5KW单相并网逆变器系统设计

只看该作者 · 2025-4-20 22:06

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1. 设计需求分析
->功率等级：5kW，适用于小型光伏系统或家用并网系统。
->输入电压范围：根据光伏组件的配置，通常在200V-550V DC之间。
->输出电压：单相220V AC，频率50Hz（或根据当地电网标准）。
->并网要求：符合电网标准（如IEEE 1547、IEC 62116等），具备低谐波失真（THD<5%）。
2. 拓扑结构选择
2路Boost+Heric：

-->为何设计两路MPPT？
参见的单晶硅太阳能板参数如下：

为了能保证光伏逆变器能发更多的太阳能，一般在给逆变配置1.2~1.5倍的太阳能板，也就是5KW的逆变器最多会配到7.5KW；如果只设计一路MPPT，需要的太阳能面板数为：7.5KW/450W=16,母线开路电压为：48V*16=768V；但是市电220Vac单相逆变器的母线电压只需要360V左右，太高的母线电压会导致逆变转换效率下降，母线电压越高，需要的母线电容越贵；另一方面MPPT路数越多，捕捉太阳最大效率点效率越高；出于成本以及更好的用户体验，设计为两路MPPT输入，输入最大电压550V（考虑常规的高压电解电容电压为550V，再高不好选择母线电解电容）。
-->逆变拓扑为何选择Heric，而不选H6？
1、从两个拓扑可以直观看出Heric比H6少两个二极管，明显有成本优势。

2、从两个拓扑工作回路上看，Heric在电感充电回路管压降更低，逆变效率更高。

3. 控制策略
->MPPT（最大功率点跟踪）：两路MPPT分别采用固定电压扰动法和电导增量法，实现太阳能最大功率跟踪。
->PWM调制：采用正弦脉宽调制（SPWM）生成高质量的正弦波。
->锁相环（PLL）：实现与电网的同步，确保输出频率和相位与电网一致。
->电流控制：采用电流内环和电压外环的双闭环控制策略，实现精确的功率输出。
4. BOOST实现最大功率跟踪MPPT
A ->固定电压扰动法
先给定电压Uref=Uo，然后计算光伏面板的功率P1；接着给定电压Uref=Uo+△U，然后计算光伏面板的功率P2；接着给定电压Uref=Uo-△U，然后计算光伏面板的功率P3；通过比较P1、P2、P3，找出最大的功率点，然后将给定值Uref=Upmax；如此反复循环最终就能找到了光伏面板的最大功率点；程序代码如下：

B ->电导增量法
先给定电压U1，得到I1、P1；然后U1-△U，得到I1'、P1',从而可以得到在U1-△U处的功率斜率x1；然后U1+△U，得到I1''、P1'',从而可以得到在U1+△U处的功率斜率x2；通过对比X1和X2，找到斜率更小的点对应的电压Uxmin；然后将U1=Uxmin；如此反复循环最终就能找到了光伏面板的最大功率；程序代码如下：

使用PSIM仿真软件搭建MPPT系统如下：

仿真波形如下：

5. 并网逆变实现
A->SOGI算法实现
参考论文《光伏并网逆变器中的单相数字锁相环研究》，算法流程图如下：

SOGI算法如下：

使用PSIM仿真软件搭建SOGI算法如下：

仿真波形：

B->逆变控制算法
算法流程图如下：

使用PSIM仿真软件搭建逆变拓扑如下：

仿真波形：

6.两路MPPT+逆变系统仿真
上面已经单独实现了MPPT和逆变并网功能，只要将MPPT输出接到逆变系统的Vbus输入即可实现完整的5KW光伏并网逆变器：

仿真波形：

7.系统总结
本文先从5KW光伏并网逆变器拓扑选择讲起，然后使用两种MPPT算法（定电压扰动法和电导增量法）实现太阳能最大功率跟踪，然后逆变Heric拓扑通过稳定母线电压，延绵不断的将太阳能输送到电网，整体实现了5KW光伏并网逆变器的最基本功能。
后续优化方向，可以尝试在系统增加无功调度功能，可以尝试在系统增加低电压穿越功能，可以尝试在系统增加防孤岛检测功能，等等逆变器安规方面的功能。

5kw_HERIC_CBlock.zip (21.22 KB)

只看该作者 · 2025-4-25 11:59

本帖最后由 andy520520 于 2025-4-25 12:17 编辑

，正弦波输出电压是不是通过运放叠加后采样获取的？
这个SOGI控制跟BLDC里面的坐标系变换类似，先转换成正交ua,ub信号，再转换成dq信号，

SOGI算法是可不可以用在单相离网的正弦波逆变器控制中？

只看该作者 · 2025-4-27 19:52

andy520520 发表于 2025-4-25 11:59
，正弦波输出电压是不是通过运放叠加后采样获取的？
这个SOGI控制跟BLDC里面的坐标系变换类似，先转换成 ...

单相离网逆变器正弦角度是已知的，无需再用SOGI算法去锁相，但是离网逆变器也是可以用DQ控制的

只看该作者 · 2025-4-29 11:19

电笔小新发表于 2025-4-27 19:52
单相离网逆变器正弦角度是已知的，无需再用SOGI算法去锁相，但是离网逆变器也是可以用DQ控制的 ...

我说的是用SOGI虚拟一个正交Ua, Ub 信号，再DQ变换闭环控制输出

只看该作者 · 2025-4-29 13:09

andy520520 发表于 2025-4-29 11:19
我说的是用SOGI虚拟一个正交Ua, Ub 信号，再DQ变换闭环控制输出

SOGI的目的是求出交流电的角度，离网输出交流电的角度是已知的，直接用这个已知的角度就可以进行DQ控制了。

只看该作者 · 2025-4-29 16:07

电笔小新发表于 2025-4-29 13:09
SOGI的目的是求出交流电的角度，离网输出交流电的角度是已知的，直接用这个已知的角度就可以进行DQ控制了 ...

用DQ信号+PI控制器做正弦交流电电压的闭环控制

5KW单相并网逆变器系统设计

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