高增益開(kāi)關(guān)電容光伏微型逆變器

周哲，王萍，薛利坤，楊柳，王尉

(1．天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072; 2．國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電力電子研究所，北京102200)

高增益開(kāi)關(guān)電容光伏微型逆變器

周哲1，2，王萍1，薛利坤1，楊柳1，王尉1

(1．天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072; 2．國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院電力電子研究所，北京102200)

針對(duì)光伏組件輸出電壓較低的問(wèn)題，提出了一種基于開(kāi)關(guān)電容的光伏微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)溆梢粋€(gè)高變比的直流升壓環(huán)節(jié)和一個(gè)逆變環(huán)節(jié)組成。升壓環(huán)節(jié)是將交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和諧振式開(kāi)關(guān)電容升壓變換器級(jí)聯(lián)在一起構(gòu)成的，解決了Boost電路升壓不足而開(kāi)關(guān)電容變換器難以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的缺陷;新拓?fù)洳捎脺?zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)，有效抑制了開(kāi)關(guān)損耗;MPPT采用改進(jìn)的多級(jí)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，獲得了很好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了新拓?fù)涞目尚行浴４罱ǖ?10W實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將30V直流電源提升到了334V，獲得了良好的效果。

微型逆變器;開(kāi)關(guān)電容;高增益;多級(jí)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

1 引言

當(dāng)前，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。在新興經(jīng)濟(jì)體高速發(fā)展的帶動(dòng)下，全球能源的需求將在2011～2030年間上漲36%。因此，各國(guó)都在大力推進(jìn)可再生能源的發(fā)展。預(yù)計(jì)在2030年，可再生能源將達(dá)到世界總能源結(jié)構(gòu)的三分之一。其中太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量豐富、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前景的新能源，其發(fā)電量將達(dá)到全球總量的10%。所以，光伏發(fā)電潛力巨大，它在能源領(lǐng)域中的戰(zhàn)略地位舉足輕重［1，2］。

近幾年來(lái)，光伏微型逆變器以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到關(guān)注。它是一種與單個(gè)光伏組件相連、可將光伏輸出的直流電直接變換成符合并網(wǎng)條件交流電的逆變器，功率一般在50～300W之間。微型逆變器可以有效地防止局部陰影造成的功率損耗，通過(guò)簡(jiǎn)化布線來(lái)降低安裝成本，此外，各個(gè)微型逆變器相互獨(dú)立的架構(gòu)也大大提高了系統(tǒng)的整體可靠性。

微型逆變器主要由升壓環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)兩部分構(gòu)成。升壓環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，同時(shí)將電壓提高便于直接逆變并網(wǎng)。逆變環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)鎖相控制和直流側(cè)電壓控制，將直流電逆變成交流電并入電網(wǎng)［3］。逆變環(huán)節(jié)采用全橋電路，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟，本文主要針對(duì)升壓環(huán)節(jié)進(jìn)行論述。目前很多常見(jiàn)的光伏電池輸出電壓僅為30V左右，單相并網(wǎng)所需直流側(cè)電壓理論上至少應(yīng)為311V，因此實(shí)現(xiàn)高變比的升壓環(huán)節(jié)成為了關(guān)鍵技術(shù)之一。本文引入了諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器，其升壓比高，損耗小，但其調(diào)制能力有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)MPPT［4，5］。基于此，本文提出了將交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路與諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器級(jí)聯(lián)在一起的新型拓?fù)?，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

2 開(kāi)關(guān)電容微型逆變器拓?fù)浼捌湓?/h2>

本文所提出的開(kāi)關(guān)電容光伏微型逆變器的拓?fù)淙鐖D1所示。升壓環(huán)節(jié)先利用交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和電壓的初步提升，然后經(jīng)過(guò)諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器進(jìn)一步抬升電壓使其高于311V。逆變環(huán)節(jié)采用全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)直流電的逆變并網(wǎng)和直流側(cè)的穩(wěn)壓控制。由于交錯(cuò)并聯(lián)Boost與開(kāi)關(guān)電容變換器之間互相不影響，下面分別介紹這兩個(gè)部分的工作原理。

圖1 開(kāi)關(guān)電容光伏微型逆變器拓?fù)銯ig．1 Topology ofmicro-inverter

2.1 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路

交錯(cuò)技術(shù)通常是將兩個(gè)或兩個(gè)以上的變換器通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)組合到一起，每個(gè)子變換器的開(kāi)關(guān)控制在交錯(cuò)狀態(tài)下［6］。本文中兩個(gè)Boost電路并聯(lián)，其具體電路如圖2所示。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路Fig．2 Interleaved Boost circuit

兩個(gè)子變換器的控制信號(hào)相位相差180°，控制信號(hào)和電感電流的波形如圖3所示?？梢钥闯?，兩個(gè)開(kāi)關(guān)Q1和Q2控制信號(hào)的占空比和周期相同，而且Q2的驅(qū)動(dòng)波形要滯后半個(gè)周期。每個(gè)Boost電路的電流是斷續(xù)的，但并聯(lián)在一起之后形成了連續(xù)的電流且使電流紋波頻率提高了一倍。此外，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件都是零電流開(kāi)通，降低了開(kāi)關(guān)損耗［7］。交錯(cuò)并聯(lián)的兩個(gè)Boost電路相互獨(dú)立，每個(gè)子變換器與單獨(dú)的Boost電路工作原理一致，這里不再贅述。

圖3 交錯(cuò)Boost控制信號(hào)和電感電流波形Fig．3 Control signal and inductance currentwaveforms of interleaved Boost circuit

2.2 諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器

本文采用的諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器如圖4所示，其理論上可以使輸入電壓提高4倍。同時(shí)，該變換器通過(guò)加入一個(gè)諧振電感，在特定的開(kāi)關(guān)頻率下，利用準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)有效抑制了開(kāi)關(guān)損耗。在開(kāi)關(guān)器件Q1或Q2任意一個(gè)開(kāi)通時(shí)，由于諧振環(huán)的作用，開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通的機(jī)制。在諧振電流達(dá)到最大峰值后逐漸降低至零，由于二極管的作用電流不會(huì)繼續(xù)降到負(fù)值形成反向電流，使關(guān)斷時(shí)電流為零從而實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，提高了系統(tǒng)的整體效率［8，9］。

圖4 諧振式開(kāi)關(guān)電容升壓變換器Fig．4 Resonant SC step-up converter

諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器的每個(gè)工作周期可以分為4個(gè)模態(tài)，其開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)、流經(jīng)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2和諧振電感的理想電流波形如圖5所示。下面從理論上分析這4個(gè)模態(tài)。

圖5 諧振式開(kāi)關(guān)電容升壓變換器的理想波形Fig．5 Idealwaveforms of resonant SC step-up converter

(1)模態(tài)1(t0～t1)

電路在模態(tài)1的具體工作情況如圖6所示。t0時(shí)刻，Q2導(dǎo)通，Q1關(guān)斷。Vi與D1a、C1a和Lr構(gòu)成回路，t0時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流從零開(kāi)始逐漸上升，并按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流值再次達(dá)到零時(shí)，由于D1a的阻礙，電流不能反向，此后維持為零。此外，C2a、D1b、C1b、Lr和Q2以及C2b、D1c、C1c、Lr和Q2也都產(chǎn)生相同的諧振現(xiàn)象。因此，在t0時(shí)刻，Q2實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通。電壓泵升方面，Vi給C1a充電，C2a給C1b充電至2Vi，C2b給C1c充電至3Vi，C2c給負(fù)載供電。

圖6 諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器模態(tài)1的等價(jià)電路Fig．6 Equivalent circuit of stage 1 of SC converter

(2)模態(tài)2(t1～t2)

電路在模態(tài)2的具體工作情況如圖7所示。諧振在t1時(shí)刻停止，電感電流在此模態(tài)期間恒為零，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)。電容C2c給負(fù)載供電。

圖7 諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器模態(tài)2的等價(jià)電路Fig．7 Equivalent circuit of stage 2 of SC converter

(3)模態(tài)3(t2～t3)

電路在模態(tài)3的具體工作情況如圖8所示。t1時(shí)刻，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷。Vi與D2a、C1a、C2a和Lr構(gòu)成回路，t2時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流從零開(kāi)始逐漸上升，并按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流值再次為零時(shí)，由于D2a的阻礙，電流不能反向，此后維持為零。此外，Vi、C1b、D2b、C2b、Lr、Q1串聯(lián)構(gòu)成類(lèi)似的回路。Vi還通過(guò)Q1、Lr、C1c、D2c串聯(lián)在一起產(chǎn)生諧振，向負(fù)載供電。因此，t2時(shí)刻Q2實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通。電壓泵升方面，Vi分別與C1a、C1b、C1c串聯(lián)在一起，將C2a、C2b、C2c充電至2Vi、3Vi、4Vi。

圖8 諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器模態(tài)3的等價(jià)電路Fig．8 Equivalent circuit of stage 3 of SC converter

(4)模態(tài)4(t3～t4)

電路在模態(tài)4的具體工作情況如圖9所示。諧振在t3時(shí)刻停止，電感電流在此模態(tài)期間恒為零，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)。僅電容C2c再次給負(fù)載供電。

圖9 諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器模態(tài)4的等價(jià)電路Fig．9 Equivalent circuit of stage 4 of SC converter

針對(duì)4個(gè)模態(tài)對(duì)電路進(jìn)行狀態(tài)分析，求得諧振電容電壓和諧振電感電流如下。

模態(tài)1:

模態(tài)2:

模態(tài)3:

模態(tài)4:

式中，Vi為輸入電壓;vC1a、vC1b和vC1c分別為諧振電容C1a、C1b和C1c的電壓，且三個(gè)電容的電容值均為C;，為諧振角頻率，其中Lr為諧振電感值;，為諧振阻抗;Ts為開(kāi)關(guān)周期;Io為輸出電流;iL為諧振電感Lr的電流。

可以看出，該諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器可以實(shí)現(xiàn)從零負(fù)載到全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開(kāi)關(guān)，但其相關(guān)參數(shù)的選擇要滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件才能保證變換器軟開(kāi)關(guān)的正常工作:①開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)小于諧振頻率，開(kāi)關(guān)動(dòng)作應(yīng)在諧振電流經(jīng)正弦變化為零之后進(jìn)行，本文取開(kāi)關(guān)頻率為諧振頻率的0.9倍;②諧振電容的電壓紋波應(yīng)予以限定，本文取紋波的峰峰值為直流電壓的30%，即:

3 系統(tǒng)總體控制策略

本文所設(shè)計(jì)的微型逆變器屬于電流源型逆變器，通過(guò)全橋電路控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，控制輸出電流大小來(lái)保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。前級(jí)的交錯(cuò)并聯(lián)Boost和開(kāi)關(guān)電容DC-DC變換器根據(jù)所采集的光伏電池輸出電壓和電流改變工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)MPPT的同時(shí)保證將電壓提高至311V以上。光伏并網(wǎng)微型逆變器的總體控制框圖如圖10所示。

圖10 光伏并網(wǎng)微型逆變器的總體控制框圖Fig．10 Control schematic of PV micro-inverter

本文的MPPT采用改進(jìn)的多級(jí)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，其程序框圖如圖11所示。當(dāng)工作點(diǎn)十分接近最大功率點(diǎn)時(shí)，因?yàn)閷?shí)際電路中存在電感電容元件，電路中的電壓和電流值的紋波影響比較大，所以單純依靠檢測(cè)電壓或電流值來(lái)對(duì)占空比D進(jìn)行步長(zhǎng)控制很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。因此，本文通過(guò)功率檢測(cè)，當(dāng)|d P|小于ε時(shí)，控制使用小步長(zhǎng)D1，保證了跟蹤精度和穩(wěn)態(tài)特性。當(dāng)|d P/d V|大于另一閾值σ時(shí)，工作點(diǎn)距離最大功率點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)，系統(tǒng)根據(jù)工作點(diǎn)在恒流源區(qū)還是在恒壓源區(qū)分別采用兩種固定的大步長(zhǎng)D2和D3，保證了系統(tǒng)快速追蹤到距離最大功率點(diǎn)比較近的區(qū)域內(nèi)。其他情況將根據(jù)A|d P/d V|的大小決定對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)值［10］，其中A為比例系數(shù)，本文仿真時(shí)取為4×10－5。

圖11 多級(jí)變步長(zhǎng)MPPT流程圖Fig．11 Flowchart ofmultistage variable-step MPPT

4 仿真分析

系統(tǒng)整體的仿真模型如圖12所示。PV為光伏電池模型，MPPT為多級(jí)變步長(zhǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法模型，InterBoost為交錯(cuò)并聯(lián)Boost模型，SC為諧振式開(kāi)關(guān)電容DC-DC變換器模型，InterPWM為PWM控制信號(hào)輸出模型，Loop為雙閉環(huán)光伏并網(wǎng)控制算法模型，其內(nèi)部的LCL濾波電路電感取2.5mH，電容取1μF。

圖12 系統(tǒng)仿真模型Fig．12 Simulationmodel of system

系統(tǒng)的輸出與220V交流電壓源相并聯(lián)來(lái)模擬本文開(kāi)關(guān)電容光伏微型逆變器的并網(wǎng)接入，其并網(wǎng)電流波形如圖13所示，可以看出并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步信號(hào)相位一致。

光伏電池的最大輸出功率為191W，采用的多級(jí)變步長(zhǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法能有效跟蹤最佳工作點(diǎn)。光伏電池的輸出功率如圖14所示，初始階段迅速上升并接近191W，之后平穩(wěn)地維持在最大功率點(diǎn)附近。

圖13 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同步信號(hào)仿真波形Fig．13 Simulation waveforms of voltage synchronous signal and current

圖14 光伏電池的輸出功率波形Fig．14 Output power of PV battery

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖1所示電路拓?fù)?，制作了升壓環(huán)節(jié)的硬件電路。其功率等級(jí)為110W，輸入為30V的直流電源，輸出側(cè)接1kΩ電阻。前級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)Boost的PWM控制信號(hào)頻率為30kHz，諧振式開(kāi)關(guān)電容DCDC變換器的PWM控制信號(hào)頻率為100kHz。驅(qū)動(dòng)模塊采用的是落木源電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的KD301H半橋驅(qū)動(dòng)模塊。各個(gè)硬件元件的具體參數(shù)如表1所示。

表1 升壓環(huán)節(jié)硬件電路參數(shù)Tab．1 Parameters of step-up converter

諧振式開(kāi)關(guān)電容DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)管處于準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，諧振電感串聯(lián)了一個(gè)0.1Ω的電阻用來(lái)測(cè)量電感電流。準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)管的電壓波形和電感的電流波形如圖15所示，可以看出在MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)流過(guò)的電流趨近于零，有效減少了開(kāi)關(guān)損耗。該電路輸入電壓為30V，在負(fù)載不變的情況下，如圖16所示，經(jīng)交錯(cuò)并聯(lián)Boost后電壓上升到88V，紋波為8V，再經(jīng)開(kāi)關(guān)電容變換器后，電壓上升至334V，紋波為8V。電壓增益高于11倍，輸出值大于單相電網(wǎng)的電壓最大值，滿(mǎn)足逆變并網(wǎng)的要求。

圖15 MOSFET軟開(kāi)關(guān)電流電壓波形Fig．15 Current and voltage waveform of MOSFET

圖16 兩級(jí)直流輸出電壓波形Fig．16 Waveform of DC output voltage

6 結(jié)論

本文主要對(duì)光伏并網(wǎng)微型逆變器進(jìn)行了研究，將諧振式開(kāi)關(guān)電容變換器和交錯(cuò)并聯(lián)Boost結(jié)合在一起構(gòu)成了一種全新的高增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文詳細(xì)分析了該拓?fù)涞墓ぷ髟砗涂刂撇呗裕?yīng)用了一種改進(jìn)的多級(jí)變步長(zhǎng)控制算法實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。目前，本文所提出的高增益開(kāi)關(guān)電容微型逆變器不具備過(guò)壓、過(guò)流、孤島檢測(cè)等必要的保護(hù)功能，還需從硬件和軟件兩方面進(jìn)行完善，更加貼近實(shí)際應(yīng)用的要求。此外，該逆變器各環(huán)節(jié)的能量損耗還需進(jìn)行全面的理論分析，優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法以實(shí)現(xiàn)最佳效率，這些都有待后續(xù)工作進(jìn)一步研究。

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High-gain photovoltaic m icro-inverter based on sw itched capacitor

ZHOU Zhe1，2，WANG Ping1，XUE Li-kun1，YANG Liu1，WANGWei1
(1．Key Laboratory of Smart Grid，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2．State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102200，China)

This paper presents a photovoltaicmicro-inverter topology based on switched capacitor converter．The topology includes a high step-up converter and an inverter．The step-up converter combines interleaved Boost circuit with switched capacitor converter to solve the problem that SC converter fails to achieve themaximum power point tracking(MPPT)．And quasi-resonant soft-switching and multistage variable-step conductance incrementmethod are applied to improve efficiency．Simulationmodel of Matlab is built to prove the feasibility of thewhole topology．At last，110W hardware experiment of step-up converter is set up which enhances the 30V of DC power to 334V with the ripple voltage is 8V．

micro inverter;switched capacitor;high-gain;multistage incremental conductance algorithm

TM615

A

1003-3076(2015)06-0064-06

2014-03-25

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(2012003211007)、國(guó)家電網(wǎng)公司“千人計(jì)劃”科技項(xiàng)目(5355DD130003)

周哲(1987-)，男，吉林籍，研發(fā)工程師，研究方向?yàn)镾iC變流器、儲(chǔ)能與新能源;王萍(1959-)，女，河北籍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源、新能源。