 是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。设负载为 阻感负载，工作室 V1 和 V2 的通断状态互补，V3 和 V4 的通断状态也是互补的。

具体的控制柜率如下：在输出电压 uo 的正半周，让 V1 保持通态，V2 保持断态， V3 和 V4 交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压的正半周，电流有一 段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1 和 V4 导通时，负载电 压 uo 等于直流电压 Ud；V4 关断时，负载电流通过 V1 和 VD3 续流，uo=0。在负 载电流为负的区间， 仍为 V1 和 V4 导通时， io 为负， io 实际上从 VD1 和 VD4 因 故 流过，仍有 uo=Ud；V4 关断，V3 开通后，io 从 V3 和 VD1 续流，uo=0。这样，uo 总可以得到 Ud 和零两种电平。同样在 uo 的负半周，让 V2 保持通态，V1 保持断 态，V3 和 V4 交替通断。负载电压 uo 可以得到-Ud 和零两种电平。 VD1 + Ud V1 VD3 V3 UO - V2 VD2 V4 VD4 信号波 Ur 调制 电路 载波 Uc 图 2-15 单相桥式 PWM 逆变电路 图 2-16 单极性 PWM 控制方式波形 控制 V3 和 V4 通断的方法如图 2-15 所示。调制信号 ur 为正弦波，载波 uc 在 ur 的正半周为正极性的三角波，在 ur 的负半周为负极性的三角波。在 ur 和 uc 的 交点时刻控制 IGBT 通断。在 ur 的正半周，V1 保持通态，V2 保持断态，当 ur>uc 时使 V4 导通，V3 关断，uo=Ud；当 ur<uc 时使 V4 关断，V3 导通，uo=0。在 ur 的 负半周，V1 保持断态，V2 保持通态，当 ur<uc 时使 V3 导通，V4 关断，uo= -Ud； 当 ur>uc 时使 V3 关断，V4 导通， uo=0。这样，就得到了 SPWM 波形 uo。图中 的虚线 uof 表示 uo 中的基波分量。

像这种在 ur 的半个周期内三角波载波只在正极 性或负极性一种极性范围内变化， 所得到的 PWM 波形也只在单个极性范围内变 化的控制方式称为单极性 PWM 控制方式。 2.5.3 滞环比较方式 基本原理

把指定电流 i*和实际输出电流 i 的偏差 i*-i 作为滞环比较器的输入，比较器 输出控件 V1 和 V2 的通断。V1(或者 V2)通时，i 减小。通过环宽为 2DI 的滞环 比较器的控制，i 就在 i*-DI 范围内呈锯齿状跟踪指令电流 i*。

滞环环宽对跟踪性能的影响：环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽 过窄时跟踪误差小，但开关频率过高。

电抗器 L 的作用：L 大时，i 的变化率小，跟踪慢。L 小时，i 的变化率大， 跟踪快，开关频率过高。 U d /2 Ud /2 L 负载 VD1 i V1 + i* V2 VD2 i 图 2-17 滞环比较方式电流跟踪控制举例 图 2-18 滞环比较方式的指令电流和输出电流 采用滞环比较方式的电流跟踪型 PWM 变流电路有如下特点 （1）硬件电路简单 （2）实时控制，电流响应快 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波 （4）与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量多 （5）闭环控制，是各种跟踪型 PWM 变流电路的共同特点 2.6 PI 参数的设计 在理论分析上本文采用双闭环控制结构，需要用到 PI 调节，为获取理想的 动态稳定性，并实现系统的快速响应，将系统设计为一个二阶系统，我们用二阶 最佳工程设计法[16]对 PI 调节器参数进行整定。

二阶闭环系统闭环传递函数一般形式为： G(s) = 1 T1 s + T2 s + 1 2 (T1 < T2) （2-5） 根据控制理论， 使二阶系统的输出获得理想的动态品质， 即该系统的输出量 快速完全跟踪给定量，可推导出二阶品质最佳系统的开环传递函数为： G0 ( s ) = 1 2T1 s(1 + 2T2 s 2 ) （2-6） 式 3-6 即为二阶品质最佳的基本公式。

从快速性和稳定性角度来看， 用数字 信号处理器 DSP 对逆变器系统进行动态校正， 就是要求 DSP 与逆变器系统一起组 成的闭环系统具有二阶最佳设计的基本形式。

令 PI 调节器传递函数为： KP s +1 KPs + KI KI G1 ( s ) = = s s KI （2-7） 其中，KP 为调节器的比例放大系数；KI 为积分时间常数。为使调节器抵消并 网逆变器系统中较大的时间常数 KP L = KI RL L ，可选择 RL (2-8） 于是可得控制系统的开环传递函数为： KP 1 s +1 aK PWM 1 K RL G ( s ) = G1 ( s )W ( s ) = I * * = s RL TPWM s + 1 L s + 1 s (1 + TPWM s ) KI RL aK PWM K I （2-9） 比较(2-9)与(2-6)的系数得 RL aK PWM K I = 2T1 TPWM = 可得 1 2T1 2 (2-10) KI = RL 2aK PWM TPWM （2-11） ，得 带入(2-8） KP = L 2aK PWM TPWM （2-12） 校正后系统的开环传递函数为 I 型系统，其形式为： G ( s) = 闭环传递函数为： GC ( s ) = 1 2TPWM s (TPWM s + 1) （2-13） G ( s) 1 = 1 + G ( s ) 1 + 2TPWM s + 2TPWM 2 s 2 （2-14） 该电流跟踪控制环节的设计核心基于传统的 PI 控制技术，属于经典控制理 论的范畴。PI 参数的整定建立在逆变器传递函数模型确定的基础上，式（2-14） 给出的逆变器传递函数是一种经验模型，因此，给出的 PI 参数的计算值是一种 理论指导值，实际调试中因为小时间常数、分布参数的影响，需对 PI 的参数值 予以适当调整。 3 PSCAD 介绍以及仿真 3.1 PSCAD 介绍 程序 EMTDC（Electro Magnetic Transient in DC System）是目前世界上被广 泛使用的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能 工具。

PSCAD Power （ 完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能 Versatile Tool） （ 是 用户在面板上可以 System Computer Aided Design） EMTDC 的前处理程序[27]， 构造电气连接图， 输入各组件的参数值， 运行时则通过 FORTRAN 编译器进行编 译、连接，运行的结果可以随着程序运行的进度在 PLOT 中实时生成曲线，以检 验运算结果是否合理，并能与 MATLAB 接口。EMTDC/PSCAD 主要功能是进行 电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化 时，电参数随时间变化的规律；另外 EMTDC/PSCAD 还可以广泛的应用于高压 直流输电、FACTS 控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件 还可以作为实时数字仿真器 Real Time Digital Simulator， （ RTDS） 的前置端(Front End)。此外，EMTDC/PSCAD 还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的 需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于 EMTDC/PSCAD 软件的测试系统，它可以结合 EMTDC/PSCAD 计算产生的结果（信号）来测试 继电保护系统、控制系统及监控系统。 PSCAD/EMTDC 在时间域描述和求解完整的电力系统及其控制的微分方程 (包括电磁和机电两个系统)。这一类的模拟工具不同于潮流和瞬时视定的模拟工 具。后者是用稳态解去描述电路(即电磁过程)。但是在解电机的机械动态(即转动 惯量)微分方程。PSCAD/EMTDC 的结果是作为时间的实时值被求解。但通过内 置的转换器和测量功能(实有效值表计，或者快速傅里叶变换频谱分析等)。这些 结果能被转换为向量的幅值和相角。

实际系统的测量能够通过很多途径来完成。

由于潮流和稳定的程序是通过稳 定方程来代表，它们只能基频段幅值和相位。因此 PSCAD 的模拟结果能够产生 电力系统所有频率的相应，限制仅在于用户自己选择的时间步长。这种时间步长 可以在毫秒到秒之间变化。

现在新版的 EMTDC/PSCAD 不但有工作站版（Workstation） ，而且有微机版 （PC 版）,其大规模的计算容量、完整而准确的组件模型库、稳定高效率的计算 内核、友好的接口和良好的开放性等特点，已经被世界各国的科研机构、大学和 电气工程师所广泛采用。我国清华大学、浙江大学、中国电力科学研究院和南京 自动化研究所等都相继引进了 EMTDC/PSCAD、RTP 和 RTDS。 MATLAB 虽然使用很方便，但所得出的仿真结论在行业内的认可程度很低[28]。 而 EMTDC/PSCAD 因拥有完整全面的组件库，稳定的计算流程，友好的图形接 口，使它在全世界得到了广泛的应用。在我国国内，电磁瞬时程序中用的最多的 也是 PSCAD。 3.2 PSCAD 平台逆变的仿真 3.2.1 PSCAD 基本元件库 （1）主元件库 主元件库如图 3-1 所示，在 Main 下双击名称，工作区则显示库中包含的元 件，复制到项目工作区即可。每个元件库对应的元件模型见图下。 图 3-1 Master Library 库 Passive：电阻、电感、电容，三相负荷以及 RLC 组成的无源滤波支路。

Sources：单相和三相电压源、电流源、多相谐波源。

Meters：测量元件库，电压电流及功率测量仪表。

I/O Devices：输出通道、波形显示及各种输入输出控制开关等。

Transformers：单相或三相(耦合或理想)变压器(双绕组和三绕组)。

Breakers Faults：单相或三相逻辑控制断路器和故障模型。

Tlines：输电线的分布参数模型。

Cables：电缆模型。

PI sections：输电线的Π型等值线路。

Machines：各种电机，包括汽轮机、水轮机等。

HVDC_FACTS_PE：高压直流输电和灵活交流输电模型库。

CSMF：各种控制模块和计算模块。

Miscellaneous：杂项，包括数据标签、多维信号输入、信号分离等。

Logical：逻辑电路库，包含常见的逻辑控制单元。 Sequencer：信号或命令发生器。

Protection：继电器和继电保护单元。

Imports Exports Labels：输入输出标签。

Data Recorders-Readers：其它运行信息或记录的波形可以通过此输入到当前例 中。

（2）元件库栏 元件库栏中是简单的元件模型，如图 3-2 所示，图中标出了较常用的元件模 型。 图 3-2 元件库栏 连接线是连接同一节点处的元件，不能作输电线；电流表两端接入电路中， 测量相电流；线电压表接于两相之间；相电压表接在一相上；功率表两端接入电 路中；输电线路有架空线和电缆；接口作为输电线的终止端点连接输电线和其他 元件；提取信号是从元件引脚接出信号或将一个多维信号一个一个分离出来；聚 合是将多维信号接在一个引脚上；信号标签给信号命名；整常数和实数用于给变 量或引脚赋值；输出通道是将所有需要输出或显示的量都要通过此接出；控制开 关包括滑动触头(slider)、开关(switch)、按钮(button)及调节控制盘(dial), 运行中可以在线控制参数值；图表框显示波形图。 3.2.2 建模过程 库中没有的组件或模块需要自己创建，新建组件或模块的步骤如下：点工 具栏中的（New compenent）图示，出现如图 3-3 对话框 ： 图 3- 3 定义的模块名显示在例子下的 definition 中，必须要填，工作区显示的名 称相当于组件的标题，两个名称最好一样，以便对应；输入输出引脚是模块上下 左右伸出的连接线数；Page Module 选上是用电气网络图设计，所建的模块双击 可直接进入下一层绘制电气连接图， 这主要用于设计复杂系统时若一层工作区不 好画或画不完，则将系统按节点分为几个模块，先建立模块，双击每个模块在下 一层画相应节点图，然后将模块连接起来；不选是用语言编写，不能双击打开， 要点右键选 Edit definition，然后在工作区窗口切换栏中选 scrip，出现编程 接口，用 C 语言或 FORTRAN 语言编程，这主要用于创建一个有某种具体功能的组 件。设置好后点“下一步”出现如图 3-4 界面。 图 3-4 图 3-4 设置引脚是输入还是输出，以及输入输出信号的数据类型，引脚 信号维数是指包含几个量，如图 3-5 中 v1（2）则表示 v1 引脚输入必须是两个 量，即 2 维。点下一步依次设置好各引脚。 图 3- 5 单击“下一步”出现图 3-6 界面。 图 3-6 点击完成， 则创建新模块成功。

新建模块如图 3-7 中所示的 stcompare 模块， 组件创建后，若要修改引脚和参数，选中组件点右键，在下拉菜单中选 Edit definition，出现编辑接口如图 3-7 所示可进行编辑。 图 3-7 新建模块 还可以点工具栏中图示（Creat a default module），直接出现默认模块， 再进入上述编辑接口进行编辑，其中编写的 fortran 语言见附录。 3.2.2 基于 PSCAD 逆变的主电路 图 3-8 逆变电路主电路 本电路图 3-8 中，输入的直流电能为太阳能等可再生能源，输出端为电网电 压，其中 G1、G3 和 G2、G4 各组成一对桥臂。当电路正常工作时，两对桥臂只 能导通一对。本电路的输入直流电压为 500V，电网电压有效值为 220V，电感为 0.003H，频率为 50HZ。本电路的控制电路模块主要有获取网侧相角电路、相位 比较电路、IGBT 控制导通电路等。其中获取网侧相角电路原理图图 3-8。 3.2.3 逆变电路的控制电路 图 3-9 逆变电路控制电路 图 3-9 网侧相角电?原?图 其中 Un 为电网电压，theta 为测得的电压相位 角，本电?工作原?如下

Un 经过 PLL 芯片后测得电网电压的相位角，仿真后获取的 Un 波形，theta 以及 sinwt 波形情况图 3-10,图 3-11 所示： 图 3-10 Un 波形图 图 3-11 theta 与 sinwt 波形图 图 3-12 相位比较电路原理图 其中 sin（wt）为输入的参考电压的电流相位角，In 为实际输出电路电流的 相位角，0.5 代表输入电压参考值 500V，电压与电流经过相位比较得出需要控制 关断的桥臂，从而得到两者输出的相位角相同，减少谐波对电网的危害，使有功 功率达到最大。 图 3-12 是 PSCAD 的滞环控制模块仿真图，将并网电流 In 与参考电流 Iref 进行比较，得到两者的差值 dI 作为滞环比较器的输入，差值和滞环比较器的环 宽进行比较后产生 PWM 信号，驱动功率器件的通断，实现对并网电流的控制。滞 环比较器的输出为 f1 和 f2 分别控制开关管 VT1、VT4 和 VT2、VT3。 图 3-13 参考电流 Iref 波形图 图 3-14 并网电流 I n 波形图 图 3-15 滞环电流输入 dI 由图 3-12 可知，并网电流 In 与参考电流 Iref 进行比较，得到两者的差值 dI 和滞环比较器的环宽进行比较后产生 PWM 信号， 驱动功率器件的通断。

3-17 图 为将并网电流 In 与参考电流 Iref 进行比较并得到控制功率器件通断的波形图， 经验证仿真结果和理论分析相同。 图 3-16 参考电流 Iref 图 3-17 滞环比较器输出f2 图 3-18 滞环控制模块仿真图 

第一篇:光伏逆变

光伏逆变器的概述： 一：逆变器的概述： 通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称 为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路， 把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。

与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过 程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电 路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变 器。 光伏逆变器产品发展历程： SMA是全球最早生产光伏逆变器的生产企业，占全球市场33%左右的市场 份额，为全球光伏逆变器领军企业，其产品发展历程具有一定的代表性。 SMA公司光伏逆变器产品发展情况 国内外技术对比分析： 目前我国在小功率逆变器上与国际处于同一水平，在大功率并网逆变器 上，合肥阳光电源大功率逆变器2005年已经批量向国内、国际供货。该公司 250KW、500KW等大功率产品都取得了国际、国内认证，部分技术指标已经 超过国外产品水平，并在国内西部荒漠、世博会、奥运场馆等重点项目上运 行，效果良好。 光伏逆变器供应企业 国内逆变器的主要生产企业 光伏逆变器的分类： 光伏逆变器按宏观可分为

1.普通型逆变器 2.逆变/控制一体机 3.邮电通信专用逆变器 4.航天、军队专用逆变器 １．按逆变器输出交流电能的频率分

（1）工频逆变器 工频逆变器的频率为５０～６０Ｈｚ的逆变器 （2）中频逆器 中频逆变器的频率一般为４００Ｈｚ到十几ｋ Ｈｚ （3）高频逆变器 高频逆变器的频率一般为十几KＨｚ到ＭＨｚ。 ? 按逆变器输出的相数分可分为

（1）单相逆变器 （2）三相逆变器 （3）多相逆变器 ? 按照逆变器输出电能的去向分可分为

（1）有源逆变器 （2）无源逆变器 ? 按逆变器主电路的形式分可分为

（1）单端式逆变器 （2）推挽式逆变器 （3）半桥式逆变器 （4）全桥式逆变器 ? 按逆变器主开关器件的类型分可分为

（1）晶闸管逆变器 （2）晶体管逆变器 （3）场效应逆变器 （4）绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器 ? 按直流电源分可分为

（1）电压源型逆变器（VSI） （2）电流源型逆变器（CSI） ? 按逆变器控制方式分可分为

（1）调频式（PFM）逆变器 （2）调脉宽式（PWM）逆变器 ? 按逆变器开关电路工作方式分可分为

（1）谐振式逆变器 （2）定频硬开关式逆变器 （3）定频软开关式逆变器 l 按逆变器输出电压或电流的波形分可分为

（1）方波逆变器 方波逆变器输出的电压波形为方波，此类逆变器所使用的逆变电 路也不完全相同 ，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关 数量 很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。

方波逆变器的优点是：线路简单，维修方便，价格便宜。

缺点是方波电压中含有大量的高次谐波，在带有铁心电感或变压 器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机 和某些通讯设备有干 扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪 声比较大等缺点。 （2）阶梯波逆变器 此类逆变器输出的电压波形为阶梯波。逆变器实现阶梯波输出也 有多种不同的线路。输出波形的阶梯数目差别很大。

阶梯波逆变器的优点是 ：输出波形比方波有明显改善 ，高次谐波 含量减少，当阶梯达到17个以上时输出波形可实现准正弦波，当采用 无变压器输出时整机效率很高。

缺点是阶梯波叠加线路使用的功率开关较多，其中还有些线路形 式还要求有多组直流电源输入。这给太阳能电池方阵的分组 与 接线 和蓄电池的均衡充电均带来麻烦 。此外阶梯波电压对收音机和某些通 讯设备仍有一些高频干扰。 （3）正弦波逆变器 正弦波逆变器输出的电压波形为正弦波 正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度很低，对收音机及通讯设备 干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全，整机效率高。

缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高 ，价格昂贵。 按隔离方式光伏逆变器可分为

1 （1）独立光伏系统逆变器 独立逆变器包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信 信号电源，阴极保护，太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统。 （2）并网光伏系统逆变器 ? 并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。通过光伏 组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过 逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。 ? 逆变器的特点： 逆变器的主要特点包括： ? （1）要求具有较高的效率 由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提 高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。 ? （2）要求具有较高的可靠性 目前光伏电站系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就 要求逆变器有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种 保护功能，如 ：输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热、过载保 护等。 ? （3）要求输入电压有较宽的适应范围 由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。特别是当蓄电 池老化时其端电压的变化范围很大，如12V的蓄电池，其端电压可能在 10V~16V之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常 工作。 光伏逆变器的工作原理： 逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力 电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。 逆变器简单原理图 几种逆变技术分析 1.低频环节逆变技术 此技术可以分为：方波逆变、阶梯合成逆变、脉宽调制逆变三种， 但这三种逆变器的共同点都是用来实现电器隔离和调整变压比的变压器 工作频率等于输出电压频率，所以称为低频环节逆变器，该电路结构由 工频或高频逆变器、工频变压器以及输入、输出滤波器构成，如图1 所 示，具有电路结构简洁、单级功率变换、变换效率高等优点，但同时也 有变压器体积和重量大、音频噪音大等缺点。 图1 低频环节逆变原理图 2.高频环节逆变技术 高频环节逆变电路如图2 所示，就是利用高频变压器替代低频变压器 进行能量传输、并实现变流装置的一、二次侧电源之间的电器隔离，从而 减小了变压器的体积和重量，降低了音频噪音，此外逆变器还具有变换效 率高、输出电压纹波小等优点。此类技术中也有不用变压器隔离的，在逆 变器前面直接用一级高频升压环节，这级高频环节可以提高逆变侧的直流 电压，使得逆变器输出与电网电压相当，但是这样方式没有实现输入输出 的隔离，比较危险，相比这两种技术来讲，高频环节的逆变器比低频逆变 器技术难度高、造价高、拓扑结构复杂。 图2 高频环节逆变原理图 单相逆变电路拓扑的介绍： 实现逆变有很多种典型的电路拓扑，主要有推挽逆变拓扑、半桥 逆变拓扑、全桥逆变拓扑三种，下文将对这三种拓扑进行介绍。 推挽逆变拓扑： 图3 所示的推挽电路只用两个开关元器件，比全桥电路少用了 一半的开关器件，可以提高能量利用率，另外驱动电路具有公共地， 驱动简单，适用原边电压比较低的场合，但由于本身电路的结构特点， 推挽电路拓扑无法输出正弦电压波形，只能输出方波电压波形，适用 于1KW 以下的方波电压方案。 图 3 推挽逆变原理图 半桥逆变拓扑： 图4 所示的半桥逆变电路，其功率开关元器件也比较少，结构简单， 但主电路交流输出的电压幅值仅为ui/2，在同等容量下，其功率开关的额 定电流为全桥逆变电路中的功率元器件额定电流的2 倍，由于分压电容 的作用，该电路还具有较强的抗电压输出不平衡能力。 图 4 半桥逆变原理图 全桥逆变拓扑： 图5 所示的全桥逆变电路，使用了4个开关元器件，开关端电压为 Ui，在相同的直流输入电压下，其最大输出电压是半桥逆变电路的两 倍。这就意味着在输出相同功率的情况下，全桥逆变器输出电流和通 过开关元器件的电流均为半桥逆变电路的一半，但驱动电路相比于前 面两种来得复杂。 图 5 全桥逆变电路 并网逆变器的电路结构： 上图 为并逆变器内部功能模块框图。光伏输入在逆变器直流侧汇 总，升压电路将输入直流电压提高到逆变器所需的值。MPP 跟踪器 保证光伏阵列产生直流电能能最大程度地被逆变器所使用。IGBT 全 桥电路将直流电转换成交流电压和电流。保护功能电路在逆变器运行 过程中监测运行状况，在非正常工作条件下可触发内部继电器从而保 护逆变器内部元器件免受损坏。 逆变器的控制方案： 逆变器的控制方法主要有采用经典控制理论的控制策略和采用现代控 制理论的控制策略两种。 （1）经典控制理论的控制策略 1、电压均值反馈控制 他是给定一个电压均值，反馈采样输出电压的均值，两者相减得到一个 误差，对误差进行PI调节，去控制输出。他是一个恒值调节系统，优点是 输出可以达到无净差，缺点是快速性不好。

2、电压单闭环瞬时值反馈控制 电压单闭环瞬时值反馈控制采用的电压瞬时值给定，输出电压瞬时值反 馈，对误差进行PI调节，去输出控制。他是一个随动调节系统，由于积分 环节存在相位滞后，系统不可能达到无净差，所以这种控制方法的稳态误 差比较大，但快速性比较好。

3、电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制方法 由于电压瞬时值单闭环控制系统的稳态误差比较大，而电压均值反馈 误差比较小，可以再PI控制的基础上再增设一个均值电压反馈，以提高系 统的稳态误差。 4、电压电流双闭环瞬时控制 电压单闭环控制在抵抗负载扰动方面的缺点与直流电机的转速单闭环 控制比较类似，具体表现在只有当负载（电流、转矩）扰动的影响最终在 系统输出端（电压、转速）表现出来后，控制器才开始有反应，基于这一 点，可以再电压外环基础上加一个电流内环，利用电流内环快速，及时的 抗扰性来抑制负载波动的影响，同时由于电流内环对被控对象的改造作用， 使得电压外环调节可以大大的简化。 （2）现代控制理论的控制策略： 1、多变量状态反馈控制 多变量状态反馈控制的优点在于可以大大改善系统的动态品质，因为 它可以任意的配置系统的极点，但是建立逆变器的状态模型时很难将负载 的动态特性考虑在内，所以，状态反馈只能针对空载或假定负载进行，对 此应采用负载电流前馈补偿，预先进行鲁棒性分析，才能使系统有好的稳 态和动态性能。

2、无差拍控制 无差拍控制的基本思想是将给定的正弦参考波形等间隔的划分成若干 个周期，根据每个采样周期的起始值采用预测算法计算出在采样结束时 负载应输出的值，通过合理计算这个值的大小使系统输出在采样周期结束 时与参考波形完全重合，没有任何相位和幅值偏差。

3、滑模变结构控制 滑模变结构控制是一种非线性的控制方法。他的基本思想是利用某种 不连续的开关控制策略来强迫系统的状态变量沿着某一设计好的滑模面运 动。滑模变结构控制的优点是对系统参数变化和外部扰动不敏感，具有较 强的鲁棒性。然而，对逆变电源系统来说，要确定一个理想的滑模面是很 困难的。并且，在用数字式方法来实现这种控制方式时，开关频率必须足 够高。

4、模糊控制 模糊控制属于智能控制的范畴，与传统的控制方式相比，智能控制最大 的优点是不依赖于系统的数学模型，它是控制理论发展的高级阶段，主要 用来处理哪些对象不确定性，高度非线性的问题。

5、重复控制 重复控制是根据内膜原理，对指令和扰动信号均设了一个内膜，因此可 以达到输出无净差，缺点是：动态响应比较慢，且需要比较大的内存。 正弦脉宽调制技术： 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论 基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值 相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也可以改变输出频率。

如果把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包 围的面积，用与它等面积的等高而不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点 与正弦波每一等分的中点重合，根据冲量相等，效果相同的原理，这样的一 系列的矩形脉冲与正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周也可以用同样的 方法得到PWM波形。像这样的脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形就是SPWM波。

SPWM 有两种控制方式，一种是单极式，一种双极式，两种控制方式 调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的 幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样，采用单极式控 制时，正弦波的半个周期内每相只有一个开关元器件开通或关断，而双极式 控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补工作方式，双 极式比单极式调制输出的电流变化率较大，外界干扰较强。 单相桥式SPWM 逆变电源采用单极式倍频调制方式时的输出SPWM 波 形如图6 所示，它是采用2个相位相反的而幅值相等的三角波与一正弦波 相比较，可看成将三角载波进行全波整流（将虚线三角波沿X 轴往上翻）, 再由正弦波进行调制，得到了2 个二阶SPWM 波，使2 个二阶SPWM 波相 减，就可得到三阶SPWM 波，即在调制波正半周，三阶SPWM 波主要由 Ug1 和Ug3 相减得到，在调制波的负半周，三阶SPWM 波主要由Ug2 和 Ug4 相减得到。 图6单极性倍频式SPWM 控制波形 光伏阵列工作点跟踪控制： 光伏阵列工作点的控制主要有恒电压控制（CVT）和MPPT这2种 方式。

CVT是通过将光伏阵列端电压稳定于某个值的方法, 确定系统功率 点。其优点是控制简单, 系统稳定性好。但当温度变化较大时, CVT方 式下的伏阵列工作点将偏离最大功率点。

MPPT是当前较广泛采用的光伏阵列功率点控制策略。它通过实 MPPT 时改变系统的工作状态, 跟踪阵列的最大工作点, 从而实现系统的最大 功率输出。它是一种自主寻优方式, 动态性能较好,但稳定性不如CVT。

其常用方法有“ 上山”法、干扰观察法、电导增量法等。

现在对MPPT的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上, 如 最优梯度法、模糊逻辑控制法、神经元网络控制法等, 也都取得了较 显著的跟踪控制效果。 逆变器对于孤岛效应的检测及控制： 逆变器直接并网时, 除了应具有基本的保护功能外, 还应具备防孤 岛效应的特殊功能。从用电安全与电能质量考虑, 孤岛效应是不允许 出现的；孤岛发生时必须快速、准确地切除并网逆变器， 由此引出了 对于孤岛效应进行检测的控制。

孤岛效应的检测一般分成被动式与主动式。被动式检测是利用电 网监测状态如电压、频率、相位等作为判断电网是否故障的依据。如 果电网中负载正好与逆变器输出匹配, 被动法将无法检测到孤岛的发 生。主动检测法则是通过电力逆变器定时产生干扰信号, 以观察电网 是否受到影响作为判断依据, 如脉冲电流注入法、输出功率变化检测 法、主动频率偏移法和滑模频率偏移法等。它们在实际并网逆变器中 都有所应用, 但也存在着各自的不足。当电压幅值和频率变化范围小 于某一值时, 频率偏移法无法检测到孤岛效应, 即存在“ 检测盲区。

输出功率变化检测法虽不存在“ 检测盲区” , 然而光伏并网系统受到 光照强度等影响, 其光伏输出功率随时在波动, 对逆变器加入有功功率 扰动, 将会降低光伏阵列和逆变系统的效率。为了解决这个问题, 光伏 并网的有功和无功综合控制方法经常被提出来。

随着光伏并网发电系统进一步的广泛应用, 当多个逆变器同时并网 时, 不同逆变器输出的变化非常大, 从而导致上述方法可能失效。因此, 研究多逆变器的并网通信、协同控制已成为其孤岛效应检测与控制的 研究趋势。 锁相环控制技术： 在光伏并网发电系统中， 需要实时检测电网电压的相位 和频率以控制并网逆变器， 使其输出电流与电网电压相位 及频率保持同步，即同步锁相。

同步锁相是光伏并网系统的一项关键技术， 其控制精确 度直接影响到系统的并网运行性能。倘若锁相环电路不可靠， 在逆变器与电网并网工作切换中会产生逆变器与电网之间的 环流，对设备造成冲击，缩短设备使用寿命，严重时还将损 坏设备。

目前，对基于DSP 的数字锁相环的应用较多。 光伏逆变器的主要技术指标： １．输出电压的稳定度 在光伏系统中，太阳电池发出的电能先由蓄电池储存起来，然后 经过逆变器逆变成220V或380V的交流电。但是蓄电池受自身充放电 的影响，其输出电压的变化范围较大，如标称12V的蓄电池，其电压 值可在10．8～14．4V之间变动(超出这个范围可能对蓄电池造成损 坏)。对于一个合格的逆变器，输入端电压在这个范围内变化时，其 稳态输出电压的变化量应不超过额定值的±5％，同时当负载发生突 变时，其输出电压偏差不应超过额定值的±10％。 ２．输出电压的波形失真度 对正弦波逆变器，应规定允许的最大波形失真度(或谐波含量)。

通常以输出电压的总波形失真度表示，其值应不超过5％(单相输出允 许l0％)。由于逆变器输出的高次谐波电流会在感性负载上产生涡流等 附加损耗，如果逆变器波形失真度过大，会导致负载部件严重发热， 不利于电气设备的安全，并且严重影响系统的运行效率。 ３．额定输出频率 对于包含电机之类的负载，如洗衣机、电冰箱等，由于其电机最佳 频率工作点为50Hz，频率过高或者过低都会造成设备发热，降低系统 运行效率和使用寿命，所以逆变器的输出频率应是一个相对稳定的值， 通常为工频50Hz，正常工作条件下其偏差应在±l％ 以内。 ４．负载功率因数 表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。正弦波逆变器的负载功 率因数为0．7～0．9，额定值为0．9。在负载功率一定的情况下，如 果逆变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面造成 成本增加，同时光伏系统交流回路的视在功率增大，回路电流增大，损 耗必然增加，系统效率也会降低。 ５．逆变器效率 逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之 比，以百分数表示，一般情况下，光伏逆变器的标称效率是指纯阻负载， 80％负载情况下的效率。

由于光伏系统总体成本较高， 因此应该最大限度地提高光伏逆变器的效率，降低系统成本，提高 光伏系统的性价比。目前主流逆变器标称效率在80％～95％之间，对小 功率逆变器要求其效率不低于85％。在光伏系统实际设计过程中，不但 要选择高效率的逆变器，同时还应通过系统合理配置，尽量使光伏系统 负载工作在最佳效率点附近。 6、额定输出电流(或额定输出容量) 表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。有些逆 变器产品给出的是额定输出容量，其单位以ＶＡ或ｋＶＡ表示。逆变器 的额定容量是当输出功率因数为１（即纯阻性负载）时，额定输出电压 为额定输出电流的乘积。 7、保护措施 一款性能优良的逆变器，还应具备完备的保护功能或措施，以应对 在实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件 免受损伤。 (1)输入欠压保户

当输入端电压低于额定电压的85％ 时，逆变器应有保护和显示。 (2)输入过压保户

当输入端电压高于额定电压的130％时，逆变器应有保护和显示。

(3)过电流保护

逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时 及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。当工作电流超过额定的150％ 时， 逆变器应能自动保护。

(4)输出短路保户 逆变器短路保护动作时间应不超过0．5s。

(5)输入反接保护

当输入端正、负极接反时，逆变器应有防护功能和显示。 (6)防雷保护

逆变器应有防雷保护。

(7)过温保护等。

另外，对无电压稳定措施的逆变器 ，逆变器还应有输出过电压防护措 施，以使负载免受过电压的损害。 8．起动特性 表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在 额定负载下可靠起动。 9．噪声 电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会 产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过８０ｄＢ，小型逆变器 的噪声应不超过６５ｄＢ。 光伏逆变器的简单选型： 逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负 荷下设备对电功率的要求。对于以单一设备为负载的逆变器，其额定 容量的选取较为简单。

当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于0．9时，选取逆变器 的额定容量为用电设备容量的1．1～1．15倍即可。同时逆变器还应 具有抗容性和感性负载冲击的能力。

对一般电感性负载，如电机、冰箱、空调、洗衣机、大功率水泵 等，在起动时，其瞬时功率可能是其额定功率的5～6倍，此时，逆变 器将承受很大的瞬时浪涌。针对此类系统，逆变器的额定容量应留有 充分的余量，以保证负载能可靠起动，高性能的逆变器可做到连续多 次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时需 采用软起动或限流起动的方式。

另外，逆变器还要有一定的过载能力，当输入电压与输出功率为 额定值，环境温度为25℃时，逆变器连续可靠工作时间应不低于4h； 当输入电压为额定值，输出功率为额定值的125％时，逆变器安全工 作时间应不低于lmin；当输入电压为额定值，输出功率为额定值的 150％时，逆变器安全工作时间应不低于10s 应用举例： 光伏系统中主要负载是150W 的电冰箱，正常工作时选择额定 容量为180w 的交流逆变器即能可靠工作，但是由于电冰箱是感性负 载，在起动瞬间其功率消耗可达额定功率的5～6倍之多，因此逆变器 的输出功率在负载起动时可达到800W，考虑到逆变器的过载能力， 选用500W逆变器即能可靠工作。

当系统中存在多个负载时，逆变器容量的选取还应考虑几个用电 负载同时工作的可能性，即“负载同时系数”。 光伏逆变器的安装注意事项及维护： 逆变器安装维修的注意事项： 1、在安装前首先应该检查逆变器是否在运输过程中有无损坏。

2、在选择安装场地时，应该保证周围内没有任何其他电力电子设备的干扰。

3、在进行电气连接之前，务必采用不透光材料将光伏电池板覆盖或断开直 流侧断路器。暴露于阳光，光伏阵列将会产生危险电压。

4、所有安装操作必须且仅由专业技术人员完成。

5、光伏系统发电系统中所使用线缆必须连接牢固，良好绝缘以及规格合适。

6、所有的电气安装必须满足当地以及国家电气标准。

7、仅当得到当地电力部门许可后并由专业技术人员完成所有电气连接后才 可将逆变器并网。 8、在进行任何维修工作前，应首先断开逆变器与电网的电气连接，然后 断开直流侧电气连接。

9、等待至少 5 分钟直到内部元件放电完毕方可进行维修工作。

10、任何影响逆变器安全性能的故障必须立即排除方可再次开启逆变器。

11、避免不必要的电路板接触。

12、遵守静电防护规范，佩戴防静电手环。

13、注意并遵守产品上的警告标识。

14、操作前初步目视检查设备有无损坏或其它危险状态。

15、注意逆变器热表面。例如功率半导体的散热器等，在逆变器断电后 一段时间内，仍保持较高温度。 光伏逆变器的安装流程： 逆变器的总体安装流程如图 3-1 所示，安装流程说明如表3-1 所示： 图3-1 安装流程 表3-1 安装流程说明 逆变器安装位置的要求： 1、勿将逆变器安装在阳光直射处。否则可能会导致额外的逆变器内部温 度，逆变器为保护内部元件将降额运行。甚至温度过高引发逆变器温 度故障。

2、选择安装场地应足够坚固能长时间支撑逆变器的重量。

3、所选择安装场地环境温度为-25°C ~ 50°C，安装环境清洁。

4、所选择安装场地环境湿度不超过 95%，且无凝露 5、逆变器前方应留有足够间隙使得易于观察数据以及维修。

6、尽量安装在远离居民生活的地方，其运行过程中会产生一些噪声。

7、安装地方确保不会晃动。 电气连接: 1、所有的电气安装必须符合当地电气安装标准。

2、确保交流侧和直流侧的断路器都处于断开状态。

3、在进行连接过程应选择不同颜色线缆以作区别。如正极连接器连接红 色线缆，负极连接器连接蓝色线缆。

4、为保证各路光伏组串之间的平衡，所选择的各路直流线缆应具有相同 的横截面积。

5、在光伏发电系统中，所有非载流金属部件和设备的外壳都应该接至大 地，如光伏模块的支架，逆变器外壳等。 配电系统的防雷与接地： 通讯连线： 单台逆变器通讯连接： 单台逆变器的通讯连接方法如下图所示，需将逆变器的 RS485 通 讯口接RS485/232 转换器，再连接到监控PC 机。 图 逆变器通过RS485-RS232 转换器与电脑连接 多台逆变器通讯连接： 单台或多台逆变器通过 RS485 标准串口与SunInfo Logger 数据采 集器进行通讯，与上位PC 机通讯，通过SunInfo Insight 光伏系统监 控软件进行监控。 图 多台逆变器通讯连接 通讯线连接步骤 ： 1、使用1 根双芯屏蔽电缆作为RS485 总线，在起始端串接一个120Ω电 阻。

2、 将逆变器RS485 连接通讯线缆，并引出接至RS485 总线 3.、按照步骤2 将所有的逆变器通讯端连接至RS485 总线。

4.、将RS485 总线连接至数据采集器RS485/RS232 转换器。 说明： 为了保证通讯质量，RS485 通讯线缆需采用双绞屏蔽线。

屏蔽线的屏蔽层连接后，在监控终端处采用单点接地的方式。 光伏逆变器的应用： 表 光伏逆变器国内主要的应用领域 国家体育馆 国家体育馆 国家体育馆 国家体育馆 国家体育馆 实例-国家体育馆 采用485总线通讯模式的通讯系统可采集气象和系统运行数据，并实现、 故障报警、远程监测和显示等功能。 世博会城市最佳实践区英国伦敦馆光伏系统设计及 应用: 世 博 会 伦 敦 馆 建 筑 示 意 图 太阳电池组件与楼顶、阳台、露台的完美结合 太阳电池组件与楼顶、阳台。露台的完美结合 伦敦馆并网光伏系统防雷示意图 光伏逆变器的发展前景： 并网光伏项目是光伏逆变器的主要应用领域，从项目建设地域来 看，项目主要集中在北京、西藏、深圳、上海等地，目前光伏发电项 目大多处于示范期，多集中在经济发达城市，随着技术的成熟和国家 政策的扶持，预计未来将向中西部光照资源丰富地区发展 。 2009年4月份以来，国家发改委的不同级别的领导多次表示将出 台新能源发展规划。各种媒体预测的新能源规划中，到2010 年光伏 发电总容量达到250MW，到2020年达到2000MW，将极大支持我国 光伏产业的发展。 按照这一发展目标，预计2009‐2010年国内光伏发电用逆变器 的市场规模将达到130MW左右。2011年以后，国内光伏逆变器的年 均需求量在100MW以上。 发展前景是非常好的！ 56 由于主讲人王智强的 水平有限，不足 之处在所 难免， 还望大家多多指教！ 谢谢大家！ 

第一篇:光伏逆变

光伏逆变原理及应用 主讲内容： 一、常见光伏并网逆变器的拓扑结构 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.1 效率 2.2 直流输入电压适应范围 2.3 可靠性（保护配置方式和种类） 2.4 并网电流谐波 2.5 逆变控制策略 2.6 最大功率点跟踪方式 2.7 锁相技术特点 2.8 孤岛效应检测技术 2.9 监控软件和附件 三、 阳光电源相关产品介绍 四、 相关业绩 一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 ? 光伏并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、计量 装置及配电系统组成。 ? 太阳电池产生直流电能。

通过光伏并网逆变器直接将电能转化为与电网同频、同 相的正弦波电流，馈入电网。 一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 ?直接逆变系统 ?工频隔离系统 一 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 ? 高频隔离系统 ? 高频升压不隔离系统 ? 多DC-DC（MPPT）、 单逆变系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.1 直接逆变系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 直接逆变系统的优缺点 优点： ?省去了笨重的工频变压器：高效率（>97%）、重量轻、结构简单。 成本低。 缺点

(1)太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压， 对人身安全不利。

(2) 直流侧太阳电池MPPT电压需要大于350V。这对于太阳电池组 件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象。 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.2 工频隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 工频隔离系统的优缺点 优点： ? 使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，具有以下优点：结 构简单、可靠性高、抗冲击性能好、安全性能良好、直流侧MPPT电 压等级一般在200V-800V。

缺点：(1)系统效率相对较低。

(2)笨重。 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.3 高频隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 高频隔离系统的优缺点 优点： ?同时具有电气隔离和重量轻的优点，系统效率在93％左右。 缺点

(1)由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构 集中在5KW以下； (2)高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十KHz,或更高，系 统的EMC比较难设计； （3)系统的抗冲击性能差。 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.4 高频升压不隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 高频升压不隔离系统的优缺点 优点： ?和第一种拓朴结构类似，由于省去了笨重的工频变压器，所以可 以带来以下优点：高效率、重量轻。同时加入了BOOST电路用于 DC/DC直流输入电压的提升，所以太阳电池阵列的直流输入电压范 围可以很宽（150V-450V）。这种拓扑结构越来越成为市场的主流。

缺点

(1)同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电 网电压。

(2)使用了高频DC/DC，EMC难度加大。 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.5 多DC-DC （MPPT）、单逆变 系统 优点： ?同高频不隔离系统 ?由于具有多个DC-DC电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列 1～n可以具有不同的MPPT电压，十分适合应用于光伏建筑。N一般 为 2 或 3。

缺点： ?同高频不隔离系统 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.6 三相并网逆变器 采用工频变压器的技术方案 采用工频变压器隔离的大功率三相并网逆变器系统 10-500KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 2005年 全球 1818MW 光伏组件 其中并网逆变器市场为60亿人民币 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 1.7、产业情况 全球生产逆变器的著名厂商大约有20家： ● ● ● ● ● ● ● ● ● 德国SMA 荷兰Mastervolt 奥地利Fronius 德国conergy 德国KACO 日本Sharp 加拿大Xantrex 瑞士Asp 西班牙Ingeteam 其它如京瓷、三菱、Satcon、Solarmax、delta、Sunways 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 典型产品介绍

3KW — 6KW SMA（工频隔离） KACO（直接逆变） 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 Mastervolt（高频隔离） SHARP（Boost 升压） 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 西门子750KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 Satcon 公司500KW Xantrex 500KW 1 常见光伏并网逆变器的拓朴结构 SMA 1000KW 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.1 转换效率 光伏并网逆变器中常用的效率概念

最大效率 ηmax

逆变器所能达到的最大效率 欧洲效率 ηeuro

按照在不同功率点效率根据加权公式计算 加州效率ηcec

按照不同功率，不同直流电压点效率计算 MPPT效率ηmppt：反应逆变器最大功率点跟踪的精度 整机效率ηtot

在某个直流电压下ηeuro 和ηmppt乘积 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.1 转换效率 SG100K3的效率

最大效率 ηmax

96.27% 欧洲效率 ηeuro

95.38% SG5K的效率

最大效率 ηmax

94.7% 欧洲效率 ηeuro

94.2% 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.2 直流输入电压范围 概念

1. MPPT工作电压范围：逆变器MPPT的搜索范围 2. 直流电压范围

系统能够工作的最低电压至最高电压 3. 最高系统开路电压

系统能承受的最高直流电压 具体设计系统串联数时综合考虑以下几个因素： ? 温度的影响：需要保证在夏天和冬天的MPPT范围 ? 效率的影响：尽量考虑逆变器的最优效率工作点 ? 导线的损耗：电压越高，损耗越少。 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.2 直流输入电压范围 举例如下

SG100K3

450V~880V DC，一般推荐阵列开路电 压配置为700V左右。（44V开路电压为16串） SG 5K

220V~ 780V DC ，一般推荐阵列开路 电压配置为530V左右。（44V开路电压为12串） 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.3 可靠性（保护配置方式和种类） 保护类型

电网电压过欠压 ? 电网电压过欠频 ? 交流短路保护 ? 孤岛效应保护 ? 逆变器过热保护 ? 直流极性反接保护 ? 逆变器过载保护 ? 逆变器对地漏电保护 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.4 输出正弦波失真度 电网对于并网发电系统的谐波要求很高， 按照目前光伏并网逆变器的相关国际标准要求

一般在额定功率时，要求并网电流谐波<5%。 SG100K3

SG5K: <3% <4% 在额定负载时 在额定负载时 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.5 逆变控制策略 MPPT环 最大功率跟踪 直流电压外环 直流电压稳压 交流电流内环 快速跟踪电流 限流控制 交流电压前馈 实现无差拍电流控制 光伏并网逆变器控制系统结构框图 L e K1 i i ldc i dc cf e e A/D A/D C v dc 太阳能 电池板 i K iP p MPPT PI v* dc A/D vdc 同 步 sin ?t i * um PWM 发生器 uT S KF 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.6 最大功率点跟踪（MPPT） 1. 核心控制思想是通过对直流电压的扰动，判断 直流功率的变化，从而搜索到最大功率点。

2.具体的方法： ? 采用精度高于0.1％的电能专用采样芯片 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.7 锁相技术特点 ? 使用电压比较器和施密特触发器进行整形， 得到和电网电压完全同频同相的方波。 ? 使用DSP芯片的CAPTURE口进行捕获。

软件中检测到电网频率和相位。调整并网 电流的频率和相位，从而使得并网电流和电 网电压同频，相位差180°。 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.8 孤岛效应检测技术 逆变器中同时具有两种软件解决方案 ? 被动检测

电网电压的幅值、频率和相位。 当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率 和相位参数上，产生跳变信号，通过检测跳 变信号来判断电网是否失电。 ?主动式检测方法：指对电网参数产生小干扰信 号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电， 其中一种方法就是通过在并网电流中注入很小 的失真电流。通过测量逆变器输出的电流的相 位和频率，采用正反馈的方案，加大注入量。

从而在电网失电时，能够很快地检测出异常值。 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 工业级监控主机 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 ? 提供基于Windows 2000和xp的多机版监控软件。

通讯协议采用MODBUS协议。

可提供包括逆变器在内的整个光伏发电系 统的“三遥” 方案。 远程监控； ? 可监控其他站控层设备，实现整个电站的 ? 中英文界面，操作直观友好。

自动翻屏功能，具有良好地展示效果。 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 ? 远程通讯手段灵活，功能强大 ? GPRS ? Ethernet 以太网 ? SMS 短信报警 ? E_mail 数据采集和报警 ? Excel 电子表格报表 ? 可免费提供通讯协议，协助客户二次开发 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 光伏阵列防雷汇流箱 （4～12路） 二、光伏并网逆变器相关技术要点 2.9 监控软件和附件 光伏阵列防雷汇流箱 （二） 三、相关产品介绍 单相

SG1K5TL, SG2K5TL, SG3K, SG5K,SG6K, 三相

SG10K3, SG30K3, SG50K3,SG100K3, SG250K3, SG500KTL, SG1000KHV 所有产品具有CE认证。其中，SG100K3通过TUV认证， SG30K3,SG50K3,SG100K3,SG250K3,SG500KTL通过 意大利DK5940认证。 三、相关产品介绍 SG1K5TL,SG2K5TL光伏并网逆变器 高频升压不隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG3K光伏并网逆变器 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG5K,6K-C光伏并网逆变器 工频隔离拓扑结构,室内型 三、相关产品介绍 SG5K,6K－B光伏并网逆变器 工频隔离拓扑结构,室外型 三、相关产品介绍 SG10K3 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG30K3/SG50K3 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG100K3光伏并网逆变器 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG250K3 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG500KTL大型光伏并网逆变器 直接逆变，无变压器隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG500K3 工频隔离拓扑结构 三、相关产品介绍 SG1000KHV 1MW整体解决方案 三、相关产品介绍 SG1000KHV 的布局 三、相关产品介绍 SG1000KHV 主电路框图 四、光伏并网逆变器业绩 公司业绩 奥运鸟巢并网100KW发电项目 西班牙5MW、3MW并网发电项目 5MW项目 使用 50台 SG100K3 3MW项目 使用 120台 SG10K3-SG50K3 上海申能1.2MW并网发电系统 无锡尚德300KW并网发电系统 上海崇明岛60KW并网发电系统 上海电力学院5KW 上海首台光伏并网发电系统 （奉贤电力局 10KW） 深圳新天厂房100KW 上海太阳能厂房100KW 国家发改委新楼100KW 安徽省委半岛新村3KW光伏并网示范电站 零能耗住宅在上海 阳光楼顶35KW并网发电系统 阳光产业基地500KW并网系统 上海科学会堂10KW光伏并网 项目描述

上海科学会堂10KW光伏并网，采用光伏并网逆变电源SG5K两台。 廊坊航天人才中心120KW并网系统 项目描述

廊坊航天人才中心120KW光伏并网项目，我司配套光伏并网逆变器 SG50K3 2台、SG20K3 1台等相关设备。 上海太阳能 3KW×2 并网发电系统 项目描述

上海太阳能 3KW×2 并网发电系统. 上海人民政府20KW 项目描述

上海市市政府东西两个门卫室屋顶的阵列照片。（配备两台SG10K3) . 内蒙古乌海市光伏并网项目 项目描述

内蒙古乌海市50KW光伏并网项目，采用SG5K-C光伏并网逆变电 源12套。采用天津津能非晶硅电池组件。 东方汽轮机厂并网项目 项目描述

东方汽轮机厂30KW光伏并网项目，我司配套并网逆变器SG10K3若 干套。 普乐新能源并网项目 项目描述

蚌埠普乐新能源太阳能并网项目，应用我司SG1K5TL，SG3K光伏并网 逆变电源。采用非晶硅组件。 北京五棵松体育中心光伏并网发电项目 项目描述

北京五棵松体育中心光伏并网发电项目，配套SG50K3光伏并网逆变电 源一套。 鄂尔多斯太阳能电站 鄂尔多斯太阳能电站，配套光伏并网逆变电源SG100K3一套。 产品的特点和优势 ? 完全自主知识产权。充分地本地化服务和技术支 持。国家光伏并网逆变器标准牵头制定单位。

核心功率器件（功率模块，变压器）全部采用进 口器件。以保证高效率和高可靠性。

配合中国电网的特点和要求，对逆变器的技术参 数进行特殊的设计。具有卓越的适应性和安全性。

产品价格具有明显地竞争性。

产品系列完善，满足客户不同功率需求。 谢 谢 ！ 阳光楼顶35KW并网发电系统 

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