光伏并网发电系统中逆变器的设计

东北电力大学本科毕业设计论文PAGE3PAGEI本科毕业设计论文光伏发电系统并网逆变器的研究学生姓名：班级：学号： 指导教师： 所在单位： 答辩日期：摘要目前,世界能源结构仍然以化石能源为主,而化石能源为不可再生资源,大量耗用必将导致能源的日益枯竭,并且在生产和消费过程中导致生态环境遭到严重的破坏[3]。太阳能是一种清洁环保的可再生能源,将太阳能转化为电能进行光伏发电是太阳能利用的一种重要形式。目前,光伏并网发电是世界光伏发电系统的主流应用方式。其中,光伏发电并网逆变器的研究是并网发电的关键部分。这也是本文主要研究的内容。本文对并网逆变器的各种结构及控制策略进行了分析比较，研究了并网逆变器的工作原理，并选择了最优化结构。并对逆变电路拓扑结构，并网逆变器控制策略，锁相环技术，孤岛效应检测技术，LCL滤波技术等方面进行重点研究，同时，给出了逆变器完善的保护措施。最后通过试验操作得出结论。关键词：并网逆变器；孤岛效应；锁相环；LCL滤波AbstractCurrently,theworld'senergystructureisstillmainlyfossilenergy，Fossilenergyisnon-renewableresources,intensivewillinevitablyleadtotheincreasingdepletionofenergy,andtheecologicalenvironmenthasbeenseverelydamagedintheprocessofproductionandconsumption.Solarenergyisacleanandenvironmentallyfriendlyrenewableenergy,solarenergyintoelectricalenergyphotovoltaicpowergenerationisanimportantformofsolarenergyutilization.Atpresent,thephotovoltaicpowergenerationmainstreamapplicationofphotovoltaicpowergenerationsystemintheworld.,Photovoltaicpowergenerationandgrid-connectedinverterisakeypartofthegrid.Thisisalsothecontentsofthispaper.Inthispaper,avarietyofgrid-connectedinverterstructureandcontrolstrategyareanalyzedandcompared.Researchthegrid-connectedinverterworkingprinciple,andselecttheoptimalstructure.Focusontheinvertercircuittopology,grid-connectedinvertercontrolstrategy,PLL,islandingdetectiontechnology,LCLfiltertechnologyandsoon.Then,

discuss

theinverter‘s

integrated

protectivemeasures.Last,bythetestconcluded.Keywords:Grid-connectedinverter;Islandeffect;PLL;LCL目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及研究的意义 11.1.1课题背景 11.1.2课题研究的意义 11.2光伏并网逆变器的国内外发展现状 21.2.1并网逆变器的国外发展现状 21.2.2并网逆变器的国内发展现状 21.3本文的研究内容 3第2章并网逆变器的结构分析及工作原理分析 42.1引言 42.2逆变器的结构分析 42.2.1逆变器的分类 42.2.2并网逆变器的拓扑结构分析 52.3并网逆变器的工作原理分析 72.3.1单级式并网逆变器工作原理 72.3.2多级式并网逆变器工作原理 82.4并网逆变器的控制策略比较 102.5小结 11第3章并网逆变器的研究 123.1引言 123.2光伏并网逆变器的主要性能指标 123.2.1电网对光伏并网逆变器的要求 123.2.2光伏逆变器的性能指标 123.3光伏并网逆变器的具体结构 133.3.1并网逆变器的拓扑结构 133.3.2并网逆变器的控制策略 153.3.3锁相环技术 203.3.4LCL滤波技术 223.3.5孤岛效应检测技术 233.3.6保护措施 243.4小结 24第4章试验过程及结论 254.1试验平台拓扑结构图 254.2试验项目 254.3试验结果 31结论 33参考文献 34致谢 35第1章绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1课题背景随着世界人口的的不断增长和经济的持续发展，以及全球工业化的逐步展开，世界各国对能源的需求量也随之不断的增加，目前人类所使用的能源主要是煤炭、石油、天然气，然而这三大化石能源却呈现出日渐枯竭的趋势。因此包括中国在内的全世界各国都在积极寻找和探索可以持续利用的可再生能源[8]。太阳能是理想的可持续发展绿色能源，也是21世纪最重要的能源之一，太阳能光伏发电已是全球能源新领域的研究热点。太阳能发电只有进入电力系统规模化应用，才能真正解决能源紧张的问题。据EPIA统计数据显示，20世纪末期，太阳能光伏并网发电容量开始出现逐年扩大趋向。21世纪以来，全球太阳能光伏发电并网容量增长44.1倍，从2000年的287MW递增至2008年的12.95GW，年均增长率达60.99%，同比2007年增长72.67%，全球光伏发电并网累积总量增长10.5倍[10]。我国太阳能资源非常丰富，全国2/3的国土面积年均日照在2200小时以上，其中，西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏及内蒙古等地总辐射量和日照数为全国之最，特别是西藏西部地区，年太阳辐射量居世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠。我国太阳能有109万兆瓦，即使只开发1%的太阳能，其装机容量就能超过3600兆瓦，如果将这些太阳能用于发电，则等于上万个三峡电厂发电量的总和。因此光伏并网发电的市场前景是非常乐观的。1.1.2课题研究的意义随着太阳能光伏发电的不断普及，太阳能光伏发电站的容量不断增加。随着光伏产业的发展，光伏发电正逐步向城市并网发电、光伏建筑集成方向快速发展，在未来10-20年内,将出现越来越多的光伏并网发电系统。因此，提高光伏发电系统中电力电子装置效率、改善其输出特性以及引入并网发电技术已成为光伏发电技术乃至整个新能源发电技术研究的重要内容[11]。尤其是研究光伏并网发电系统的逆变方式、并网算法等等，都具有相当大的现实意义。光伏并网发电系统一般由光伏阵列、逆变器和控制器3部分组成。逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件,它完成控制光伏阵列最大功率点运行和向电网注人正弦电流两大主要任务。逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗,还影响到光电转换器件以及系统其他设备的容量选择与合理配置。因此,逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素,研究其结构与控制方法对于提高光伏发电系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义[6]。1.2光伏并网逆变器的国内外发展现状1.2.1并网逆变器的国外发展现状进入新世纪，随着全球自然资源的逐渐枯竭，光伏发电对缓解日益严重的能源危机和环境问题具有十分重要的意义。光伏发电技术和其他可再生能源技术一样，是解决能源危机的重要手段[7]。在目前的几种新能源技术中，光伏发电以独特的前景优势被定为未来最有优势的能源，有无穷无尽的潜力。作为光伏应用系统中的重要组成部分，光伏逆变器将会快速发展，国内外逆变器厂商之间的竞争会更加残酷。近几年，随着西班牙、德国、美国、意大利等国对本国光伏产业的大力扶持，全球光伏逆变器销售不断增加，光伏逆变器进入一个快速增长的阶段。全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头所瓜分，他们具有成熟的技术和产品，同时欧洲作为全球市场的兴起区域，其本土的逆变器发展在世界上独占鳌头。由于全球光伏市场的快速发展，欧洲的光伏逆变器厂家开始了扩张之路。1.2.2并网逆变器的国内发展现状在中国，从20世纪80年代起开始对光伏逆变器进行研究和开发，现在已有专门的公司研究和开发生产并网逆变器。由于终端市场启动时间比较晚，国内光伏逆变器厂商普遍规模较小，结构、工艺、做工，性能稳定性等指标跟国外一流企业有一定的差距，但占据国内市场超过60%的龙头企业合肥阳光电源公司已经取得快速发展，并已进入到欧洲市场及国外其他大功率市场。目前合肥阳光公司主要竞争对手为德国SMA、Satcom等国际厂商，但成本高、交货周期长是国外厂商进入国内市场的主要障碍，在国内投资生产销售是国外厂商抢占中国市场的必要之路。目前，国内生产逆变器的厂家众多，专业研究和开发光伏并网系统逆变器的厂家并不多。具有大规横生产能力的厂家主要有合肥阳光电源股份有限公司、南京冠亚电源设备有限公司、北京科诺科技有限公司等企业，这些企业的光伏逆变器技术和产量已经呈现逐年上升趋势，有些企业已经成功研发大型逆变器。由于光伏逆变器生产成本低、技术成熟、产品性能稳定的供应商少，因此逆变器毛利率可维持在35%~40%。随着大规模光伏系统电站的安装，以及光伏逆变器投资者的不断增加，毛利率一定会下降，但大型并网逆变器的品质还需要市场的考验。同时国家“金太阳工程”的启动将会大大推动国内逆变器厂家的发展，未来光伏市场的巨大空间将会给国内企业带来历史性机遇。光伏逆变器分为光伏并网逆变器和光伏离网逆变器。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将光伏电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单、成本低廉，但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。离网系统的逆变器容量由负载容量、负载性质决定，一般小于光伏系统容量。根据全球光伏安装容量计算，并网系统占光伏总安装量的绝对比例，随着国家政府的补贴政策到位，还将会进一步增加[4]。光伏发电最终想要实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模式，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。1.3本文的研究内容面对能源短缺，污染日益严重的现状，可再生能源技术是人类当今研究的热点。太阳能是理想的可持续发展绿色能源，也是21世纪最重要的能源之一，太阳能光伏发电已是全球能源新领域的研究热点[2]。基于光伏发电系统中并网逆变器的重要性，本文重点研究并网逆变器的性能，逆变器是连接光伏阵列和电网的关键部件,它完成控制光伏阵列最大功率点运行和向电网注人正弦电流两大主要任务。本文主要研究并网逆变器的并网控制性能。主要内容包括以下几个方面：讨论并网逆变器的各种拓扑结构及工作原理。研究并网逆变器的控制策略。对本文提出逆变器的各种性能进行分析。对本文所提出的逆变器进行试验分析并得出结论。第2章并网逆变器的结构分析及工作原理分析2.1引言通常，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[8]。由于光伏发电系统产生的是直流电，但民用电力以交流供电为主，而且太阳能发电正逐步走向并网运行，这就意味着太阳能发电必须通过逆变器将直流电转换为交流电。因此，光伏逆变器在太阳能发电系统中具有举足轻重的作用。逆变器的主要功能是将电源的可变直流电压输入转变为无干扰的交流正弦波输出，既可供设备使用，也可反馈给电网。除了实现交直流的转换之外，逆变器还能执行其它功能，如将电路断开，避免电路因电流突然波动而损坏，此外还能为电池充电、对数据的使用和性能进行存储、以及跟踪最大功率点(MPPT)等，以尽可能提高发电的效率。所以，对逆变器的分析研究至关重要。2.2逆变器的结构分析2.2.1逆变器的分类1.按宏观可分为：普通型逆变器，逆变/控制一体机，邮电通信专用逆变器，航天、军队专用逆变器。按逆变器输出交流电能的频率分：工频逆变器，中频逆器，高频逆变器。工频逆变器的频率为50~60Hz的逆变器，中频逆变器的频率一般为400Hz到十几KHz，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：单相逆变器，三相逆变器，多相逆变器。按照逆变器输出电能的去向分可分为：有源逆变器，无源逆变器。按逆变器主电路的形式分可分为：单端式逆变器，推挽式逆变器，半桥式逆变器，全桥式逆变器。按逆变器主开关器件的类型分可分为：晶闸管逆变器，晶体管逆变器，场效应逆变器，绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器。按直流电源分可分为:电压源型逆变器（VSI），电流源型逆变器（CSI）。按逆变器控制方式分可分为：调频式（PFM）逆变器，调脉宽式（PWM）逆变器。9.按逆变器开关电路工作方式分可分为：谐振式逆变器，定频硬开关式逆变器，定频软开关式逆变器。10.按逆变器输出电压或电流的波形分可分为：方波逆变器，阶梯波逆变器，正弦波逆变器。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。其优点是线路简单、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。阶梯波逆变器输出的电压波形为阶梯波，逆变器实现阶梯波输出有多种不同的线路，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[1]。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。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。11.按隔离方式光伏逆变器可分为：独立光伏系统逆变器、并网光伏系统逆变器。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。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。2.2.2并网逆变器的拓扑结构分析电压源型逆变器和电流源型逆变器的结构如图2-1所示。电流源型逆变器其直流侧输入为电流源，需要串联一大电感提供较为稳定的直流电流输入，但此大电感会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用直流侧以电压源为输入的电压源型逆变器。DCDCACLId+UdCuDCACL+UdCdu+电流源型逆变器电压源型逆变器图2-1电压源型及电流源型逆变器拓扑结构图工频变压器型逆变器采用一级DC/AC主电路，变压器置于逆变器与电网之间，如图2-2所示。这种方式可有效阻止逆变器输出波形中的直流分量注入电网，减少对电网的污染。高频变压器型逆变器采用两级或多级变换实现并网逆变。以两级变换为例，如图2-3所示。前级将直流电压斩波为高频脉冲，通过高频变压器后整流，后级通过逆变器并网。aabCdLTusPV+图2-2工频变压器型逆变器拓扑结构图LLabCdTusCsPV++图2-3高频变压器型逆变器拓扑结构图高频变压器与工频变压器相比，体积小、重量轻，大大减小了投资成本。因此，一般倾向于采用高频变压器实现升降压和隔离的功能。为了尽可能提高效率和降低成本，并网逆变器向无变压器的非隔离型发展。与隔离型逆变器相比，非隔离型逆变器具有体积小、成本低、效率高等优点[15]。但由于输出与输入之间没有隔离，光伏模块存在一个较大的对地寄生电容，从而导致较大的对地漏电流。此漏电流会严重影响逆变器工作模式，也可能引发安全事故。3.单级式并网逆变器如图2-4所示，由于直接将太阳能光伏板发出的直流电通过逆变器并入电网，因此结构简单，所需元器件少，体积较小，高效低功耗，减少资金投入，目前已成为研究热点。多级式并网逆变器相对于单级式来说需要多一级的能量转换，其中前几级具备升降压或隔离的功能，用以实现电压调整和MPPT的功能；最后一级实现单位功率因数并网、孤岛检测等功能，如图2-5所示。此类拓扑结构简化了各级的控制方法，提高了各级控制方法的效率。DCDCACPV滤波器us图2-4单级式逆变器拓扑结构图DCACDCACPV滤波器usDCACPVACDCDCAC滤波器us双级式DCDC多级式2.3并网逆变器的工作原理分析2.3.1单级式并网逆变器工作原理单级式并网逆变器根据输入电压和输出电压的关系，可分为Buck逆变器、Boost逆变器和Buck-Boost逆变器。图2-6为一个四开关非隔离型半桥Buck-Boost逆变器，其将输入端的光伏电源分为两部分，分别为两组Buck-Boost电路交替工作：当交流电网在正半周期时，开关管V2常通，开关管V1处于高频工作，V1导通时，PV1向L1供电，V1关断时，L1中的电流通过D1、V2和Ls向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V4常通，开关管V3处于高频工作，V3导通时，PV2向L2供电，V3关断时，L2中的电流通过D2、V4和Ls向电网回馈。本电路在每半个周期内只有两个开关管工作在高频状态，具有开关损耗低、EMI弱等优点。但是该拓扑结构光伏模块利用率较低，所需直流滤波电容体积较大。PVPV2CPVCPV++PV1usL1L2LsV1V2V3V4D1D2图2-6四开关非隔离型半桥Buck-Boost逆变器拓扑图2-7为一个隔离型反激式逆变器拓扑结构，变压器可看作是一对相互耦合的电感，其只用三个功率开关管和一个隔离变压器就可实现Buck-Boost变换：当交流电网在正半周期时，开关管V2常通，开关管V1处于高频工作，V1导通时，D1和V2处于断态，PV向电感充电，V1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L1、D1、V2和Ls向电网回馈；当交流电网在负半周期时，开关管V3常通，开关管V1仍处于高频工作，V1导通时，D2和V3处于断态，PV向电感充电，V1关断时，变压器中的磁场能量通过绕组L2、D2、V3和Ls向电网回馈。该拓扑将光伏阵列和电网隔离，但损耗有所增加。因受反激式变压器初级绕组电感量的限制，该拓扑常用于微型光伏并网系统。PVPVCPV+usL1LsV2D1L2V3D2V1图2-7隔离型反激式逆变器拓扑单级式Buck-Boost并网逆变器省去了工频变压器，结构简单、体积小、投资成本小。但需要电感储能实现升压，因此仅适用于小功率场合。在大功率场合，多级式并网逆变器更为适合。2.3.2多级式并网逆变器工作原理1.DC-DC-AC双级式图2-8为两级式非隔离Boost逆变器的典型应用。该拓扑由前级Boost升压电路和后级全桥逆变电路组成。前级变换器实现对光伏阵列的升压,保证直流电压波动在系统允许范围内，并且实现MPPT功能[20]。后级变换器采用PWM控制方式以单位功率因数并网，并实现孤岛检测等功能。该拓扑应用两种典型成熟电路，简单可靠，并且前后级控制目标分离，分别独立控制，大大简化了控制算法，易于实现。但该拓扑没有变压器，在有电气隔离要求的场合不适用。aabCdLsusPVCPV+Lf图2-8两级式非隔离Boost逆变器拓扑图2-9为一种高功率解耦隔离型反激式逆变器拓扑。该拓扑由前级Buck-Boost升斩波电路和后级半桥逆变电路组成。前级变换器实现对光伏阵列的电压变换，并且实现MPPT功能：当V1和V4导通时，PV阵列通过V1、V4、D1和D2向电容Cd传递能量；当V1、V4关断，V2和V3导通时，Cd中的能量传递给反激变压器并存储在励磁电感中；当V2和V3关断时，励磁电感中的能量传递至变压器的副边。当电网在正半周时，开关管V5常通，绕组L1通过V5、D3和Ls向电网回馈能量；当电网在负半周时，开关管V6常通，绕组L2通过V6、D4和Ls向电网回馈能量。中间电容Cd被用作能量的缓存器，其两端电压由直流分量和两倍负载频率的交流电压组成。该拓扑的结构是用中间电容取代了电解电容，使逆变器的整体寿命大大延长[3]。CCPVb+usL1L2LsV1V5V4V6D1D2+PVV2V3D3D4CsPV图2-9两级式高功率解耦隔离型反激式逆变器拓扑2.DC-AC-DC-AC多级式高升压比的多级式逆变器拓扑通常由高频DC-AC-DC变流器和工频（或高频）逆变器两部分组成。高频DC-AC-DC变流器将PV阵列输出电压变为可调直流电压；逆变器将该直流电转换成为工频交流电并网。图2-10的后级是一个电流源型工频逆变器的多级式光伏并网逆变器。前级逆变器开关管V1、V2、V3和V4工作在高频状态：当V1和V4导通时，D1和D4导通，电感L的电流逐渐上升；当V2和V3导通时，D2和D3导通，电感L的电流也上升。当四个开关管都关断时，四个二极管均导通，电感L的电流逐渐下降。控制得当即可在电感L上得到电流全波。后级逆变器工作在工频状态：当电网在正半周期时，V5和V8导通；当电网在负半周期时，V6和V7导通。该拓扑中间不需要电容，但如果V1、V4和V2、V3的导通时间不对称，交流电压uab中将含有直流分量，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，造成磁路饱和。aabCPVT+LabV1V2V3V8V4V5V6V7D1D3D4D2图2-10电流源型多级式逆变器拓扑多级式光伏并网逆变器通常在前级接入高频变压器，提高升压比例，实现电气隔离；后级是工频逆变器，减少必要的开关损耗。但该类拓扑需要开关器件较多，导致开关损耗有所增加。2.4并网逆变器的控制策略比较光伏逆变器对于功率因数有较高要求，为了准确实现高功率因数逆变，需要对输出电流进行控制，通常的电流控制方式有两种：其一是间接电流控制，也称为相位幅值控制，控制原理简单，但精度较差，一般不采用；其二是直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈，种控制方法控制精度高，准确率好，系统鲁棒性好，得到广泛应用。1.间接电流控制方式间接电流控制以电压矢量图为基础，利用控制手段使逆变器的输出电流始终和电网电压同向，使输出功率因数为1。2.直接电流控制方式直接电流控制是一种电流跟踪控制方式，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反馈信号与电压外环输出的信号经比较器比较后，去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值或谷值直接跟随电压反馈回路中误差放大器输出信号的变化。并网逆变器采用的电流控制是将逆变器输出作为电流源，它与电网的并联可看作电流源与电压源的并联工作。并网工作中只需控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪电网电压变化即可达到并联运行的目的。常用的电流跟踪控制策略主要有瞬时值滞环控制方式、三角波比较控制方式及无差拍控制方式。(1)滞环控制方式滞环控制是把正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到的误差量作为滞环比较器的输入，其输出来控制逆变电路功率管的通断。该控制方式选择适当的环宽很重要，环宽越小，跟踪误差越小，但开关频率越高，开关损耗越大。该控制方式电路简单、不用载波、电流响应速度快，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。但功率开关频率随负载电流的变化而变化，造成功率开关工作有很大的不确定性，导致逆变器输出电压中谐波频率随开关频率变化而变化，从而给输出滤波设计带来困难。(2)三角波比较控制方式三角波比较控制方式将正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到误差量经PI调节器后送比较器，与三角波比较后得到的SPWM信号去控制主电路功率管的导通与截止。该控制方式与电路跟踪特性和PI电路参数有关，对于PI电路响应快的系统，必须提高三角波载波频率。三角波载波常使用三相三角波信号，以改善输出电压波形，该方法输出电流的谐波脉动比滞后比较器方式少，因此，常用于对谐波和噪声要求较高的地方。(3)无差拍控制方式无差拍微处理器控制PWM逆变器是一种基于电路方程式的控制法，其思路是根据电路理论求出决定脉冲宽度的控制方程式，并借助微处理器行脉宽计算，使逆变器的输出电压逼近理想的正弦波。由于脉冲宽度是根据逆变器当前的电路状态实时确定的，因而无差拍PWM调制法比开环PWM调制法具有更好的动态性能和较强的负载适应能力。当负载突变时，可以减少过渡过程时间，当用于非线性负载时，可以减少输出电压的谐波含量。2.5小结本章对逆变器进行了分类，对各种拓扑结构的并网逆变器进行比较总结，研究了各种结构逆变器的工作原理。分析比较了常用的逆变器电流控制策略，其中重点研究了工频逆变器以及高频逆变器的拓扑结构，重点分析了单级式并网逆变器及多级式并网逆变器的工作原理。控制策略分为间接电流控制方式和直接电流控制方式，本章重点介绍了直接电流控制方式中的滞环控制方式，三角波比较控制方式，无差拍控制方式等。第3章并网逆变器的研究3.1引言逆变器并网运行需要达到如下几个指标，逆变器输出的正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步，并且能够实时的跟踪电网参数的变化，电流的总畸变要低，使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因数近似为1。所以选择一个好的控制策略以提高并网逆变器的效率至关重要[9]。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。经典控制理论的控制策略主要包括电压均值反馈控制，电压单闭环瞬时值反馈控制，电压单闭环瞬时值和电压均值相结合的控制方法，电压电流双闭环瞬时控制。现代控制理论的控制策略包括电压电流双闭环瞬时控制，无差拍控制，滑模变结构控制，模糊控制，重复控制等。对于并网逆变器还需达到并网要求，所以对于并网逆变器的控制还需考虑锁相环技术，孤岛效应检测技术和各种保护等。3.2光伏并网逆变器的主要性能指标3.2.1电网对光伏并网逆变器的要求逆变器并网运行需要达到如下几个指标，逆变器输出的正弦波电流与电网的在频率、相位上保持同步，并且能够实时的跟踪电网参数的变化，电流的总畸变要低，使并网系统的有功功率输出达到最大，功率因数近似为1，能够检测出孤岛效应，安全隔离接地。为了避免光伏并网发电系统对公共电网的污染,逆变器应输出失真度小的正弦波。影响波形失真度的主要因素之一是逆变器的开关频率。在数控逆变系统中采用高DSP等新型处理器,可明显提高并网逆变器的开关频率性能,它已成为实际系统广泛采用的技术之一。同时,逆变器主功率元件的选也至关重要。依据IEEE2000-929和UL1741标准,所有并网逆变器必须具有防孤岛效应的功能。孤岛效应是指当电网因电气故障、误操作或自然因素等原因中断供电时,光伏并网发电系统未能及时检测出停电状态并切离电网,使光伏并网发电系统与周围的负载形成一个电力公司无法掌握的自给供电孤岛[7]。防孤岛效应的关键是对电网断电的检测。为了保证电网和逆变器安全可靠运行,逆变器与电网的有效隔离及逆变器接地技术也十分重要。电气隔离一般采用变压器。3.2.2光伏逆变器的性能指标根据以上光伏并网发电系统对逆变器的要求，为正确选用光伏发电系统用的逆变器，应对逆变器的技术性能进行评价。评价内容有如下几项：

1.额定输出容量

表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率小于1时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。

2.输出电压稳定度

表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0%-100%变化时，该逆变器输出电压的偏差，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应，负载调整率。

3.整机效率

表征逆变器自身功率损耗的大小，通常以％表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。KW级以下逆变器的效率应为80%-85%，10kw级逆变器的效率应为85%-90%。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要影响。

4.保护功能

过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器还具有欠电压保护、缺相保护及温度越限报警等功能。

起动性能

逆变器应保证在额定负载下可靠起动。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，有时采用软起动或限流起动。

对于大功率光伏发电系统和联网型光伏发电系统逆变器的波形失真度和噪声水平等技术性能也十分重要。3.3光伏并网逆变器的具体结构3.3.1并网逆变器的拓扑结构本文提出的并网逆变器由基于先进的IGBT为主的功率模块的转换设备、保护控制装置、以及输入和输出开关设备等组成。系统功率部分模块化、可扩展、安装维护方便、结构布局优化、设备占地面积小，系统控制部分采用专业的控制保护平台，硬件资源丰富、软件功能完善、控制参数和运行参数配置灵活方便，可最大程度满足用户对系统灵活性和可伸缩性的要求。地面光伏电站为分布式发电系统，1MW为一个发电单元。MW级光伏发电单元需要采用两台光伏逆变器并联，通过双分裂升压变压器接入上级10kV或35kV系统。具体布置结构如图3-1所示。图3-1光伏并网逆变器具体布置结构图如上图所示，该电路拓扑结构具有电路结构简洁、单级功率变换、变换效率高等优点。虽然工频变压器有体积重量大，噪音大等缺点，但是由于本结构适用于大功率系统，所以输入输出的电气隔离很重要。图3-2为本文提出的并网逆变器电路图。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。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，则必须采用锁相控制技术实现与电网同步。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,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。图3-2光伏并网逆变器电路图综上所述，本文提出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，即电压源型逆变器。采用电压源型逆变主电路,可以同时实现有源滤波和无功补偿等功能，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。3.3.2并网逆变器的控制策略电压空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压（电流）矢量切换来控制变流器的一种思路新颖的控制策略，SVPWM技术最初是应用在电机调速领域的，后来扩展成为一种在整流/逆变领域应用广泛的PWM方法[8]。此处主要讨论三相桥式电压型逆变器空间电压矢量控制。将SVPWM应用于有源逆变控制之中，主要继承了SVPWM电压利用率高、谐波成分低、动态响应快等优点，目前应用于有源逆变控制中的SVPWM技术主要分成两类：其一是基于固定开关频率的SVPWM电流控制，即利用（d，q）同步旋转坐标中电流调节器输出的空间电压矢量指令，再采用SVPWM使逆变器的空间电压矢量跟踪电压矢量指令，从而达到电流控制的目的；其二是利用基于滞环电流控制的SVPWM，即利用电流偏差矢量或电流偏差变化率矢量空间分布给出最佳的电压矢量切换，使电流偏差控制在滞环宽度以内，这实际上是一种变开关频率的SVPWM[20]。电压空间矢量PWM控制目前已成为逆变控制研究的热点，相应的新方案、新思路不断涌现，本章首先就SVPWM基本问题加以展开，然后进一步讨论了三相有源逆变器固定开关频率SVPWM控制。SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间可以一次施加，也可以在一个采样周期内分多次施加，这样通过控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，就可以使逆变器输出近似正弦波电压。首先定义电压空间矢量概念，将三相相电压、、分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量、、,它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°。假设Um为相电压有效值，f为电源频率，则有：(3-1)则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量U(t)就可以表示为：(3-2)可见U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量U(t)在三相坐标轴（a，b，c）上的投影就是对称的三相正弦量。我们知道三相逆变器的开关信号（Sa，Sb，Sc）可以产生8种基本工作状态，即：100、110、010、011、001、101、111、000。易得到开关状态与相电压和线电压的对应关系，可以求出这些相电压的矢量和相位角，这八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名为U0(000)、U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、U7(111)，其中U0、U7称为零矢量，其余六个基本电压矢量是有效的，称做非零矢量。图3-3给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同（模长为2Udc/3），相邻的矢量间隔60°，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：(3-3)或者进一步等效写成下式：(3-4)其中，Uref为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、Ty、T0分别为对应两个非零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间；其中U0包括了U0和U7两个零矢量。式(3-3)的意义是，矢量Uref在T时间内所产生的积分效果和Ux、Uy以及零矢量作用时间Tx、Ty、T0、T7的积分相加总和值效果相同。将三相静止平面坐标系（a，b，c）中的相电压转换到两相垂直平面坐标系（α，β）中去。转换结果见表3-1和图3-3。表3-1开关函数与电压在（α，β）坐标系中分量的对应关系矢量符号SASBSCUAUBU000000U1001-(1/6)1/2UD-(1/2)1/2UDU2010-(1/6)1/2UD(1/2)1/2UDU3011-(2/3)1/2UD0U4100(2/3)1/2UD0U5101(1/6)1/2UD-(1/2)1/2UDU6110(1/6)1/2UD(1/2)1/2UDU711100图3-3复平面下八个基本电压矢量分布图由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图3-4所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用以上电压向量合成的技术，再对照旋转电压的观念，在电压空间向量上，将设定的电压向量由U4(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的[18]。图3-4电压空间矢量图假定三相电压命令所合成的电压向量，其频率以f表示，亦即设定的电压向量的旋转角速度是ω=2πf，旋转一周所需的时间为T=1/f；假设载波频率是fs，则频率调变比R=fs/f。这样将电压旋转平面等切割成2R个小增量，亦即设定电压向量每次增量的角度是：(3-5)式中Ts=1/fs为载波周期。定义Tz=Ts/2为载波周期的一半。今假设欲合成的电压向量Uref在第Ⅰ区中第一个增量的位置，如图3-5所示，欲用U4、U6、U0及U7予以合成，用平均值等效可得：(3-6)图3-5电压空间向量在第Ⅰ区的合成与分解在静止参考坐标系（α，β）中，令Uref和U4间的夹角是θ，由正弦定理得到：(3-7)因为4U=6U=2Udc/3，所以可以得到各矢量的状态保持时间为：(3-8)式中m为SVPWM调制系数（调制比），而零电压向量所分配的时间为：(3-9)得到以U4、U6、U7及U0合成的Uref的时间后，接下来就是如何产生实际的脉宽调制波形。在SVPWM调制方案中，零矢量的选择具有一定的灵活性，适当选择零矢量，在保持采样周期不变的前提下最多可将开关次数减少三分之一，并且这样的零矢量分配方案有很多种。但仅仅减少开关次数并不能使开关损耗最小，在最大限度地减少开关次数的同时，尽可能避免在负载电流较大的时刻开关动作，可最大限度地减少开关损耗。在此，我们暂以减少开关次数为主要目标，因此我们将基本矢量作用顺序的分配原则选定为：在一个开关周期中功率开关的动作次数尽可能最少。因为这样可以减少开关损耗，并尽可能减少谐波。此处我们选择了在每次开关状态转换时，只改变了其中一相的开关的状态，并且零矢量在时间上进行了平均分配的方案，可称之为对称SVPWM方案，正是由于PWM波形的对称性，从而可以有效地降低PWM的谐波分量。可以发现当U4(100)切换至U0(000)时，只需改变a相上下一对切换开关，若由U4(100)切换至U7（111）则需改变b相与c相上下两对切换开关，增加了一倍的切换损失。因此要改变电压向量U4(100)、U2(010)、U1(001)的大小，需配合零电压向量U0(000)，而要改变U6(110)、U3(011)、U5(100)，需配合零电压向量U7(111)。这样就可以在不同区间内安排不同的开关切换顺序，以获得对称的输出波形，如表3-2所示。表3-2Uref所在位置与开关切换顺序对照表Uref所在的位置开关切换顺序第Ⅰ区（）0-4-6-7-7-6-4-0第Ⅱ区（）0-2-6-7-7-6-2-0第Ⅲ区（）0-2-3-7-7-3-2-0第Ⅳ区（）0-1-3-7-7-3-1-0第Ⅴ区（）0-1-5-7-7-5-1-0第Ⅵ区（）0-4-5-7-7-5-4-0图3-6扇形Ⅰ区内的三相波形以第Ⅰ扇区为例，其所产生的三相波调变波形在时间Tz时段中如图3-4所示，图中电压向量出现的先后顺序为U0、U4、U6及U7，各电压向量的三相波形则与表3-1中的开关表示符号相对应。再下一个Tz时段，Uref的角度增加一个γ，利用式（3-7）可以重新计算新的T0、T4、T6及T7值，而合成图3-4所示三相脉波右半边的波形，但其合成的顺序为U7、U6、U4及U0。结合两个Tz时段，可以得到一次三相的脉波；又因Ts=2Tz，故每一个载波周期Ts合成一次脉波，设定电压向量旋转一周期后，共产生R个脉波。当θ逐渐增大时，Uref将依序进入第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区等，在各区中合成Uref所用的换流器基本电压向量虽然不同，但计算的公式仍与（3-7）、（3-8）、（3-9）类似。值得注意的事，一个载波周期内产生三相脉波的时序，计算脉波前半部的时序与后半部的时序并不相同，这是因为计算后半部时序的角度较前半部多一个γ。应用电压空间向量调制法时，在输入端需设定载波频率fs、设定电压命令Uref的大小与频率f，其次调制法则决定R、Tz及θ后，即可根据表3-2产生三相脉波；当设定电压改变时，脉波的宽度与时序亦会随之改变。一般来说，SVPWM的控制方案分为三个部分，即三相电压的区间分配、矢量合成的最佳序列选择和控制算法。电压的区间分配直接影响到具体的控制算法，矢量合成序列选择的不同则关系到开关损耗和谐波分量。通过以上SVPWM的法则推导分析我们可知要实现SVPWM信号的实时调制，首先需要知道参考电压矢量Uref所在的区间位置，然后利用所在扇区的相邻两电压矢量和适当的零矢量来合成参考电压矢量，所以SVPWM算法的基本步骤为：1）判断Uref所在的扇区；2）计算相邻两开关电压矢量作用的时间；3）根据开关电压矢量作用时间合成为三相PWM信号。图3-5是在（α，β）坐标系中描述的电压空间矢量图，电压矢量调制的控制指令是矢量控制系统给出的矢量信号Uref，它以某一角频率ω=θt在空间逆时针旋转，当旋转到矢量图的某个60°扇区中时，系统选中该区间所需的基本电压空间矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控制矢量在空间旋转360°后，逆变器就能输出一个周期的正弦波电压。在高性能的交流调速及三相逆变系统中，通常采用三相轴系到（α，β）坐标系的变换[18]。闭环控制系统中，参考电压矢量的（α，β）分量Uα和Uβ通过闭环控制器的输出很容易获得；开环控制系统中，将期望输出的电压映射到（α，β）坐标系中就可以获得这两个分量。这两个分量在扇区I中与参考电压矢量Uref的关系如图3-4所示。获得这两个分量后，空间电压矢量调制就可以比较容易的实现了。3.3.3锁相环技术逆变器并网的条件是其输出的正弦波电流与电网电压在频率、相位上同步，并且能够实时的跟踪电网参数的变化。锁相环技术（PLL）能够很好地跟踪电网基波电压，即使在电网谐波畸变率很大的情况下也应该能够达到要求。因此，PLL可以看作无相位畸变的高阶带通滤波器。PLL的基本结构如图3-7所示。PLL的输入为电网电压的和部分，输出为基波正弦波形。其结构使用的是额定电网幅值。由于使用了两个乘法器、两个除法器和一个均方根操作，因此这种PLL算法在数字处理器中比较耗时。改进的PLL结构如图3-8所示,其中为50Hz时的基波幅值[16]。图3-7同步三相动态电压的锁相环结构图3-8改进的PLL结构（假设电网电压频率不变）假设电网无谐波,并且频率固定为50Hz,则图3-8的PLL结构中PI控制器的误差输入为：(3-10)其中和分别为电网电压相位和PLL的输出相位。为了方便调节PI控制器的参数，将PI控制器的输入在工作点附近进行线性化[20]。由于在稳态操作点附近，PI控制器的误差输入(-)等于零，则PI控制器的线性误差输入表示为泰勒级数为：(3-11)因此,PI控制器的误差输入可表示为:(3-12)则PLL的小信号线性化传递函数表示为:(3-13)式(3-13)为存在一个零点的典型的二阶系数。为比例系数，为积分时间常数。则PLL的自然频率和阻尼系数分别为：(3-14)(3-15)根据上升时间和超调量的关系，系数最优阻尼比为。而自然频率与二阶系统上升时间之间的关系可表示为：(3-16)则PI控制器的参数可根据上升时间和电网电压幅值决定：(3-17)(3-18)假设上升时间为10ms的最优阻尼系数，则PI控制器参数为：比例系数=0.82，积分时间常数=0.008。3.3.4LCL滤波技术图3-10所示的单相LCL滤波器由逆变器侧电感L1、滤波电容C1和网侧电感L2组成，为直流侧电压，为逆变器的桥臂中点输出电压，为电网电压。图3-9LCL并网逆变器图3-11为单一电流环控制的框图，其中表示等效的系统延时，为电流调节器。延迟环节不影响原系统的幅值，但会影响原系统的相位延迟。在谐振频率固定的前提下，逆变器开关频率越高，相位延迟作用越小，甚至可以忽略。但是，若考虑系统延迟，进网电流的相位穿越-180时的频率必定小于谐振频率，闭环系统更容易满足稳定判据，有利于电流调节器的参数设计。因而，在该类控制方案下，滤波器参数以及逆变器开关(采样)频率同系统性能密切相关。随着谐振频率同开关频率的比值的增大，对于逆变器侧电流的闭环控制来说，系统稳定性变差；而对于进网电流的单闭环控制来说，系统稳定性反而有一定的改善[18]。图3-10单一电流环控制框图3.3.5孤岛效应检测技术孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时，并网装置仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。当电网的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时，电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。孤岛效应会对光伏发电系统与电网的重连接制造困难，同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此必须避免孤岛效应的发生[15]。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[19]。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”,但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。因此，为了克服主动检测法与被动检测法，本设计采用主动被动相结合的检测方法。3.3.6保护措施性能优良的逆变器，应具有完善的保护措施，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.输入欠压保护：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.输入过压保护：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.输出短路保护：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。3.4小结本章对所提出的并网逆变器的拓扑结构及逆变器的控制策略进行了研究。同时重点研究了锁相环技术，LCL滤波技术，孤岛效应检测方法等。最后介绍了完善的保护措施。第4章试验过程及结论4.1试验平台拓扑结构图图4-1试验平台拓扑结构图虚线框内是被测试系统，如图，其它部分是励磁调节系统构成的光伏测试平台。试验平台提供的试验条件如下：1.380V交流电源，及380V三相进线电缆，额定电流为1000A；2.270V三相交流电并网接口，额定电流为1283A；3.RCS9410励磁调节器，输出直流电压0-800V可调；4.为调试设备、后台计算机使用提供的220V交流电源；试验基本原则：二次系统先上电，一次回路先断电。4.2试验项目耐压试验直流输入回路、交流输出回路分别对地进行直流2800V/60s耐压试验，试验过程中有无击穿和闪络异常现象。直流耐压试验能有效地发现绝缘受潮，脏污等整体缺陷，并能通过电流与泄漏电流的关系曲线发现绝缘的局部缺陷。2.二次电源输出检验首先，用万用表电阻档检验二次电源变压器、UPS输出、开入24V、霍尔电源、IGBT驱动电源输出、光电转换板电源输出，确保无短路后，给交流侧实验电源上电。然后，用万用表在直流柜ZD端子侧，测量各二次控制电源输出电压（此时二次电源应为空载），空载输出电压正常后，将二次控制电源负载连上（注意：除光电转换板），复测输出电压是否正常。最后，测量光电转换板电源输入，确保极性及幅值正确。（光电转换板15V输入有正负接反现象，请务必在插头插上前保证光电转换板电源输入为+15V，否则会烧坏光电转换板及驱动板）。各二次电源输出电压值应如下表所示：表4-1二次电源输出电压测量点标准值（V）测量点标准值（V）二次电源变压器输入270±13.5AC霍尔电源15±0.5DC二次电源变压器输出220±11ACIGBT驱动电源15±0.5DCUPS输出220±11AC光电转换板电源输入15±0.5DC开入24V24±0.5DC3.光伏逆变器开入开出检查用直流24V+作开入信号模拟，在后台对应屏柜图纸检查每路开入信息，确认准确无误。在后台对应屏柜图纸，对各路开出信号进行模拟，确认对应开关、接触器准确分合，同时对应的位置开入信号正确变位；确认各路风机正常运行。4.光伏逆变器采样试验通过继电保护仪对光伏逆变器直流电压、三相系统电压、三相逆变电压、三相逆变电流采样通道进行校验。并通过PCS-PC后台录波，核对各模拟量的幅值、相位是否正确。交流电流采样测试：测量时，导线的绕圈匝数为10，从P2侧穿过待测量逆变器A、B相CT，用继电保护测试仪输出交流5A电流，在后台观察模拟量“逆变器A相电流有效值”、“逆变器B相电流有效值”的测量值，记录数据并录波核对；交流电压采样测试：用继电保护测试仪在交流柜PT对应的UD端子排侧，输出交流23.7V电压，在后台观察模拟量“逆变A相电压有效值”、“逆变B相电压有效值”、“逆变C相电压有效值”的测量值，记录数据并录波核对；直流电压采样测试：通过投励增磁的方法对直流侧加直流电压，在后台观察模拟量“进线直流电压”测量值，同时用万用表测量直流柜进线母排电压值，记录数据。要求：交流电压、电流及直流电压采样值相对误差应小于5%；图4-2三相系统电压及电流采样录波波形5.IGBT及PWM驱动脉冲输出试验首先，将逆变器A、B、C三相各IGBT驱动板的光纤正确连接至试验装置上，光纤连接时注意上下管对应的顺序。在PCS-PC中整定定值选项将测试占空比设置为0.8，然后在软压板中，将“固定占空比测试”、“强制PWM使能”置1，即开通整流侧PWM输出。利用上拉电阻的方法进行测试，具体测试电路如下图所示，直流电源为+24V。图4-3逆变器模组简化图图4-4外加测试电路图图4-5IGBT及PWM驱动脉冲输出试验PCS-PC画面图4-6上管脉冲波形图4-7下管脉冲波形6.开环、闭环试验开环试验：试验前请确认直流断路器及交流断路器已分开，直流充电接触器在合位，直流放电接触器在分位。首先将直流电源投励（不要增磁，投励即可）输出340V左右直流电压，合上直流断路器，然后在PCS-PC后台“软压板”选项中将“合逆变接触器”置0，“分逆变接触器”置1；再将“开环测试”置1，“固定占空比测试”置0，“强制PWM使能”置1。此时三相桥臂输出三相对称电压，用PCS-PC录波观察逆变三相电压、三相电流幅值及相位，三相电压及电流应对称，如图4-8。图4-8开环录波波形开环试验完成后将“软压板”选项中更改的定值复位。闭环试验：试验前请确认直流断路器及交流断路器已分开，直流充电接触器在合位，直流放电接触器在分位。在PCS-PC后台“软压板”中将“合逆变接触器”置0，“分逆变接触器”置1。确保并网条件满足时接触器仍在分位。在“定值整定”中将“逆变器有功输出手动设定”值改为50，“逆变器有功输出无功设定”值改为0。合交流断路器，完成交流侧电源上电。将直流电源投励，直流电压同步上升，投至19.99°即满励为止。合直流断路器，后台“状态”-“遥信”中“直流充电接触器”位置应由1变0。三分钟后，将软压板“启动光伏并网”置1，用PCS-PC录波观察幅值相位，三相桥臂输出电压应与电网电压同频同相，如图4-9。图4-9闭环录波波形7.并网试验接闭环试验后，将PCS-PC->“软压板”->“停止光伏并网”置1，“分逆变接触器”置0，然后“启动光伏并网”置1，完成光伏逆变器并网，实时监视逆变器运行状态。在PCS-PC后台监视“状态”-“遥信”中交流接触器在合位，保护测量中输出有功功率50kW，确认并网成功。如图4-10所示，50kW功率时的并网录波波形：图3-21功率为50kW时并网录波波形在“定值整定”中将输出功率增至100kW，观察逆变器状态，5分钟后测量一次IGBT温度，如发现局部过热点需立即停机；图4-10并网录波波形在“定值整定”中将输出功率增至200kW，观察逆变器状态，5分钟后测量一次IGBT温度，如发现局部过热点需立即停机；在“定值整定”中将输出功率增至300kW，让逆变器稳定运行10分钟。观察逆变器状态，每5分钟测量一次IGBT温度，如发现局部过热点需立即停机。上述过程中确认当温度达到设定值45℃时，风机能正常启动。8.升功率及拷机试验光伏逆变器并网运行平稳后，逐步增加“定值整定”中逆变器输出有功功率，使逆变器输出功率逐步达到额定功率，开始拷机试验。前半个小时每五分钟观察一次IGBT温度，拷机试验时间不小于2小时。拷机试验过程中需实时观测IGBT、散热器、电抗器、LCL滤波电阻等各主要发热源的温度，每半小时记录一次数据，IGBT及其他元件温升不大于50度，IGBT之间温度差异不大于10度，滤波电阻温度不大于200度，所有元件（除滤波电阻外）最高温度不大于90度。如有温度异常或气味异常，尽快停机检查故障来源。正常停机方式：定值整定中，将逆变器输出功率手动设定值逐步减少到50kW，然后选择软压板中“停止光伏并网”，然后将直流电源投励19.99°状态，改为逆变状态，分开交流断路器，再分开直流断路器，待直流电压降到50V以下后，才能切断电源开关柜中AK2、AK3、AK5断路器，然后关闭UPS，最后断开二次系统电源，拆除试验接线，试验完毕。4.3试验结果耐压试验耐压前：直流进线端绝缘阻抗：无穷大、交流输出端绝缘阻抗：600MΩ；耐压后：直流进线端绝缘阻抗：无穷大、交流输出端绝缘阻抗：600MΩ；偏差率：直流进线端：0.00%、交流输出端：0.00%，耐压前后绝缘阻抗相差不超过20%；直流正负接线对地施加电压2.06kV，60s，通过；二次电源输出检验用万用表电阻档检验UPS、霍尔电源、驱动电源、二级管风机电源输出，无短路。交流断路器保持分位，交流侧试验电源上电，启动UPS，用万用表交流电压档测量各二次电源输出电压，与额定值偏差小于0.5V。光伏逆变器开入开出检查用直流24V+作开入信号模拟，每路开入信息正确无误；对各路开出信号进行模拟，对应开关、接触器准确分合，同时对应的位置开入信号正确变位；各路风机能正常运行。光伏逆变器采样试验通过继电保护测试仪对光伏逆变器控制装置直流电压、三相系统电压、三相逆变电压、三相逆变电流采样通道进行校验。通过PCS-PC后台录波，校核各模拟量的幅值、相位均正确。IGBT及PWM驱动脉冲输出试验在PCS-PC上将软压板“PWM测试”置1，再将“强制PWM使能”置1，开通整流侧PWM输出。利用上拉电阻的方法，测试IGBT及PWM驱动脉冲输出，通过示波器观察高低电平占空比，和在PCS-PC中整定定值选项占空比设置值一致，满足要求。开环、闭环试验开环试验：投励，合直流断路器，在PCS-PC上将软压板“软件测试”、“PWM逆变使能”、“分逆变接触装置”置1，用示波器观察交流侧电压波形，满足要求。闭环试验：合交流侧断路器，在PCS-PC上将软压板“分逆变接触装置”置1，投励至20%，合直流断路器，等待3分钟后并网，观察交流侧波形及电压幅值，满足要求。并网、升功率及温升试验按照要求完成实现光伏逆变器并网；光伏逆变器并网运行平稳后，逐步增“定值整定”中逆变