PWM整流技术在光伏并网发电系统中的应用.docx
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PWM整流技术在光伏并网发电系统中的应用
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第39卷第6期2005年12月
电力电子技术PowerElectronics
Vol.39,No.6December,2005
PWM整流技术在光伏并网发电系统中的应用
禹华军,潘俊民
(上海交通大学,上海200030)摘要:
基于PWM整流技术,并通过控制逆变器开关的导通顺序调节逆变器直流侧的电容电压。
理论分析表明,利用d,变换生成PWM脉冲控制逆变器开关,可使逆变器和滤波电感工作在Boost电路状态。
这一方法解决了多功q能光伏并网发电系统在光伏电池输出能力降低时的直流侧电压恒定问题,从而使得系统的无功补偿功能不受影响。
仿真和实验结果验证了这一方法的可行性。
关键词:
脉宽调制;整流技术;无功功率补偿/光伏发电系统中图分类号:
TM461,TM6文献标识码:
A文章编号:
1000-100X(2005)0132-0406-
ApplicationofPWMRectifierinGrid-ConnectedPVSystem
YUHua-jun,PANJun-min
(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:
BasedonthetechniqueofPWMrectifier,DCvoltageoftheinverterwasadjustedbycontrollingthetheswitchorderoftheswitchingelements.ThecircuitsconsistedoftheinverterandthefilteringimpedancescanworkastheqBoostcircuitsintheconditionsthatthespecialPWMdrivingpulsesaregeneratedbythed,transform.ThismethodkeepstheDCvoltageoftheinvertersteadyevenwhentheoutputabilityofthePVcellsisdecreasedinthegrid-connectedPVwhichprotectsthefunctionofthereactivepowercompensationfromthefluctuateoftheDCvoltage.Thesimulativesystem,andexperimentalresultsvalidatethefeasibilityofthismethod.Keywords:
PWM;rectifier;reactivepowercompensation/PVpowersystem
1
引
言
2
系统结构
光伏发电技术在近几年得到了飞速的发展,其中以户用系统为主,并逐步发展为屋顶发电系统和并网发电系统,后者可节省直流环节的蓄电池,既能实现集中供电,又能实现分布式供电,对电能的利用但是,光伏和更加灵活,因此具有很好的发展前景[1],并网系统存在一个缺憾,即当光伏电池输出能力降低时,如阴天或晚上,整个发电系统将停止运行。
对此,已提出了一种多功能并网发电技术,在不增加硬件设备的前提下,利用光伏逆变系统实现对电网的无功补偿,从而大大提高了整个系统的利用率[2]。
然而,在这样一个多功能并网系统中,系统的无功补偿功能需要直流侧电压维持恒定,由于没有蓄电池的储能作用,当光伏电池输出能力降低时,直流侧电压将不能维持。
本文引入PWM整流技术,通过对逆变器开关状态的控制实现了电能的双向流动,从而保证在光伏电池输出能力降低的情况下直流侧电压维持恒定,且无功补偿功能不受影响。
理论分析和仿真实验结果验证了这一技术的可行性。
定稿日期:
2005-03-01作者简介:
禹华军(,湖南人,博士,研究方向1977-)男,为电力电子技术及光伏发电技术。
在此,针对10kW以下光伏并网系统进行研究,光伏并网系统与本地负载相连,再通过投闸开关连接到配电网上。
这类系统的特点是能直接挂接在在满足本地负载需求的基础上同时380V配电网上,向电网输送多余的功率。
作为分布式供电电源,如屋顶光伏发电等,这种并网系统将是未来光伏发电应用的发展趋势。
图1示出光伏并网发电系统的结构框图。
它依次由光伏模块、逆变器、电网、Boost电路、负载以及控制部分构成。
其中,控制部分又包括电网电压频率与相位检测、最大功率跟踪(、MPPT)直流侧电压Udc控制和无功电流的检测与控制等环节。
从而提高Boost电路独立完成对光伏电池的MPPT,光伏电池的转换效率。
MPPT使用导纳增量法,该法不受后面逆变器工作状态的影响,因此能单独进行控制。
然而,逆变器不仅要向电网输送有功功率Pd,而且还要补偿一定的无功电流iw,因此其控制较为复杂。
本文通过d,变换,实现了对有功电流id和iwq的分离,利用直流侧检测电压与直流侧参考电压经过PI调节后作为id分量的参考值id*;Udc*的误差,同时通过检测负载电流的无功分量,将其作为逆变器补偿iw的参考值,即可实现并网发电和无功补偿的同步控制。
通过理论分析可得,当逆变器的输出电
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PWM整流技术在光伏并网发电系统中的应用
压uo高于电网电压US时,逆变器输出感性的无功功率Pw;当逆变器的uo低于US时,逆变器输出容性的Pw;而当逆变器向电网发送Pd时,逆变器的uo相位超前US相位;当逆变器从电网吸收Pd时,逆变器的uo相位滞后US相位。
到540V,而在感性无功补偿时,希望Udc达到700V,显然纯粹利用整流是不行的。
若控制逆变器的开关,使得逆变器工作在PWM整流状态,此时的逆变器和滤波电感将等效成一个Boost电路,从而实现对Udc的提升。
图2示出逆变系统原理图。
当采用双极性调制时,开关管的导通顺序可有多种图2逆变系统原理图控制方式。
1给出了3种开关开通和关断的顺序,表这3种方式将在不同时段内先后出现。
图1光伏并网发电系统结构框图
表13种开关方式序号方式1VS4,3,5开VSVSVS1,2,6关VSVSVS4,6,5开VSVSVS1,2,3关VSVSVS4,6,2开VSVSVS1,3,5关VSVSVS4,6,5开VSVSVS1,2,3关VSVSVS4,3,5开VSVSVS1,2,6关VSVSVS1,3,5开VSVSVS4,2,6关VSVS方式2VS1,6,2开VSVSVS3,4,5关VSVSVS1,6,5开VSVSVS3,4,2关VSVSVS1,3,5开VSVSVS2,4,6关VSVSVS1,6,5开VSVSVS3,4,2关VSVSVS1,6,2开VSVSVS3,4,5关VSVSVS4,6,2开VSVSVS3,1,5关VSVS方式3VS1,3,2开VSVSVS6,4,5关VSVSVS4,3,2开VSVSVS6,1,5关VSVSVS4,6,2开VSVSVS3,1,5关VSVSVS4,3,2开VSVSVS6,1,5关VSVSVS1,3,2开VSVSVS6,4,5关VSVSVS1,3,5开VSVSVS6,4,2关VSVS
考虑到无功补偿的需要,USx=380V时,当设定这样可将BoostU=700V。
对Udc进行控制是必要的,电路输出的功率尽可能地变送出去,同时在光伏的输出功率有限,甚至停止工作时,能从电网吸收一定的从而维持无功补偿所需的Udc。
与传统的误差比较id,不一样,文中Udc*作为误差比较器的负端输入,而其*正端输入则为Udc的反馈信号。
Udc>Udc时,当误差信*号为正,逆变器输出的id正向增加,即向电网提供有*功能量;反之,Udc<Udc时,当从电网吸收有功能量以维持Udc的恒定。
由于直流侧电容C本身并不消耗有功能量,这部分能量只是用来补偿逆变器开关管的损耗,所以从电网吸收的id很小。
*dc
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3应用PWM整流技术调节Udc
为了解决Udc的波动问题,在该逆变系统控制中引入了PWM整流的概念。
在图1的系统框图中,若从电网侧向光伏逆变系统侧看去,此时系统恰好是一个典型的PWM整流系统。
PWM整流器的最大优点就是能使整流器的输入电流波形接近正弦,从而提高系统的功率因数。
在此,PWM整流技术的对应用是为了获得一个可控的逆变器输出电流。
本文给出的并网发电系统结构中,逆变器输出端连接的也能在整个电3个电感L1,2,3,LL既能起滤波作用,路中实现对电流流向的控制。
由于电感的电网侧电压被US所箝制,因此只要调节电感逆变器侧的基波电压即可控制电感中电流的大小和方向,这也正是PWM整流技术的幅相控制原理[3]。
当逆变器并入电网运行时,由于开关管旁路二极管的存在,实际上逆变器运行在整流和逆变双重功能下。
当逆变器开关不工作时,电网将通过旁路二但这时C的最高电压uCmax也只能达极管对C充电,
鉴于篇幅,本文只讨论方式1工作状态下的电压与电流关系,其它方式可通过同样的方法进行分析。
由于开关频率比较高,设定为20kHz,在一个开关周期内可假定US不变,假设此时的三相线电压分别为Uba=280V,ca=540V,cb=260V。
图3给出不同UU开关方式下的电路拓扑结构。
图3不同开关方式下的电路拓扑结构
(状态1(4,3,5开;1,2,6关)1)VSVSVSVSVSVS图3a为VS4,3,5开;1,2,6关的开VSVSVSVSVS133
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电力电子技术PowerElectronics
Vol.39,No.6December,2005
关状态拓扑结构。
在该状态下,4,3和VS5形成VSVS环路。
L1和L3的电流iL1和iL3下降,2的电流iL2上L升,此时C充电。
由图可见,若向C充电,必须为iL1正值,此时虽然VS4开通,但电流方向从开关管的S极流向D极,因此实际上是VD4导通。
iL2和iL3中至少一个为负,由于开关管旁路二极管的存在,因此无论哪个电流为负,电流拓扑都不受影响。
(状态2(4,6,5开;1,2,3关)2)VSVSVSVSVSVS图3b为VS4,6,5开;1,2,3关的开VSVSVSVSVS关状态拓扑结构。
在该状态下,4,6和VS5形成VSVS环路。
iL1和iL3上升,下降,此时C充电。
与状态1iL2类似。
iL3为负值,电流通过VD5流向C。
(状态3(4,6,2开;1,3,5关)3)VSVSVSVSVSVS图3c为VS4,6,2开;1,3,5关的开VSVSVSVSVS关状态拓扑结构。
在该状态下,2,4,6和VD1VSVSVS形成环路。
iL2和iL3下降,上升,上的电压uC不iL1C变。
由于Uca=540V>0V,此时iL1为正,为负。
iL3(状态4(4,6,5开;1,2,3关)4)VSVSVSVSVSVS该工作状态同于状态2。
(状态5(4,3,5开;1,2,6关)5)VSVSVSVSVSVS该工作状态同于状态1。
(状态6(1,3,5开;4,2,6关)6)VSVSVSVSVSVS图3d为VS1,3,5开;4,2,6关的工VSVSVSVSVS作状态拓扑结构。
在该状态下,1,3,5和VD2VSVSVS形成环路。
iL2和iL3下降,上升,C不变。
由于Uca=iL1u此时iL1为正,为负。
540V>0V,iL3由上述分析可见,在上桥臂或下桥臂同时开通,即时段3和时段6时,电网对电感进行充电,C不变;u而在其它4个时段,电感放电的同时,C进行充电。
对这一过程实际上实现了对uC的提升,符合Boost电路特性。
由此发现,只要控制逆变器开关的导通顺序,就能对输出电感中的电流进行控制,从而调节uC。
定,但因开关损耗的存在,Udc将下降并低于Udc*,导致id*变为负值,此时逆变器将从电网吸收id,而图4Udc与逆变器输出id分量的仿真结果从维持Udc恒定。
当Udc>700V时,*变为正,此时逆变id器将输出一部分id,并使Udc下降到700V。
仿真还发现,当系统工作在无功补偿状态时,U受到无功补偿量的影响,同时也受到逆变器调制深度及输出电感大小的影响。
无功补偿需求量越大,dc*也就越大;逆变器调制深度越大,则在一定U*的Udc下能补偿更大的无功功率;输出电感越大,在*一定无功补偿量时Udc也越大。
这是因为逆变器输出的iw,其性质与大小是由逆变器的输出基波幅值和US幅值决定的。
图5示出某一时间段,即仿真时间为0.0566s~0.0568s内L1上的电压uL1和电流iL1波形以及对应的开关状态。
图5a为对应开关状态下VS1~VS6的触发脉冲VgVS1~VgVS6波形;图5b为不同开关状态下的uL1和iL1波形。
图这5a表明,一时间段的开关状态正好对应前述图5仿真波形的方式1;图5b验证了方式1下uL1和iL1的变化规律。
仿真结果还表明,该时间段的iL1始终为正值;始终为负值;iL3另外,虽然状iL2在一个较大的范围内正负交替变化。
态1和状态5相同,但因二者持续的时间不一样,故L1上的电压、电流变化趋势相同,但幅值却不尽相同。
这点,状态2和状态4也一样。
仿真结果分析表明,控制VgVS1~gVS6,可以改变V逆变器输出滤波电感上电压、电流的方向和幅值,从
*dc
4仿真与实验结果
基于Matlab建立了光伏并网发电系统的仿真模型,并单独对Udc控制进行了仿真分析,其结果发现,当不对逆变器开关进行控制时,dc在旁路二极U管的作用下最终约能稳定在540V,当系统引入直流*侧的闭环控制,则将Udc设定为700V。
图4示出Udc与逆变器输出id分量的仿真结果。
其中id是逆变器输出电流经过d,变换后得到的实际输出id分量。
q在开关合闸瞬间,uC=0,因此时出现一个较大的冲击电流,Udc迅速上升到一个较高值,1.7kV。
使即当最终在700V附近波动。
不考虑有功输Udc稳定后,出,即光伏电池无输出,则在理想情况下,dc维持恒U134
PWM整流技术在光伏并网发电系统中的应用
而实现对Udc的调节。
由于受开关频率的限制,Udc出现了一定的波动,开关频率越大,电压纹波越小。
针对该设计方案,以TMS320F240型DSP和PM25RSB120型IPM构建了光伏并网发电系统的逆变实验电路。
滤波电感设计值为450μ磁芯采用铁H,氧体,气隙设定为2.2mm。
逆变器采用SPWM控制,载波频率fz=12kHz,调制深度d=0.9。
实验电路中,该系统通过一个10kVA的调压器和一个三相隔离变压器连接到电网。
为方便起见,测试时设定调压器的输出电压有效值为30.8V,即输出滤波电感电网侧的电压值。
6给出分别设定id=-1A和id=-3A时,图逆变器的输出电流io、逆变器直流侧电流Idc及Udc波形。
桥的整流作用得到电压测量值为84.4mV,对应的当设定的id为负时,即逆Udc=37.5V。
实验结果表明,变器向电网吸收Pd时,dc得到提升。
而且Udc的幅U值可通过控制id的设定值进行调节。
5
结束语
提出的多功能光伏并网发电系统很好地解决了
光伏电池输出能力降低时,系统利用率下降的问题。
由于直流侧没有蓄电池等储能设备,光伏源输出有功功率的降低,导致了直流侧电压不能维持恒定。
本文利用通过控制逆变器开关PWM整流技术中的Boost特性,导通顺序来控制逆变器输出有功电流的方向和大小,从而调节直流侧电压。
这一方法不仅有效,而且实现起来简单,有功电流的方向和大小由直流侧电压与参考电压的偏差决定。
在直流侧电压维持恒定的前提下,系统的无功补偿特性并不受有功电流控制的影响。
参考文献
[1]赵玉文.太阳能利用的发展概况和未来趋势[J].中国电力.2003,9)38(:
63 ̄69.潘俊民.一种同时实现无功补偿的光伏并网发电[2]禹华军,待发表)技术[J].上海交通大学学报(2005年增刊,.[3]李伟,张黎.两种PWM整流器控制方法的比较和仿真[J].吉林电力.2001,5:
36 ̄39.
图6实验结果
其中对io的测量放大倍数为2.2;dc的测量放I大倍数为0.27;dc的测量放大倍数为0.00225。
由图U6a可得,dc的测量值为328mV,对应的Udc=U由图6b可得,dc的测量值为516mV,对应145.8V;U的Udc=229.3V。
当逆变器不工作时,直流侧通过逆变该图表明,VS1开通前,udsVS1在其已下降到零,从而实现了零电压开通;通过CVS,可实现零电压关断,这验证了理论分析的正确性。
(上接第115页)
图4a示出不同Po时样机的效率η曲线,其最高时可达93.5%,满载时可为90.5%。
图4b示出不同Llk下,o随Io变化的外特性曲线。
可见,o随Io的增加UU而下降,lk越大,外特性越软,实现ZVS的范围越宽;L外特性越硬,实现ZVS的范围越窄。
Llk越小,
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因此应综合考虑各方面因素,合理选择Llk的大小。
对图4b轻载时Uo高于nUin=420V作以下解释,即轻载时,Io断续,因开关管导通时是励磁电流通过VDVS1续流,变压器初级绕组的电压将是Uin加上所以Uo将会高于nUin,即高于420V。
VDVS1的压降,
6
结
论
图3ugVS1,dsVS1,VD1和ip1的实验波形uu
介绍了一种新颖的零电压开关推挽正激直流变压器,它通过漏感实现开关管的零电压开关。
本文分析了其实现零电压开关的条件和输出电压的外特性,它能被广泛用于两级结构的系统中。
参考文献
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723~730.[4]YuanchengRen,MingXu,KaiweiYao,etal.Two-Stage48VPowerPodExplorationfor64-BitMicroprocessor[A].
图4η与Po和Uo与Io的关系
IEEEAPEC′03[C].2003:
426~431.
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基于PWM整流技术,并通过控制逆变器开关的导通顺序调节逆变器直流侧的电容电压。
理论分析表明,利用d,变换生成PWM脉冲控制逆变器开关,可使逆变器和滤波电感工作在Boost电路状态。
这一方法解决了多功q能光伏并网发电系统在光伏电池输出能力降低时的直流侧电压恒定问题,从而使得系统的无功补偿功能不受影响。
仿真和实验结果验证了这一方法的可行性。
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脉宽调制;整流技术;无功功率补偿/光伏发电系统中图分类号:
TM461,TM6文献标识码:
A文章编号:
1000-100X(2005)0132-0406-
ApplicationofPWMRectifierinG