基于SiC器件的兩級光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計

陸 田， 潘 健， 王小平

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于SiC器件的兩級光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計

陸 田， 潘 健， 王小平

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

采用高性能的DSP作為控制芯片，將SiC應(yīng)用于1 kW兩級非隔離光伏并網(wǎng)逆變器中，控制策略采用雙閉環(huán)控制，直流電壓環(huán)采用PI控制，交流電流環(huán)采用預(yù)測型無差拍控制?；贛atlab/Simulink進(jìn)行仿真分析，并制作了一臺1 kW的實驗樣機(jī)，仿真和實驗結(jié)果表明樣機(jī)有良好的動態(tài)特性。

碳化硅； 光伏逆變器； 無差拍控制

作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，光伏逆變器性能將直接影響電能質(zhì)量，因此采用新型器件研制高頻、高效、高功率密度的并網(wǎng)逆變器具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實意義。

SiC功率器件具有高開關(guān)頻率、低導(dǎo)通電阻、耐高溫等優(yōu)點，采用SiC器件的光伏并網(wǎng)逆變器能減小逆變器的體積，提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率[1]。本設(shè)計采用SiCMOSFET，實現(xiàn)具有兩級非隔離結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。前級采用Boost變換器，根據(jù)太陽能電池板的伏安特性調(diào)節(jié)Boost變換器的占空比，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制(MPPT)。后級采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用預(yù)測型無差拍控制[2]。通過Matlab仿真分析和樣機(jī)測試，驗證了預(yù)測型無差拍控制使并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，提高了系統(tǒng)輸出電能的質(zhì)量。

1 光伏并網(wǎng)逆變器原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，系統(tǒng)包括光伏電池陣列、Boost升壓變換、全橋逆變、LC濾波、負(fù)載、電網(wǎng)等[3]。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

前級DC/DC變換將光伏陣列的直流電壓升高為逆變并網(wǎng)需要的直流母線電壓，提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，對光伏陣列最大功率點跟蹤。后級DC/AC將Boost變換輸出的直流母線電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，經(jīng)濾波后實現(xiàn)并網(wǎng)。

2 主電路設(shè)計

在白天正常工作時，太陽能陣列電池輸出電壓100-160 V，逆變器額定功率1 kW,最大輸入電流為10 A，逆變輸出220 VAC，頻率50 Hz，DC/DC和DC/AC中碳化硅開關(guān)管開關(guān)頻率設(shè)計為50 kHz。圖2為單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。太陽能光伏陣列輸出電壓經(jīng)Boost變換器升壓，經(jīng)C2解耦后逆變輸送電網(wǎng)。

圖 2 單相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1Boost變換器

在穩(wěn)態(tài)工作時，根據(jù)一個開關(guān)周期內(nèi)，電感L1上的電流秒伏平衡有

(1)

當(dāng)輸出最大負(fù)載時，應(yīng)保持電路工作在電流連續(xù)模式，電感電流連續(xù)的臨界條件為IO>ΔI，其中IO為Boost輸出電流，ΔI為紋波電流，有

(2)

在電感電流連續(xù)模式下，需要電容值

C>IODT/ΔI

(3)

當(dāng)額定功率為1000W時，帶入式(2)(3)計算得電感值L1為574μH，電容值C2為1049μF，考慮一定的裕量，電感值選為800μH，電容用4個470μF的電解電容并聯(lián)。

2.2 單相全橋逆變

2.3LC低通濾波

本設(shè)計采用LC低通濾波器，根據(jù)穩(wěn)態(tài)運行時電網(wǎng)電壓電流矢量關(guān)系，采用SPWM控制，濾波電感的最大值

(4)

當(dāng)電流處于峰值時，為了抑制逆變器橋側(cè)電流諧波

(5)

式中Udc為直流母線電壓，Ugrid為電網(wǎng)電壓，T為開關(guān)管周期，ΔImax為并網(wǎng)電流紋波最大值。

當(dāng)SiC開關(guān)管開關(guān)頻率為50kHz時，選擇濾波器截止頻率(1/10～1/20)fc，

(6)

帶入公式(5)計算電感值為1.84mH，電容值為2.67μF，考慮一定的裕量，電感值選用2mH，電容選用3μF。

3 光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

本文采用直流母線電壓外環(huán)及并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制框圖見圖3。電壓外環(huán)為輸出電壓瞬時值控制，采用經(jīng)典PI控制，輸出為內(nèi)環(huán)的參考值，電流環(huán)采用電流預(yù)測無差拍控制，預(yù)測無差拍控制電流是在每個開關(guān)周期內(nèi)，采樣并網(wǎng)逆變器的輸出電流，并且預(yù)測下一周期開始時刻并網(wǎng)輸出電流的參考值，根據(jù)電流差計算出開關(guān)器件當(dāng)前的開關(guān)時間。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，每個開關(guān)周期并網(wǎng)電流不斷跟蹤參考電流[5]。

圖 3 電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制框圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律得

(7)

通過前向歐拉逼近代替電流導(dǎo)數(shù)

(8)

將式(7)、(8)帶入并離散化，

(9)

式中Ts為碳化硅開關(guān)周期，L為濾波電感，Udc為直流母線電壓，Ugrid為電網(wǎng)電壓，i(k)為第k時刻采樣的并網(wǎng)電流，R為線路等效電阻。

將(3)帶入(6)得：

通過對當(dāng)前時刻電流的測量和下時刻電流的預(yù)測，就能獲得開關(guān)管的占空比D(k)從而實現(xiàn)電流的預(yù)測無差拍控制。

4 仿真驗證及實驗結(jié)果分析

4.1 并網(wǎng)逆變仿真分析

根據(jù)以上理論分析計算，在MATLAB/Simulink里搭建仿真模型，實驗參數(shù)為：額定功率1kW，直流母線電壓400V，濾波電感2mH，濾波電容3μF，死區(qū)時間2.2μs

當(dāng)并網(wǎng)逆變正常工作時，圖4a為并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓波形，電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流同頻同相，應(yīng)用powergui對逆變輸出并網(wǎng)電流進(jìn)行FFT分析(圖4b)，并網(wǎng)電流的總諧波失真THD為1.6%，各次諧波均小于1%。

(a)逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓

(b)逆變并網(wǎng)電流FFT分析圖 4 并網(wǎng)波形及FFT分析

4.2 系統(tǒng)實驗

為了驗證方案的可行性，根據(jù)上述仿真分析，設(shè)計樣機(jī)進(jìn)行試驗，試驗并網(wǎng)電流波形見圖5，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量良好，系統(tǒng)有很好的動態(tài)特性。

圖 5 并網(wǎng)電壓和電流波形

5 結(jié)論

本設(shè)計采用新型碳化硅功率器件并以TI公司的DSP為核心設(shè)計了兩級非隔離光伏并網(wǎng)逆變器，采用預(yù)測型無差拍控制，仿真和樣機(jī)測試結(jié)果表明，并網(wǎng)電流很好的跟蹤電網(wǎng)電壓，且并網(wǎng)電流諧波含量少，系統(tǒng)動態(tài)特性快，樣機(jī)運行穩(wěn)定，達(dá)到并網(wǎng)目的。

[1] 張玉明,湯曉燕,宋慶文. 碳化硅功率器件研究現(xiàn)狀[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2015(10):55-59.

[2] 楊勇,阮毅,葉斌英,湯燕燕.三相并網(wǎng)逆變器無差拍電流預(yù)測控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2013(33):23-26.

[3] 金鑫,袁越,傅質(zhì)馨.基于無差拍功率控制的光伏逆變器控制策略[J]. 電源技術(shù)， 2013(4):77-81.

[4] 劉勝榮,楊蘋,肖瑩,等.兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的無差拍控制算法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2010(8) :24-33.

[5]FriedliT,RoundS,KolarJW.Designandperformanceofa200-khzall-sicjfetcurrentdc-linkback-to-backconverter[J].IEEETransactionsonIndustryApplications, 2009, 45(5): 1868-1878.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Two Levels of Photovoltaic Grid Inverter based on SiC

LU Tian，PAN Jian ，WANG Xiaoping

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This design adopts the high performance DSP as control chip, the application of SiC for 1 kW two-stage unfenced two levels of photovoltaic (PV) grid inverter, Double close-loop control method has been applied in the system, DC voltage loop regulated by PI regulator, and AC current loop controlled by prediction model with no beat. Based on Matlab/Simulink simulation analysis, it has produced a 1 kW prototype. Simulation and the experimental results show that the prototype has a good dynamic characteristic.

SiC; PV Inverter; dead-beat control

2016-03-29

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410500027)

陸 田(1988-)， 男， 湖北仙桃人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為太陽能光伏

1003-4684(2017)02-0062-03

TM615

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