分布式供电网络中新型光伏并网逆变器研究
曹筱欧+郑凤柱+刘金华+李峥铮
摘 要： 并网逆变器在以光伏发电为电力来源的分布式供电系统中起到关键的连接作用，其可将光伏阵列所发电能逆变为与电力网络电压频率相同、相位一致的电压与电流保证光伏发电系统和电力网络正常运行。但传统并网逆变器存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动以及转换电压二次谐波含量较多的问题。为改善并网逆变器的逆变性能，设计一种新型无隔离变压器结构的单相逆变器。分析新型并网逆变器直流变换电路模块和直流交流变换电路模块的工作机理，并将其与传统并网逆变器对光伏阵列所产生的电平处理效果进行仿真比较，结果表明，新型逆变器输出逆变电压二次谐波含量较传统逆变器降低54.87%，具有较好的逆变功能。
关键词： 分布式供电； 光伏阵列； 并网逆变器； 二次谐波
中图分类号： TN711?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0180?03
Research on new type photovoltaic grid?connected inverter in distributed
power supply network
CAO Xiaoou1， ZHENG Fengzhu2， LIU Jinhua1， LI Zhengzheng2
（1. Binhai Power Supply Subsidiary Company， State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin 300450， China；
2. Beijing Guodiantong Network Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）
Abstract： The grid?connected inverter plays a key connection role in the distributed power supply system taking the photovoltaic power generation as the electric power source， which can invert the electric power generated by the photovoltaic array into the voltage and current which have the same frequency and same phase with the electric power network voltage， so as to guarantee the normal operation of the photovoltaic power generation system and electric power network. Since the traditional grid?connected inverter has the problems of serious common?mode leakage current， secondary pulsation of the neutral point potential and too much secondary harmonic content of the conversion voltage， a new type single?phase inverter without isolation transformer structure was designed to improve the invertion performance of the grid?connected inverter. The working mechanisms of the DC converting circuit and DC?AC converting circuit modules of the new type grid?connected inverter are analyzed. The voltage processing effect of the new type grid?connected inverter on the photovoltaic array is compared with that of the traditional one by the simulation mode. The result shows that the secondary harmonic content of the output inverting voltage of the new type inverter is decreased by 54.87%. The inverter has good invertion function.
Keywords： distributed power supply； photovoltaic array； grid?connected inverter； second harmonic
0 引 言
并网逆变器在光伏并网电力系统中发挥着重要作用，其在光伏发电系统和新能源电力网络之间起到关键的连接作用。光伏发电系统产生直流电能，无法直接为电力网络供电，需要将其逆变为与电力网络电压频率相同、相位一致的电压与电流。由此，光伏发电系统和电力网络才能正常运行。传统并网逆变器存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动的问题，转换电压二次谐波含量较多，为改善并网逆变器的性能，本文设计了一种无隔离变压器结构的单相逆变器，改善当前并网逆变器的性能。同时，分析新型并网逆变器电路结构，并对其与传统并网逆变器工作效果进行比较分析。
1 分布式供电网络
随着科学技术的发展，生产力水平的提高，传统集中式供电方式面临发电方式结构亟待优化、能源利用效率、系统安全性和可靠性有待提高、环保能力有待提升等问题，而分布式供电系统却能够提高能源利用率、提升电力网络安全性和可靠性、增强环保能力[1]。大电网与分布式供电网络相结合的供电方式，能大幅提高供电效率，优化电网结构，尤其在美加大停电之后，正逐渐成为世界电力行业发展的潮流[2]。
1978年，分布式供电网络概念最先由美国公共事业管理政策法提出，之后在美国正式发展，逐渐被世界各国所接受。分布式供电方式的电能容量远小于传统的集中式供电方式，分布式供电方式采取分散化方式布置在电力用户周围，与“小机组”供电概念已有不同[3]。如图1所示，相对于集中式供电网络，分布式供电网络产生的输配电损耗极低甚至为零，无需建设配电站，从而大幅度降低了电网运行的成本以及故障发生概率，提高了电网运行可靠性，降低污染，增强环保水平[4]。
当前经济水平与规模正在处于高速发展时期，我国电力需求日益增长亟待满足，资源综合利用效率也急需增加优化。然而国内电力系统的现状仍是大规模、集中式的电网供电，即“大机组、大电厂、大电网”的电力系统，但为了更加合理地利用资源，分布式发电系统所占比例也正在逐渐提高，在北京、天津及内蒙古、新疆、云南等地区均已存在较具规模的分布式供电网络[5]。
2 光伏并网电力系统
作为传统电力发电和水力发电的有益补充，新能源发电系统在电力系统中日益占据重要地位。新能源发电方式有多种，例如风力发电、核能发电以及太阳能发电等方式，在这几种发电方式之中，太阳能发电具有利于环保和发展经济的作用，所以欧美各发达国家正在致力于推动太阳能发电工作规模化、产业化的发展，至今为止中小规模的太阳能发电已发展成为了产业。太阳能发电有光伏发电和热发电两种方式，相对于太阳能热发电方式，光伏发电方式具有维护简单、功率调节方便等突出优点，其在中、小型并网发电系统之中得到了较为广泛的应用[6]。光伏发电系统按照是否并网可分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统两种方式，相比于离网光伏发电系统，并网光伏发电系统投资效益更高，作为大电网的支撑，光伏发电以微型供电网络的方式连接到大电网上，增加了太阳能使用的灵活性，便于提高光伏发电规模。因此，光伏并网电力系统正在成为未来电力系统技术发展的潮流[7]。
如图2所示，光伏并网分布式供电网络的结构由光伏发电系统、光伏供电网络、光伏并网逆变器和电网调度控制中心等组成部分有机构成。光伏发电并网技术指光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电力用户需求的交流电之后直接接入供电网络，同时可根据需要确定是否使用蓄电池[8]。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，大型并网光伏电站虽能直接将所发电能输送到供电网络供用户使用，但建设周期长，投资大，而分布式光伏并网发电装置，尤其是光伏建筑一体化光伏发电建设时间短、经济效益高，因此成为了主要的光伏发电并网技术[9]。
3 光伏并网逆变器
光伏并网逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽逆变电路的可靠性较高，但利用效率降低，较难带动感性负载[10]。全桥逆变电路具有续流回路，因此具有较好的感性负载带动能力。但该电路也存在晶体管不共地、死区时间和电路结构复杂的特征[11]。当前并网逆变器中存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动的问题，转换电压二次谐波含量较多，为了改善并网逆变器的性能，设计一种无隔离变压器结构的单相逆变器。如图3所示，为新型光伏并网逆变器的电路原理图，逆变器电路分为DC/DC变换模块和DC/AC变换模块两部分，前级DC/DC变换模块能实现对光伏阵列发电范围和最大功率点的追踪以及实现光伏阵列电压倍增的功能，后级DC/AC变换模块能实现光伏阵列的并网发电功能。在这种光伏并网电路中，电感L1和电容C1，C2组合起到直流侧滤波的作用，电感L2和电容C6，C7组合起到交流侧滤波的作用，光伏阵列正极连接逆变器输入端，负极与逆变器地端连接，可有效消除共模电压，高频切换的电容C3能控制输出的能量大小，从而大幅减小相互串联的电容C4和电容C5的容量。
如图4所示，为光伏并网逆变器DC/DC模块的原理图。其中，开关管Q1和Q2的驱动脉冲相互补充，电感L1和电容C3相互组合具有升压斩波的功能，二极管D3和D4能钳制升压斩波后的电压。当Q1导通时，电感电流经过D1和Q1进行储能，直流状态的电流开始逐渐增加，但由于D3具有钳制作用，电容C3和C5的电压基本保持一致。当Q1关断之后，电感电流经过D1和D6形成环路，电容C3开始进行储能，同时D4起到钳制的作用，电容C3和C4的电压基本保持一致。
如图5所示，为光伏并网逆变器DC/AC模块的原理图，当输出交流电压在正半周期时，当交流电流的方向不论是流入逆变器或是流出逆变器，T3，T4导通时，逆变器输出均为正电平。T5，T6导通时，逆变器输出电压为零伏，這一变化过程存在对C4的充电和放电。当输出交流电压在负半周期时，不论交流电流的方向是流入逆变器还是流出逆变器，输出的电平状态在负电平和0 V之间进行切换，存在对电容C5的充电与放电。
4 并网逆变器工作效果分析
针对设计的逆变器的参数，对相同的光伏阵列输入的直流电压，利用Matlab仿真软件，当输入逆变器的光伏阵列的直流电压为120 V，输入功率为6 kW，中间直流电压为800 V，电压脉动限制为25 V，开关频率为13 000 Hz时，分别应用新型光伏并网逆变器和传统光伏并网逆变器进行对比分析处理，见图6。分别应用传统逆变器和新型逆变器对光伏阵列输入电平进行分析，处理之后进行比较，经过处理传统逆变器处理后电压的二次谐波含量为1.95%，而新型逆变器处理之后电压的二次谐波含量为0.88%，较传统逆变器降低了54.87%。由此可知，新型逆变器的处理效果明显优于传统逆变器。
5 结 语
为了改善并网逆变器的性能，设计一种无隔离变压器结构的单相逆变器。通过分析新型并网逆变器电路特征，对其与传统并网逆变器工作效果进行仿真比较，得出新型逆变器输出逆变电压二次谐波含量较传统逆变器降低54.87%，取得较好的逆变效果。
参考文献
[1] 李德泉，徐建政，杨硕.分布式发电效益分析及其量化模型[J].电力系统保护与控制，2012，40（14）：147?151.
[2] 康龙云，郭红霞，吴捷，等.分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述[J].电网技术，2010，34（11）：43?47.
[3] 周卫，张尧，夏成军，等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].电力系统保护与控制，2010，38（3）：1?5.
[4] 徐臣.配电快速仿真及其分布式智能系统关键问题研究[D].天津：天津大学，2009.
[5] 张智慧，邰能灵.含分布式电源的配电网故障智能恢复方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（14）：79?85.
[6] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.
[7] 郁军永，李玉广.基于三角波载波控制的单相电压型并网逆变器研究[J].电器与能效管理技术，2010（23）：37?39.
[8] 戴训江，晁勤.光伏并网逆变器自适应电流滞环跟踪控制的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（4）：25?30.
[9] 王惠祥.太阳能光伏并网发电系统研究[D].杭州：浙江大学，2012.
[10] 沈友朋，宋平岗.无变压器光伏并网逆变器的拓扑结构[J].大功率变流技术，2010（6）：22?26.
[11] 王宝诚，郭小强，梅强，等.无变压器非隔离型光伏并网逆变器直流注入控制技术[J].中国电机工程学报，2010，29（36）：23?28.
摘 要： 并网逆变器在以光伏发电为电力来源的分布式供电系统中起到关键的连接作用，其可将光伏阵列所发电能逆变为与电力网络电压频率相同、相位一致的电压与电流保证光伏发电系统和电力网络正常运行。但传统并网逆变器存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动以及转换电压二次谐波含量较多的问题。为改善并网逆变器的逆变性能，设计一种新型无隔离变压器结构的单相逆变器。分析新型并网逆变器直流变换电路模块和直流交流变换电路模块的工作机理，并将其与传统并网逆变器对光伏阵列所产生的电平处理效果进行仿真比较，结果表明，新型逆变器输出逆变电压二次谐波含量较传统逆变器降低54.87%，具有较好的逆变功能。
关键词： 分布式供电； 光伏阵列； 并网逆变器； 二次谐波
中图分类号： TN711?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0180?03
Research on new type photovoltaic grid?connected inverter in distributed
power supply network
CAO Xiaoou1， ZHENG Fengzhu2， LIU Jinhua1， LI Zhengzheng2
（1. Binhai Power Supply Subsidiary Company， State Grid Tianjin Electric Power Company， Tianjin 300450， China；
2. Beijing Guodiantong Network Technology Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）
Abstract： The grid?connected inverter plays a key connection role in the distributed power supply system taking the photovoltaic power generation as the electric power source， which can invert the electric power generated by the photovoltaic array into the voltage and current which have the same frequency and same phase with the electric power network voltage， so as to guarantee the normal operation of the photovoltaic power generation system and electric power network. Since the traditional grid?connected inverter has the problems of serious common?mode leakage current， secondary pulsation of the neutral point potential and too much secondary harmonic content of the conversion voltage， a new type single?phase inverter without isolation transformer structure was designed to improve the invertion performance of the grid?connected inverter. The working mechanisms of the DC converting circuit and DC?AC converting circuit modules of the new type grid?connected inverter are analyzed. The voltage processing effect of the new type grid?connected inverter on the photovoltaic array is compared with that of the traditional one by the simulation mode. The result shows that the secondary harmonic content of the output inverting voltage of the new type inverter is decreased by 54.87%. The inverter has good invertion function.
Keywords： distributed power supply； photovoltaic array； grid?connected inverter； second harmonic
0 引 言
并网逆变器在光伏并网电力系统中发挥着重要作用，其在光伏发电系统和新能源电力网络之间起到关键的连接作用。光伏发电系统产生直流电能，无法直接为电力网络供电，需要将其逆变为与电力网络电压频率相同、相位一致的电压与电流。由此，光伏发电系统和电力网络才能正常运行。传统并网逆变器存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动的问题，转换电压二次谐波含量较多，为改善并网逆变器的性能，本文设计了一种无隔离变压器结构的单相逆变器，改善当前并网逆变器的性能。同时，分析新型并网逆变器电路结构，并对其与传统并网逆变器工作效果进行比较分析。
1 分布式供电网络
随着科学技术的发展，生产力水平的提高，传统集中式供电方式面临发电方式结构亟待优化、能源利用效率、系统安全性和可靠性有待提高、环保能力有待提升等问题，而分布式供电系统却能够提高能源利用率、提升电力网络安全性和可靠性、增强环保能力[1]。大电网与分布式供电网络相结合的供电方式，能大幅提高供电效率，优化电网结构，尤其在美加大停电之后，正逐渐成为世界电力行业发展的潮流[2]。
1978年，分布式供电网络概念最先由美国公共事业管理政策法提出，之后在美国正式发展，逐渐被世界各国所接受。分布式供电方式的电能容量远小于传统的集中式供电方式，分布式供电方式采取分散化方式布置在电力用户周围，与“小机组”供电概念已有不同[3]。如图1所示，相对于集中式供电网络，分布式供电网络产生的输配电损耗极低甚至为零，无需建设配电站，从而大幅度降低了电网运行的成本以及故障发生概率，提高了电网运行可靠性，降低污染，增强环保水平[4]。
当前经济水平与规模正在处于高速发展时期，我国电力需求日益增长亟待满足，资源综合利用效率也急需增加优化。然而国内电力系统的现状仍是大规模、集中式的电网供电，即“大机组、大电厂、大电网”的电力系统，但为了更加合理地利用资源，分布式发电系统所占比例也正在逐渐提高，在北京、天津及内蒙古、新疆、云南等地区均已存在较具规模的分布式供电网络[5]。
2 光伏并网电力系统
作为传统电力发电和水力发电的有益补充，新能源发电系统在电力系统中日益占据重要地位。新能源发电方式有多种，例如风力发电、核能发电以及太阳能发电等方式，在这几种发电方式之中，太阳能发电具有利于环保和发展经济的作用，所以欧美各发达国家正在致力于推动太阳能发电工作规模化、产业化的发展，至今为止中小规模的太阳能发电已发展成为了产业。太阳能发电有光伏发电和热发电两种方式，相对于太阳能热发电方式，光伏发电方式具有维护简单、功率调节方便等突出优点，其在中、小型并网发电系统之中得到了较为广泛的应用[6]。光伏发电系统按照是否并网可分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统两种方式，相比于离网光伏发电系统，并网光伏发电系统投资效益更高，作为大电网的支撑，光伏发电以微型供电网络的方式连接到大电网上，增加了太阳能使用的灵活性，便于提高光伏发电规模。因此，光伏并网电力系统正在成为未来电力系统技术发展的潮流[7]。
如图2所示，光伏并网分布式供电网络的结构由光伏发电系统、光伏供电网络、光伏并网逆变器和电网调度控制中心等组成部分有机构成。光伏发电并网技术指光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电力用户需求的交流电之后直接接入供电网络，同时可根据需要确定是否使用蓄电池[8]。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，大型并网光伏电站虽能直接将所发电能输送到供电网络供用户使用，但建设周期长，投资大，而分布式光伏并网发电装置，尤其是光伏建筑一体化光伏发电建设时间短、经济效益高，因此成为了主要的光伏发电并网技术[9]。
3 光伏并网逆变器
光伏并网逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽逆变电路的可靠性较高，但利用效率降低，较难带动感性负载[10]。全桥逆变电路具有续流回路，因此具有较好的感性负载带动能力。但该电路也存在晶体管不共地、死区时间和电路结构复杂的特征[11]。当前并网逆变器中存在共模漏电流严重，中点电位二次脉动的问题，转换电压二次谐波含量较多，为了改善并网逆变器的性能，设计一种无隔离变压器结构的单相逆变器。如图3所示，为新型光伏并网逆变器的电路原理图，逆变器电路分为DC/DC变换模块和DC/AC变换模块两部分，前级DC/DC变换模块能实现对光伏阵列发电范围和最大功率点的追踪以及实现光伏阵列电压倍增的功能，后级DC/AC变换模块能实现光伏阵列的并网发电功能。在这种光伏并网电路中，电感L1和电容C1，C2组合起到直流侧滤波的作用，电感L2和电容C6，C7组合起到交流侧滤波的作用，光伏阵列正极连接逆变器输入端，负极与逆变器地端连接，可有效消除共模电压，高频切换的电容C3能控制输出的能量大小，从而大幅减小相互串联的电容C4和电容C5的容量。
如图4所示，为光伏并网逆变器DC/DC模块的原理图。其中，开关管Q1和Q2的驱动脉冲相互补充，电感L1和电容C3相互组合具有升压斩波的功能，二极管D3和D4能钳制升压斩波后的电压。当Q1导通时，电感电流经过D1和Q1进行储能，直流状态的电流开始逐渐增加，但由于D3具有钳制作用，电容C3和C5的电压基本保持一致。当Q1关断之后，电感电流经过D1和D6形成环路，电容C3开始进行储能，同时D4起到钳制的作用，电容C3和C4的电压基本保持一致。
如图5所示，为光伏并网逆变器DC/AC模块的原理图，当输出交流电压在正半周期时，当交流电流的方向不论是流入逆变器或是流出逆变器，T3，T4导通时，逆变器输出均为正电平。T5，T6导通时，逆变器输出电压为零伏，這一变化过程存在对C4的充电和放电。当输出交流电压在负半周期时，不论交流电流的方向是流入逆变器还是流出逆变器，输出的电平状态在负电平和0 V之间进行切换，存在对电容C5的充电与放电。
4 并网逆变器工作效果分析
针对设计的逆变器的参数，对相同的光伏阵列输入的直流电压，利用Matlab仿真软件，当输入逆变器的光伏阵列的直流电压为120 V，输入功率为6 kW，中间直流电压为800 V，电压脉动限制为25 V，开关频率为13 000 Hz时，分别应用新型光伏并网逆变器和传统光伏并网逆变器进行对比分析处理，见图6。分别应用传统逆变器和新型逆变器对光伏阵列输入电平进行分析，处理之后进行比较，经过处理传统逆变器处理后电压的二次谐波含量为1.95%，而新型逆变器处理之后电压的二次谐波含量为0.88%，较传统逆变器降低了54.87%。由此可知，新型逆变器的处理效果明显优于传统逆变器。
5 结 语
为了改善并网逆变器的性能，设计一种无隔离变压器结构的单相逆变器。通过分析新型并网逆变器电路特征，对其与传统并网逆变器工作效果进行仿真比较，得出新型逆变器输出逆变电压二次谐波含量较传统逆变器降低54.87%，取得较好的逆变效果。
参考文献
[1] 李德泉，徐建政，杨硕.分布式发电效益分析及其量化模型[J].电力系统保护与控制，2012，40（14）：147?151.
[2] 康龙云，郭红霞，吴捷，等.分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述[J].电网技术，2010，34（11）：43?47.
[3] 周卫，张尧，夏成军，等.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].电力系统保护与控制，2010，38（3）：1?5.
[4] 徐臣.配电快速仿真及其分布式智能系统关键问题研究[D].天津：天津大学，2009.
[5] 张智慧，邰能灵.含分布式电源的配电网故障智能恢复方法研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（14）：79?85.
[6] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.
[7] 郁军永，李玉广.基于三角波载波控制的单相电压型并网逆变器研究[J].电器与能效管理技术，2010（23）：37?39.
[8] 戴训江，晁勤.光伏并网逆变器自适应电流滞环跟踪控制的研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（4）：25?30.
[9] 王惠祥.太阳能光伏并网发电系统研究[D].杭州：浙江大学，2012.
[10] 沈友朋，宋平岗.无变压器光伏并网逆变器的拓扑结构[J].大功率变流技术，2010（6）：22?26.
[11] 王宝诚，郭小强，梅强，等.无变压器非隔离型光伏并网逆变器直流注入控制技术[J].中国电机工程学报，2010，29（36）：23?28.
