1kW单级式光伏并网发电系统的设计

作者:苏婷;王金梅;张泽斌;台流臣 刊名:电源技术 上传者:胡小艳

【摘要】针对两级式小功率光伏并网发电系统效率低的缺点,设计了1 k W单级式光伏并网发电系统。对主电路直流侧母线电容和滤波器参数进行设计。单级式光伏并网发电系统结构需要同时控制直流侧母线电压和并网电流,而单闭环系统难以满足需要,采用双闭环控制策略实现并网,分别对电流内环和电压外环进行设计。同时采用锁相环技术,Simulink仿真研究结果表明并网电流能准确跟踪电网电压,实现了系统的高效率并网。

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目前,应用较多的是传统的两级式光伏并网逆变器结构,前级采用直流变换器调整电压,并完成最大功率点的跟踪;后级采用逆变器实现并网[1]。这种结构虽然控制起来较容易,但因采用了两级功率变换使得成本较高,同时降低了效率。当应用于小功率的光伏并网发电系统时,损耗的增加使得效率更低。为了克服效率低的缺点,通常会引入有源电力滤波器[2]、无功与谐波补偿等技术,但这会进一步增加成本。而单级式光伏并网逆变器只有一级功率变换,使用元器件少、结构简单、紧凑、成本低、逆变器转换效率高,因此非常适用于小功率的光伏并网发电系统。本文设计了1kW单级式光伏并网发电系统,鉴于单级式结构控制较复杂,且小功率系统对电网的波动较大,故采用双闭环控制策略实现并网,分别对电流内环和电压外环进行设计,且对直流母线电容和并网侧滤波器参数进行设计,同时采用锁相环技术,Simulink仿真研究结果表明并网电流能准确跟踪电网电压,实现了系统的高效率并网。1主电路设计1.1主电路拓扑本文采用单级式的光伏并网发电系统结构,主电路采用电压型单相全桥逆变电路,如图1所示。S1~S4是逆变桥的功率器件;VD1~VD4是对应的反并联二极管;VD是防反二极管,防止电能从电网流入光伏电池极板;Cin是直流侧的滤波电容,用来滤除直流侧两倍于电网频率的电压纹波,使电压基本无脉动;L1、C、L2组成交流侧的T型滤波器,用来滤除逆变后产生的电流谐波。???PVVDVD?VD?VD?CLSS?S?S?VDL?C??R图1单级式光伏并网发电系统主电路由于光伏电池阵列直接与逆变器直流侧大电容连接,因此逆变器直流侧的电压即为光伏阵列的输出电压。光伏阵列输出电压一般较低,且受太阳辐射度和温度等因素的影响而不稳定,而电网相电压有效值为220V,因此为了向电网供电,就必须将光伏阵列输出电压,即直流侧电压稳定在大于电网电压。在用于实验研究的系统中,可在逆变桥后增加升压变压器,但是工频变压器会降低整机效率,在实际应用中应当避免。实际系统设计中通常通过串联多个光伏组件从而达到所需的直流电压。1.2直流侧母线电容设计考虑到逆变器功率开关器件和滤波器会有一定的损耗压降,当电网10%过电压时,为使逆变器能够正常工作,直流侧电压的最小值Vdmin=1.1Umax+UL343V+U,此处取直流侧最小电压Vdmin=350V。对于单相系统,并网的功率瞬时值Ps存在一个两倍于工频的功率波动,即:(1)并网功率中角频率为2的交流成分Ps=VsIscos2t将使直流侧电压Vd产生波动,可以表示为:(2)由式(2)可得Cin=Ps/(2VdVrip)。采用SolarexMax60W光伏电池作为系统的发电电源,该型号电池在太阳辐射S=1kW/m2、温度25下的电气参数为:开路电压Voc=21V;短路电流Isc=3.74A;最大功率点处电压Vm=17.1V;最大功率点处电流Im=3.5A。根据本文所设计的1kW容量,在此采用19块该电池串联组成光伏阵列,这样光伏阵列的容量大约为1.14kW,标准参数下的最大输出直流电压Vd=400V,即:350VVd400V,本文取Vd=380V,Vrip=400V-380V=20V,则Cin=1316F。1.3滤波器设计LCL型滤波器结构同时具有L型滤波器和LC型滤波器的优点,在不增加损耗的情况下将纹波电流抑制在很小的范围,且由于多使用了一个电感,加强了其滤除高频噪声的能力。本文逆变器采用单极性倍频的调制方式,两个极性相反的三角波作为载波产生四路开关管的驱动信号。选择开关频率fs=20kHz,则载波频率fc=2fs=40kHz。

参考文献

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