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2012-06-23 09:49:40胡巍徐政

電氣技術(shù)訂閱 2012年5期 收藏

關(guān)鍵詞：器件電容波形

胡 巍 徐 政

（清華大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

常規(guī)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)構(gòu)成光伏陣列，通過(guò)逆變器集中并入電網(wǎng)，光伏組件之間的特性及安裝方式的差異、局部陰影現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率[1]。為此，產(chǎn)生了交流光伏模塊（AC Photovoltaic Module）的概念[2-3]。

交流光伏模塊由單個(gè)光伏組件與微逆變器組合而成，微逆變器直接裝配在光伏組件的底部或支架上，將直流功率直接轉(zhuǎn)化為交流功率并入電網(wǎng)，能實(shí)現(xiàn)每個(gè)光伏組件最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT：Maximum Power Point Tracking），不僅提高系統(tǒng)的效率，而且具有即插即用的優(yōu)點(diǎn)[4]。但是，因?yàn)榕c單個(gè)光伏組件實(shí)現(xiàn)了一體化，微逆變器的輸入電壓低、工作環(huán)境差、安裝空間有限，而其使用壽命又需要與光伏組件相匹配，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但要實(shí)現(xiàn)高倍升壓和高質(zhì)量逆變，還要具有盡可能高的功率密度、發(fā)電效率及長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。傳統(tǒng)的升壓逆變電路，一般采用工頻變壓器或者兩級(jí)升壓技術(shù)，效率低，體積大，不適合應(yīng)用在微逆變器中。近年來(lái)，很多學(xué)者在微逆變器技術(shù)方面開展了大量的研究，提出了數(shù)十種電路拓?fù)鋄3-4]。其中，基于反激變壓器的微逆變器拓?fù)淠軐?shí)現(xiàn)較低直流電壓向單相交流電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有開關(guān)器件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合用在交流光伏模塊中，從而成為目前產(chǎn)品的主要技術(shù)方案。

本文介紹3種具有代表性的反激式逆變電路拓?fù)浜凸ぷ髟恚诰C合考慮成本、性能的前提下，對(duì)電路設(shè)計(jì)和控制特性方面進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比研究，設(shè)計(jì)制作了基于反激變壓器的雙Boost電路原理樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析與仿真計(jì)算結(jié)果，并全面測(cè)試了采用反激型電流源逆變電路的產(chǎn)品運(yùn)行特性。

1 電路拓?fù)渑c控制原理

1.1 反激式逆變電路拓?fù)?/h3>

圖1為3種反激式微逆變器電路原理圖。拓?fù)?為雙反激變換電路圖1（a），由兩個(gè)電流雙向流動(dòng)的對(duì)稱反激電路組成，C1=C2，反激變壓器T1與T2完全相同，初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為n1和n2，匝比N= n2:n1， Q1－Q4均為自帶反并聯(lián)二極管的功率MOSFET。通過(guò)正弦波調(diào)制或電流閉環(huán)方式控制雙反激變換器，實(shí)現(xiàn)正弦交流電壓或電流輸出[5]。

拓?fù)?為反激變壓器式雙Boost電路圖1（b），與雙反激變換電路相似，同樣使用4個(gè)功率開關(guān)器件。由2個(gè)相同的含反激變壓器的Boost電路構(gòu)成，反激變壓器的2個(gè)異名端相連，構(gòu)成一個(gè)三端元件[6]。

圖1 反激變壓器式微逆變器主電路拓?fù)?/p>

1.2 控制原理

拓?fù)?1和拓?fù)?2驅(qū)動(dòng)方式相同，Q1與 Q3、Q2與Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，而兩組之間互補(bǔ)導(dǎo)通。在電感電流連續(xù)的工作狀態(tài)下，拓?fù)?的輸入/輸出電壓關(guān)系可表示為

拓?fù)?的輸入/輸出電壓關(guān)系可表示為

其中，D為Q2和Q4的導(dǎo)通占空比，通過(guò)調(diào)節(jié)D 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的控制。

與上面2種電壓源逆變器工作方式不同，拓?fù)?直接將輸出電流調(diào)制成與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波。前級(jí)電路中 Q1和 Q2高頻開關(guān)，對(duì)變壓器次級(jí)線圈輸出電流進(jìn)行正弦調(diào)制。Q1和 Q2的開關(guān)頻率和導(dǎo)通占空比相同，但是兩者驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位相差180°。前級(jí)電路的輸入/輸出電壓關(guān)系可表示為

2個(gè)并聯(lián)反激電路彼此交錯(cuò)工作，不僅解決了單個(gè)反激電路功率相對(duì)不足的問(wèn)題，還可以減少直流輸入電流的紋波，減輕解耦電容 Cdc的負(fù)擔(dān)，并降低并網(wǎng)電流igrid的諧波畸變率。

2 電路設(shè)計(jì)與控制特性比較

2.1 變壓器匝比與占空比

為實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流的有效控制，逆變電路的最高輸出電壓必須略大于電網(wǎng)的峰值電壓。但是，反激變壓器電路的導(dǎo)通占空比又不能太大，否則，可能出現(xiàn)初級(jí)側(cè)能量不能完全傳遞到次級(jí)側(cè)的現(xiàn)象，引起磁芯飽和。因此，變壓器匝比的取值既要保證足夠高的輸出電壓，又要使D獲得足夠?qū)挼恼{(diào)節(jié)范圍，以保證輸出電壓的控制精度，并使開關(guān)器件承受合理的電壓應(yīng)力。

根據(jù)式（1）－（3），3種拓?fù)潆娐返恼{(diào)壓變比（k=vo/Vdc）分別為

由圖2可知，在0.25≤D≤0.75范圍內(nèi)，M1與D基本保持線性關(guān)系，且 M1max=2.67；拓?fù)?3在0≤D≤0.75范圍內(nèi)，M2與 D的關(guān)系線性度稍差，M2max=3。因此，變壓器匝比的設(shè)計(jì)原則如下：使Dmax≈0.75，且所對(duì)應(yīng)的輸出電壓與電網(wǎng)電壓基本保持平衡?？紤]到電網(wǎng)電壓正偏差及溫度對(duì)光伏組件輸出電壓的影響，3種電路拓?fù)渲凶儔浩髟驯瓤煞謩e按下式選取。

政府采購(gòu)峰做的技術(shù)性較強(qiáng)，對(duì)從業(yè)人員有較高的要求，要做好這項(xiàng)工作，需要從業(yè)人員具備較高的專業(yè)素養(yǎng)。尤其是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的帶來(lái)，更是給工作帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。我國(guó)政府采購(gòu)管理專業(yè)教學(xué)，也要結(jié)合當(dāng)前形勢(shì)的發(fā)展，明確政府采購(gòu)管理專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，結(jié)合社會(huì)實(shí)際需求，培養(yǎng)符合要求的綜合素養(yǎng)比較高的人才。

其中，Vgrid為電網(wǎng)標(biāo)稱有效值電壓，VPV為光伏組件標(biāo)稱最大功率點(diǎn)電壓。

圖2 M-D關(guān)系曲線

初級(jí)和次級(jí)線圈的匝數(shù)根據(jù)逆變器功率、開關(guān)頻率、磁心材料與結(jié)構(gòu)等要素而定。

2.2 開關(guān)器件電壓應(yīng)力

對(duì)于拓?fù)?1和 2，當(dāng) Q2和 Q4占空比達(dá)到 Dmax時(shí)，輸出電容C1上的電壓也達(dá)到最大值，分別為

根據(jù)反激電路中變壓器線圈上反射電壓的規(guī)律，結(jié)合式（1）和式（2），可計(jì)算出開關(guān)器件的理論關(guān)斷電壓應(yīng)力，拓?fù)?和拓?fù)?中對(duì)應(yīng)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力相同，如下式所示。

變壓器匝比直接影響開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，隨著N增大，Dmax減小，VQ1max和 VQ4max升高，VQ2max和 VQ3max降低。如果按式（9）和式（10）確定N，使 Dmax接近 0.75，則 VQ1max=VQ4max≈2.1Vgrid，VQ2max=VQ3max≈4.0Vdc。由此可知，Q1和 Q4的電壓應(yīng)力較大，與電網(wǎng)電壓成正比；Q2和 Q3的電壓應(yīng)力較小，與輸入直流電壓成正比。

拓?fù)?中兩路并聯(lián)的反激電路開關(guān)器件的電壓應(yīng)力相同，同樣受變壓器匝比的影響。

如果按式（11）確定 N，則 VQ1max=VQ2max≈3.4Vdc，VD1max=VD2max≈2.0Vgrid。Q1和 Q2的電壓應(yīng)力較小，與輸入直流電壓成正比；D1和D2的電壓應(yīng)力較大，與電網(wǎng)電壓成正比；后級(jí)全橋電路中開關(guān)器件Q3－6的電壓應(yīng)力與電網(wǎng)峰值電壓相當(dāng)。

以電網(wǎng)電壓220V、光伏組件標(biāo)稱最大功率點(diǎn)電壓35V的系統(tǒng)為例，采用3種電路拓?fù)涞墓夥⒕W(wǎng)微逆變器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。其中，開關(guān)器件的耐壓值按照約 1.5倍的電壓應(yīng)力選取。通過(guò)對(duì)比可知，拓?fù)?和拓?fù)?中需要采用兩種耐壓要求差別大的高速開關(guān)器件，且高壓器件的耐壓要求高達(dá)700V，而拓?fù)?中高速開關(guān)器件耐壓要求低，低速開關(guān)器件耐壓要求適中，二極管的耐壓要求最高，因而在器件成本和開關(guān)損耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比

2.3 功率解耦電容

單相并網(wǎng)功率中含有兩倍工頻的脈動(dòng)量，峰-峰值為平均功率的兩倍。如果逆變器中沒(méi)有功率解耦環(huán)節(jié)，光伏組件的平均輸出功率將下降。功率解耦環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)既要確保解耦效果，也要保證微逆變器的小型化以及在相對(duì)惡劣環(huán)境中的使用壽命。在使用小容量薄膜電容實(shí)現(xiàn)高效功率解耦的研究方面，已有多種電路拓?fù)浜涂刂品椒╗8-9]。然而，出于對(duì)成本以及可靠性等的綜合考慮，本文3種電路拓?fù)渲煌ㄟ^(guò)輸入端解耦電容 Cdc的充放電實(shí)現(xiàn)功率解耦，使光伏組件輸出功率保持相對(duì)穩(wěn)定。為了保證最大功率點(diǎn)跟蹤效率高于 99.8%，結(jié)合常用光伏組件的輸出特性，電容量可按下式選取

式中，Prated為逆變器額定功率，Vmin為逆變器最低輸入最大功率點(diǎn)電壓，ω為電網(wǎng)電壓角頻率。目前，以選用高溫、長(zhǎng)壽命鋁電解質(zhì)電容為主。

另外，拓?fù)?和拓?fù)?電路中，C1和C2中的電流大小相同、相位相反，充放電功率保持平衡，所以對(duì)功率脈動(dòng)沒(méi)有影響，在合理的范圍內(nèi)取較大的電容量有利于改善逆變器輸出電流的波形。而拓?fù)?電路中，C中的電流相位超前并網(wǎng)電流90°，不僅使功率脈動(dòng)增加，而且在并網(wǎng)電流過(guò)零點(diǎn)附近因沒(méi)有合理的放電途徑而造成交越失真，因此應(yīng)盡量取較小的電容量。

2.4 控制方法與特性

3種電路的控制算法基本相同，都可以采用電網(wǎng)電壓前饋與并網(wǎng)電流反饋相結(jié)合的控制方法。電壓前饋控制起粗調(diào)作用，即將電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值作為vo分別代入式（1）－（3）中，計(jì)算電壓控制分量Dv，為減輕實(shí)時(shí)控制的計(jì)算壓力，可以采用查表方式。電流反饋控制起細(xì)調(diào)作用，根據(jù)實(shí)際并網(wǎng)電流io與目標(biāo)并網(wǎng)電流io_ref的偏差計(jì)算電流控制分量Di。兩者合成可得最終占空比D，即

拓?fù)?和拓?fù)?的電路原理和硬件構(gòu)成非常相似，均為非隔離結(jié)構(gòu)，但是兩者之間也存在重要的差別。拓?fù)?的4個(gè)開關(guān)器件全部共地，只需要一路驅(qū)動(dòng)電源，還可以實(shí)現(xiàn)由控制芯片直接驅(qū)動(dòng)。而拓?fù)? 的4個(gè)開關(guān)器件有2個(gè)與直流輸入電源不共地，不僅需要三路隔離驅(qū)動(dòng)電源，而且控制芯片也必須采取相應(yīng)的隔離措施。拓?fù)?使光伏組件與電網(wǎng)之間保持了電氣隔離，能夠有效地抑制共模電流的產(chǎn)生，但是需要6個(gè)開關(guān)器件和多路驅(qū)動(dòng)電源，開關(guān)頻率比前兩種電路要高，對(duì)控制芯片的性能要求相對(duì)要高一些，而且后級(jí)全橋電路在翻轉(zhuǎn)并網(wǎng)電流時(shí)容易形成過(guò)零點(diǎn)交越失真。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

利用MatlabTM/Simulink軟件平臺(tái)對(duì)3種電路拓?fù)涞倪\(yùn)行特性進(jìn)行仿真，仿真模型的參數(shù)設(shè)置如表2所示。仿真結(jié)果表明，3種電路拓?fù)涠寄軐?shí)現(xiàn)良好的并網(wǎng)運(yùn)行。

表2 仿真模型參數(shù)

圖3為拓?fù)?電路的電壓與并網(wǎng)電流仿真波形，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持相位一致，且具有良好的正弦波形。但是，由于變壓器匝比的取值較大，導(dǎo)致Dmax低于0.7，Q1和Q4的電壓應(yīng)力高達(dá)565V。

圖4為拓?fù)?電路的電壓仿真波形，左右兩個(gè)電容上的電壓一個(gè)達(dá)到最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到最小值，輸出電壓具有良好的正弦波形。由于變壓器匝比的取值較小，Dmax高達(dá) 0.74，Q1和 Q4的電壓應(yīng)力低于480V。但是，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)較大的正偏差（+10%）而同時(shí)輸入直流電壓又有明顯下降（-10%）時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行將面臨一定的困難。

圖3 拓?fù)?電路并網(wǎng)電壓與電流仿真波形

圖4 拓?fù)?電路輸出電壓仿真波形

圖5為拓?fù)?電路在電容C取不同值時(shí)并網(wǎng)輸出電流波形的對(duì)比，可見電容C值取較大時(shí)，并網(wǎng)電流過(guò)零點(diǎn)附近的交越失真比較明顯。

圖5 拓?fù)?電路輸出電流的交越失真仿真波形

基于拓?fù)?電路開發(fā)了原理樣機(jī)，主要參數(shù)與表2保持一致。圖6為輸出電壓實(shí)測(cè)波形，驗(yàn)證了能將35V的直流電壓?jiǎn)渭?jí)逆變到220V交流正弦電壓，滿足微逆變器的應(yīng)用要求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變壓器的漏感會(huì)引發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)烈的開關(guān)尖峰電壓，必須采取有效的緩沖吸收措施。

圖6 雙Boost原理樣機(jī)輸出電壓實(shí)測(cè)波形

對(duì)一款采用拓?fù)?電路的產(chǎn)品進(jìn)行了全面的測(cè)試。用可編程直流電源模擬光伏組件，最大功率240W，開路電壓44V，最大功率點(diǎn)電壓35V。實(shí)測(cè)MPPT精度為99%，轉(zhuǎn)換效率94%。圖7的實(shí)測(cè)波形顯示并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，同時(shí)具有較低的總諧波畸變率（3.7%），但是過(guò)零點(diǎn)存在一定的畸變。

圖7 微逆變器產(chǎn)品并網(wǎng)實(shí)測(cè)波形

4 結(jié)論

本文對(duì)比研究了3種基于反激變壓器的微逆變器，均能夠以簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)將較低直流電壓高效、高質(zhì)量地逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟妷海m合應(yīng)用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。對(duì)3種拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)和控制特性方面的對(duì)比研究表明，在綜合考慮成本、性能和體積的情況下，雙反激變換電路各方面表現(xiàn)相對(duì)均衡，更加符合光伏并網(wǎng)微逆變器的應(yīng)用要求。

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