500 kW光伏發電系統并網逆變器

才利存，常忠廷，周如，宋新甫

（1.河南許繼集團有限公司，河南許昌461000；2.新疆電力設計院，新疆烏魯木齊830002;3.新疆電力公司電力規劃研究中心，新疆烏魯木齊830011）

進入21世紀以來，太陽能發電得到了廣泛的應用，光伏并網逆變器作為太陽能發電系統最核心的部分也得到了迅速發展，已經從原來的幾千瓦，幾十千瓦，發展到現在的幾百千瓦，但受到IGBT等電力電子器件的制約，大容量的光伏并網逆變器普遍采用了IGBT模塊并聯技術進行擴容[1-2]。

本文首先分析了大容量光伏并網逆變器的結構和主要元件的設計方法，并在此基礎上研制了一臺500 kW光伏并網逆變器的樣機，并對其進行了測試，驗證了其實用性及可靠性，試驗證明其運行穩定，性能可靠，具有較強的商業價值。

1 并網逆變器的系統設計

并網逆變器采用了功率模塊并聯技術，使用了2個完全相同的功率模塊進行并聯，有效地抵消了由于功率器件原因對系統容量所產生的制約。

硬件電路采用模塊化設計，主功率模塊、驅動電路及直流母線支撐電容，均置于一個功率模塊之內，便于安裝和維護。主功率模塊采用了當前主流的單級式結構，集成了最大功率點跟蹤控制性能，提高了逆變器的效率，減少了成本，縮小了體積。直流側電路主要包括直流防雷器，直流EMI濾波器，直流接觸器，直流隔離開關，交流側主要包括防雷器，EMI濾波器，交流接觸器，交流隔離開關，LCL濾波器[3-4]圖1所示為光伏并網逆變器系統結構。

圖1 光伏并網逆變器系統結構圖Fig.1 PV grid inverter system structure

控制電路采用雙DSP+雙口RAM結構，控制側DSP主要負責PI控制器運算（電壓、電流雙閉環）PWM脈寬的計算等；邏輯側DSP主要負責啟停邏輯、功能保護、數據通訊等，具有過/欠壓、過/欠頻、過流、過載、恢復并網及孤島等保護功能，并具有恒電壓模式，恒功率模式，恒電流模式等多種運行方式。控制策略采用電壓電流雙閉環及SVPWM調制方式[5-9]l。圖2所示為控制電路框圖。

圖2 控制電路框圖Fig.2 Control circuit diagram

光伏并網逆變器啟動過程如圖3所示，整個過程包含停機、待機、電網狀態監控、啟動、最大功率點跟蹤（MPPT）、故障、關機等7個狀態。其中對各種故障進行了分級處理，一、二級故障屬于可自恢復故障，三級故障屬于不可自恢復故障。

圖3 并網逆變器啟動過程Fig.3 Grid connected inverter starting process

2 主要元器件的參數設計

逆變器額定功率為500 kW，交流輸出電壓為270 V，開關頻率為3 kHz，采用2個完全相同的功率模塊進行并聯。

2.1 IGBT選擇

交流輸出相電流的峰值為

因此，流過每個模塊的電流峰值為706 A，模塊兩端承受的最大直流電壓為900 V，考慮到最嚴重的過壓和過流等情況，最終選擇FF1400R12IP4型IGBT，其額定電流為1 400 A，額定電壓為1 200 V。

2.2 LCL濾波電路設計

相比較傳統的L型濾波器，LCL濾波器具有體積小，造價低，對高頻諧波抑制效果好等優點，LCL濾波器已經逐漸成為光伏并網逆變器的首要選擇。

2.2.1 總電感LT的選擇

電感LT在穩態條件下要滿足逆變器輸出的有功（無功）功率以及電流波形品質指標。

1）滿足有功（無功）功率指標時的電感LT設計單位功率因數下交流側的矢量關系如圖4所示。

圖4 逆變器交流側矢量關系Fig.4 Inverter ac side vector relationship

其中E觶為交流電網電動勢矢量，V觶L為交流側電感電壓矢量，V觶為交流側相電壓矢量，I觶為交流側電流矢量。

當直流側電壓Vdc確定后，交流側相電壓的峰值

式中，Udc為直流母線電壓；Em為電網相電壓峰值，Im為電網電流峰值。

2）滿足瞬態電流跟蹤指標時的電感設計

考慮到電流過零（ωt=0）處一個PWM開關周期Ts中的電流跟蹤瞬態過程，得

3）抑制諧波電流時的電感設計

考慮到電流峰值（ωt=π/2）處一個PWM開關周期Ts中的電流跟蹤瞬態過程，得

式中，ΔImax為最大允許諧波電流脈動量，一般取10%～20%之間,本文取20%。

由式（4）、（5）、（6）取交集可得

實際濾波器設計中，為了提高系統電流的快速跟隨性，在滿足諧波電流要求的情況下選擇的總電感值應盡可能地小。

2.2.2 電感L1和L2的選取

式中，L2為網側電感；L1為逆變器側電感。由于采用模塊并聯技術故逆變器側總電感值為1/2單個電感值。不同的系統電感L1和L2的關系是不一樣

式中，k為一個系數，取值一般在0~1之間。考慮到濾波器的體積和噪聲等因素，在滿足抑制高頻諧波性能的前提下，最終選取k值為0.5。

2.2.3 濾波電容的選擇

為了保證并網逆變器的功率因數，濾波電容的選取一般以濾波電容吸收的無功功率不大于系統有功功率的百分比為設計依據。

可得

式中，P為逆變器輸出的額定有功功率；Eg為電網相電壓有效值；ω1為電網基波角頻率；λ為濾波電容吸收的無功功率不占大于系統有功功率P的百分比，本文取2%。

2.2.4 約束條件

LCL濾波器對系統的穩定性及系統性能影響較大，LCL濾波器的諧振頻率范圍一般在10倍基波頻率與1/2開關頻率之間，否則電網諧波會影響系統的穩定性。即

2.2.5 直流支撐電容的選擇

直流電容的主要功能是濾除直流電壓紋波，另一方面要滿足直流電壓的動態響應要求，即當逆變器負載突然變化時能將直流電壓的波動維持在一定范圍之內。假定負載在0~t時間內引起負載功率的最大變化為ΔPmax，可得

3 實驗結果及分析

500 kW光伏并網逆變器的參數為：額定線電壓，270 V；額定電流，1 070 A；直流母線最大電壓，900 V；開關頻率，3 kHz；由式（7）得152 μF≤LT≤963 μF，取LT=180 μH，由式（8）、（9）最終選取的濾波電感值為，L1=240μH，L2=60 μH。由式（10）可得的濾波電容Cf≤436 μF，選取Cf=420 μF，由式（12）得LCL的諧振頻率fres=1.228 kHz，滿足式（11）的約束條件，由式（13）最終選取的直流母線電容值Cdc=14.4 mF。

為了驗證光伏并網逆變器的穩定性及可靠性，對光伏并網逆變器進行了滿功率環流試驗和各種性能測試。

3.1 滿功率環流試驗

滿功率環流試驗中，采用一臺大功率可調直流電源來模擬太陽能電池陣列，一臺500 kW光伏并網逆變器作為測試裝置，逆變器工作在單位功率因數下，試驗電路如圖5所示。

圖5 環流試驗電路圖Fig.5 Circulating current test circuit diagram

圖6 為滿功率運行時的試驗波形，其中，CH1為直流母線電壓；CH2為逆變器輸出電流；CH3為變壓器副邊電流；CH4為電網電流，由圖6可以看出，逆變器直流母線電壓為824 V，額定輸出電流為1 070 A。

圖6 環流試驗波形圖Fig.6 Circulating current test waveform figure

滿功率實驗表明，并網逆變器設計合理，工作可靠，可以在最大功率下長期運行。

3.2 性能測試

3.2.1 效率測試

1）效率理論計算值。在直流母線電壓為761 V的條件下，用Infineon公司提供的IPOSIM工具計算得出開關頻率分別為3 kHz和2.2 kHz條件下開關器件的總開關損耗,考慮到電抗器、風機等的損耗后，計算得出逆變器在各個功率點的效率，根據計算出的效率繪制出不同開關頻率下逆變器的效率曲線，如圖7所示。

2）效率實測值。用功率分析儀分別測量逆變器在3 kHz和2.2 kHz的輸入輸出功率，根據計算出的逆變器的效率我們繪制不同開關頻率下的效率曲線如圖7所示。

圖7 不同開關頻率下的效率曲線Fig.7 Efficiency curve under different switching frequency

由圖7可知理論計算將開關頻率由3 kHz將為2.2 kHz之后，輕載情況下，效率會有大約1%的提升，在重載的情況下，效率會提升大約0.5%。在實際測量當中開關頻率由3 kHz將為2.2 kHz之后，效率大約提升了1%。并網逆變器的最大效率可以達到98%，實際值與理論計算值基本吻合，滿足設計要求。

3.2.2 THD測試

用FLUKE 435電能質量分析儀測得3 kHz和2.2 kHz開關頻率下的THD，根據測量的THD繪制的曲線如圖8所示。

在滿功率狀態下，逆變器的THD值均小于1%，滿足設計要求，并且2.2 kHz開關頻率下的THD值略小于3 kHz開關頻率下的THD值。

圖8 逆變器各功率等級下的THDFig.8 THD under all inverter power levels

3.3 溫升試驗

采用光纖測溫儀對滿功率運行下的逆變器主要元器件溫度進行了實時監測，溫度曲線如圖9、圖10所示。

圖9 0~1.5 h主要測試點溫度曲線Fig.9 Main test point temperature curve between 0 and 1.5 hours

圖10 5 h各測試點溫度曲線Fig.10 Main test point temperature curve in 5 hours

如圖10可知，在滿功率運行5 h后各主要元器件溫升已經平衡，均在各元件器件的允許工作溫度范圍之內，表明逆變器散熱設計合理，滿足設計條件。

4 結語

實驗結果表明，500 kW光伏并網逆變器設計合理，運行可靠，滿足各項設計指標要求，符合設計標準，具有很高的應用和商業推廣價值。

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