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輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室（重慶大學(xué)）的研究人員周林、解寶、鄭晨等，在2017年第18期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，隨著越來越多的分布式能源接入電網(wǎng)，并網(wǎng)逆變器獲得了更多的應(yīng)用。并網(wǎng)逆變器能夠成功實現(xiàn)并網(wǎng)運行的前提是其直流母線電壓高于最小要求限值，這限制了并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用。為降低并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用門檻，提出一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器的改進(jìn)設(shè)計方案。
圖1 單相并網(wǎng)LCL型逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該設(shè)計方案通過將LCL型濾波器設(shè)計成一個有一定升壓增益的模塊，降低了前端逆變橋的輸出電壓要求，進(jìn)而能夠降低并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓限制，擴大了單相并網(wǎng)逆變器在低功率場合下的應(yīng)用。首先分析傳統(tǒng)LCL型單相并網(wǎng)逆變器直流母線電壓受限制的原因，然后基于一種改進(jìn)LCL型濾波器設(shè)計思路，利用其電壓增益功能，給出一種詳細(xì)的單相并網(wǎng)LCL型逆變器的改進(jìn)設(shè)計方案，最后通過仿真和實驗驗證了提出的設(shè)計方案的有效性。
隨著環(huán)境污染和化石能源危機的不斷加劇，清潔的可再生能源得到了快速的發(fā)展，而在以光伏發(fā)電等新能源為代表的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)運行是其中的一種重要運行方式，對于緩解地區(qū)電力系統(tǒng)的負(fù)荷壓力，提高電力系統(tǒng)運行可靠性和經(jīng)濟性具有重要作用。
以分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，一般地，單相并網(wǎng)逆變器直流母線電壓設(shè)為400V，對于一塊最大輸出功率為200W的太陽電池板，其最大功率點電壓為24.3V，因此為了達(dá)到逆變器并網(wǎng)要求，至少需要17塊上述相同的太陽電池板進(jìn)行串聯(lián)，而此時太陽電池陣列輸出總的功率為3.4kW。
當(dāng)要求逆變器降額運行或光伏發(fā)電系統(tǒng)總功率低于3.4kW時，就難以進(jìn)行太陽電池板的配置實現(xiàn)光伏逆變并網(wǎng)運行。為此，作為一種可以獨立作用于單個光伏組件的功率變換器——光伏微型逆變器，得到了迅速發(fā)展和廣泛地關(guān)注并受到人們的青睞。
微型逆變器比較成熟的方案主要包括基于高頻變壓器的單級反激式逆變器和基于高增益DC-DC變換器的多級式逆變器。多級式微型逆變器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所需元器件較多且能量轉(zhuǎn)換次數(shù)多，整體效率降低，相較而言，單級反激式逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)量少等優(yōu)點。
但以反激式變換器為基礎(chǔ)的逆變器工作在斷續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管承受的電壓和電流應(yīng)力相對較大，會造成較高的開關(guān)損耗。反激變換器的變壓器需要起到能量的存儲和轉(zhuǎn)換作用，在能量轉(zhuǎn)換的過程中，通常小變壓器將導(dǎo)致系統(tǒng)有5%的能量損耗，有時甚至更高。單級反激式微型逆變器中的DC-DC電路需要同時實現(xiàn)升壓和正弦電流調(diào)制的功能，控制比較復(fù)雜。
文獻(xiàn)[9]基于單相單級光伏LCL型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的LCL型濾波器設(shè)計思路，目的是消除逆變器直流側(cè)電壓限制，擴大光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用場合，但其重點關(guān)注了逆變器并網(wǎng)電流的控制，沒有給出正確且詳細(xì)的設(shè)計方案。
基于此，本文對文獻(xiàn)[9]中的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器的改進(jìn)設(shè)計方案，該設(shè)計方案能夠降低單相并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓限制，擴大并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用場合。
圖1 單相并網(wǎng)LCL型逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖7 單相并網(wǎng)逆變器實驗系統(tǒng)
結(jié)論
針對目前并網(wǎng)逆變器的高直流母線電壓限制，本文提出了一種單相并網(wǎng)LCL型逆變器的改進(jìn)設(shè)計方案，所得結(jié)論如下：
1）傳統(tǒng)LCL型單相并網(wǎng)逆變器直流母線電壓受到限制的原因是單相全橋逆變電路的直流電壓利用率為一有限常數(shù)，且沒有發(fā)揮LCL型濾波器的電壓變換能力。
2）本文提出的單相并網(wǎng)LCL型逆變器改進(jìn)設(shè)計方案，能夠在不改變電路拓?fù)洌挥绊憺V波器效果的情況下，降低逆變器直流母線電壓的限制，實現(xiàn)較低直流母線電壓下的逆變器并網(wǎng)運行。
3）仿真和實驗分別驗證了本文所提出的單相并網(wǎng)LCL型逆變器改進(jìn)設(shè)計方案的有效性。
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