光伏并網(wǎng)微逆變器的設(shè)計(jì)

趙春柳，孫成正

安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽合肥，230601

?

光伏并網(wǎng)微逆變器的設(shè)計(jì)

趙春柳，孫成正

安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院電子信息系，安徽合肥，230601

給出了基于全橋LLC結(jié)構(gòu)的單相光伏并網(wǎng)逆變器，避免了傳統(tǒng)基于交錯(cuò)反激互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)單相微逆變器功率限制，并且其功率很容易放大；全橋LLC變換器變壓器的磁集成技術(shù)的使用，使LLC變換器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過仿真,驗(yàn)證了全橋LLC變換器的開關(guān)管零電壓開通和整流二極管的零電流關(guān)斷特性及單相并網(wǎng)逆變器的準(zhǔn)PR控制的有效性。

LLC；微逆變器；比例諧振；MPPT

隨著化石能源利用的日漸枯萎，可再生能源以其可再生性、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)日益得到開發(fā)和利用，基于此，太陽能光伏發(fā)電也得到長足發(fā)展。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)日益向兩個(gè)方向發(fā)展：集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和微逆變器并網(wǎng)(單相)發(fā)電系統(tǒng)。集中式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其逆變器現(xiàn)已成熟，得到了廣泛應(yīng)用；而微逆變器領(lǐng)域的發(fā)展受到成本及技術(shù)方面的制約，發(fā)展相對(duì)較慢。目前，微逆變器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上主要以交錯(cuò)反激為主[1-3]。微逆變器受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，其額定功率一般均在300 W以下，由于采用兩個(gè)反激式變壓器結(jié)構(gòu)，在高壓情況下，其變換效率很難得到較大幅度提高。

本文給出了微逆變器的全橋LLC變換，在結(jié)構(gòu)上只用一個(gè)磁集成式變壓器，通過仿真分析，此種結(jié)構(gòu)的變換效率得到了提高，同時(shí)也很容易突破交錯(cuò)反激互補(bǔ)結(jié)構(gòu)微逆變器的功率限額。

1 微逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 微逆變器的整體結(jié)構(gòu)

微逆變器的整體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分：全橋LLC變換器，在升壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT控制；單相全橋逆變器，采用單極性控制策略，在實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的同時(shí)對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制(圖1)。

圖1 全橋LLC單相逆變器的結(jié)構(gòu)

1.2 全橋LLC變換器結(jié)構(gòu)及控制1.2.1 全橋LLC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

全橋LLC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要特點(diǎn)是將變壓器與諧振電感集成在一起，利用變壓器的漏感代替諧振電感，變換器的結(jié)構(gòu)更加緊湊。該變換器具有MOSFET工作在零電壓開通及高頻整流二極管工作在零電壓關(guān)斷的特點(diǎn)，可有效減少變換器的損耗，提高變換效率。

圖2 全橋LLC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)微逆變器的高升壓比，全橋LLC變換器的高頻輸出采用了倍壓整流結(jié)構(gòu)。按照文獻(xiàn)[4-6]給出的LLC變換器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在變換器額定功率315 W、k=Lm/Lr=5、運(yùn)行電壓范圍22～48 V及諧振頻率fr=120 kHz參數(shù)條件下，計(jì)算可得:

Lm=10.5 μH，Lr=2.08 μH

L1=L2=5 μH，Cr=0.99 μH

Np=5，Ns=28

1.2.2 全橋LLC及MPPT的控制

LLC有別于傳統(tǒng)的PWM控制，占空比為0.5。為降低設(shè)計(jì)難度，滿足工作原理可行性驗(yàn)證的需要，全橋LLC變換器對(duì)光伏電池的MPPT控制采用擾動(dòng)觀測法，采取恒定LLC變換器周期變化因子。這種處理的優(yōu)點(diǎn)在于光伏電池高壓低電流段PFM頻率較高，恒定周期變化因子可以使變換器快速跟蹤光伏電池的MPP點(diǎn)；在接近MPP點(diǎn)時(shí)，變換器的PFM的頻率較低，可滿足MPPT高效跟蹤。

1.3 單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制

1.3.1 單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。為提高變換器的效率，采用單極性PWM調(diào)制方式；同時(shí)，可有效降低并網(wǎng)電流的諧波含量[7]。

逆變器輸出濾波器與共模電感組合在一起，L3=L4=6 mH。

圖3 單相全橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3.2 單相全橋逆變器的控制

基于準(zhǔn)PR控制，引入電網(wǎng)電壓的前饋控制[8-10]，其控制策略如圖4所示。

圖4 單相全橋逆變器的PR控制策略

單相并網(wǎng)逆變器功率波動(dòng)頻率為電網(wǎng)頻率的2倍，為降低直流側(cè)電壓波動(dòng)的影響，將直流側(cè)電壓延遲0.005 s(功率波動(dòng)半個(gè)周期)后再與原電壓信號(hào)相加取平均值。比例諧振控制器采用準(zhǔn)PR，其傳遞函數(shù)如式1所示。

(1)

2 仿真波形分析

微逆變器仿真時(shí)，電容參數(shù)為C1=10μF，C2=C3=470μF。為了加快仿真速度，重點(diǎn)分析其穩(wěn)態(tài)特性，C1初始電壓設(shè)定為46V，C2和C3初始電壓設(shè)定為190V，即直流側(cè)電壓控制為380V。

2.1 全橋LLC變換器MPPT控制波形

全橋LLC變換器MPPT控制波形如圖5所示。受到擾動(dòng)觀測法的精度限制及PFM周期擾動(dòng)因子的選擇影響，光伏電池輸出功率及端電壓的振蕩比較明顯，但仍能反映控制策略的有效性。

圖5 MPPT控制波形

2.2 全橋LLC變換器性能參數(shù)仿真波形

LLC變換器的最大的特點(diǎn)是變換器側(cè)開關(guān)管工作在零電壓開通狀態(tài)，高頻整流二極管工作在零電流關(guān)斷狀態(tài)，有效降低變換器的損耗，由圖6和圖7可以看出其工作狀態(tài)的特點(diǎn)。

圖6 LLC變換器側(cè)開關(guān)管零電壓開通波形

圖7 LLC變換器側(cè)整流二極管零電流關(guān)斷波形

2.3 并網(wǎng)電流的仿真波形

為了更好地觀測微逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓相位之間的關(guān)系，取電網(wǎng)電壓幅值1/100，直流電壓控制在380 V。直流側(cè)電壓及電網(wǎng)電壓與輸出電流波形如圖8所示，可以看出輸出電流與電網(wǎng)電壓相位同步，即工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)，直流側(cè)電壓在380 V處波動(dòng)且波動(dòng)幅值較小。

圖8 微逆變器直流側(cè)電壓及輸出電流波形

3 結(jié)束語

本文提出了基于全橋LLC結(jié)構(gòu)單相光伏并網(wǎng)微逆變器，相比交錯(cuò)互補(bǔ)反激式結(jié)構(gòu)的單相光伏并網(wǎng)微逆變器在功率上更具靈活性，同時(shí)給出了LLC參數(shù)設(shè)計(jì)方法及準(zhǔn)PR逆變器控制策略，通過仿真驗(yàn)證了其可行性。

[1]張錦吉，王小彬，毛行奎.交錯(cuò)反激微功率光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2013,47(4):43-45

[2]王志彬，方宇，趙齊齊，等.交錯(cuò)并聯(lián)反激型并網(wǎng)發(fā)電微逆變器的原理分析及其設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào)，2013(3)：64-70

[3]賴良發(fā)，蘇建徽，劉芳.交錯(cuò)反激式光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究[J].低壓電器，2009(9):22-27

[4]李旭升，張岱南，岑凱妮，等.磁集成LLC變換器的設(shè)計(jì)[J].磁性材料及器件，2012(8)：44-48

[5]朱立泓.LLC諧振變換器的設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，2006：16-40

[6]趙磊.LLC諧振變換器的研究[D].重慶：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2008：55-57

[7]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：23-39

[8]張興，曹仁賢，李令冬，等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：172-177

[9]王亮，王冰，黃存榮.基于比例諧振控制器的逆變控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13(28)：8268-8273

[10]陳紅生，楊蘋，增曉生.單相并網(wǎng)逆變器準(zhǔn)比例諧振控制器的設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2012(22)：19-23

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.04.029

2014-12-15

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于局部影音遮蔽下光伏陣列及多峰值MPPT算法研究”(KJ2014A007)。

趙春柳(1979-)，安徽懷遠(yuǎn)人，在讀博士，講師，主要研究方向：可再生能源及分布式發(fā)電。

TM464;TM615

A

1673-2006(2015)04-0102-04