微型光伏并網(wǎng)逆變器的設計與仿真研究

文/雷楊松 邊敦新 路蓮，山東理工大學電氣與電子工程學院

光伏并網(wǎng)發(fā)電技術已成為新能源領域的研究熱點。光伏并網(wǎng)微逆變器能夠獨立實現(xiàn)單塊光伏電池板的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT），克服傳統(tǒng)集中式逆變器能源利用率低的缺點，且基于反激變換器的單相并網(wǎng)微逆變器又因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高而備受關注。反激式微逆變器工作模式分為電流斷續(xù)模式（discontinuous conduction mode，DCM）和電流連續(xù)模式（continuous conduction mode，CCM），相比DCM 模式，運行于CCM 模式時反激式微逆變器電流應力小，開關頻率低，效率較高。將交錯技術運用于反激式微逆變器，可有效提高光伏電池板的利用率，降低系統(tǒng)損耗，減小電流紋波。因此CCM 交錯反激式微逆變器具有廣泛的應用前景和研究價值。

1 微型光伏并網(wǎng)逆變器的概述

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，環(huán)境污染的加劇，促進了新能源的快速發(fā)展，其中光伏發(fā)電是新能源應用領域的重要形式之一。傳統(tǒng)的組串式光伏發(fā)電系統(tǒng)是由多個光伏組件構(gòu)成的光伏陣列產(chǎn)生高壓直流電。再經(jīng)過光伏并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)。當部分光伏組件被遮擋時，會引起光伏組件的熱斑效應，降低整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，并且這種逆變器體積較大，還要為系統(tǒng)散熱增加風扇。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是每塊光伏組件連接一個光伏并網(wǎng)微型逆變器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨立的最大功率點跟蹤可降低由于光伏組件和逆變器功率不匹配而產(chǎn)生的功率損耗，采用單級交錯并聯(lián)反激變換器減小了變壓器和濾波器的體積，適合在建筑物屋頂建立小型光伏發(fā)電系統(tǒng)?；诖耍疚膶⑨槍ξ⑿凸夥⒕W(wǎng)逆變器的設計與仿真進行研究。

光伏并網(wǎng)逆變器是應用在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電領域的專用逆變器，它不僅是一個電力變換裝置，還具備一定的控制功能，負責控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟動與停機、電壓調(diào)節(jié)、光伏電池最大功率點跟蹤、反孤島保護、電能質(zhì)量調(diào)整等。光伏并網(wǎng)逆變器的性能決定著整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效地運行，同時也是影響整個系統(tǒng)使用壽命的主要因素，它是并網(wǎng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的核心部件。光伏并網(wǎng)逆變器的分類方式有多種，通常為按功率等級和隔離方式分類。

逆變器是指將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力電子設備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當應用于交流負載時，逆變器是很重要的設備。它可使得轉(zhuǎn)換后的交流電的電壓頻率與電力系統(tǒng)向負載提供的交流電的電壓、頻率一致。盡管光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出受太陽電池的溫度、日照強度的影響，但逆變器可使太陽電池的出力最大。同時，逆變器還可以抑制高次諧波的電流。逆變器按運行方式可分為獨立運行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨立負載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，將發(fā)出的電能饋入電網(wǎng)。

2 微型光伏并網(wǎng)逆變器的電路與控制原理

2.1 系統(tǒng)控制原理

為了提高功率密度、減小變壓器體積，將兩個相位相差180o的反激變換器1 和反激變換器2 進行交錯并聯(lián)，在高頻PWM 驅(qū)動信號下交錯導通。反激變換器主開關管Q1、Q2 的開關頻率與占空比是由檢測到的反激變壓器初級輸入電壓和次級輸出電壓、初級輸入電流和次級輸出電流經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由DSC 再結(jié)合M PPT 算法得到。

圖1 交錯反激式微逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖

交錯并網(wǎng)反激式光伏并網(wǎng)微型光伏并網(wǎng)逆變器主要工作波形如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器的關鍵波形

反激變換器次級輸出電壓是包絡線為正弦半波的高頻“饅頭波”Us，經(jīng)過整流二極管D 和濾波電路以后輸出為平滑的正弦半波UD，再送往由QS1～QS4 組成的全橋反轉(zhuǎn)電路。由互補的電網(wǎng)電壓工頻PWM 波將正弦半波反轉(zhuǎn)為正弦波，最后經(jīng)過LC 濾波器后。即可得到符合并網(wǎng)要求的工頻正弦交流電流IG。其中，全橋反轉(zhuǎn)電路的4 個開關管為MOSFET 管，當檢測到的電網(wǎng)電壓為正時，QS1/QS3 導通，當電網(wǎng)電壓為負時，QS2/QS4 導通，由于MOSFET管的導通與關斷僅在電網(wǎng)電壓換向時進行，因此QS1～QS4 的開關損耗很小。

2.2 微逆變器控制算法分析

逆變器輸出電流峰值和電網(wǎng)電壓峰值分別用IOP和Uαc表示，則逆變器輸出峰值功率POP的表達式為：

設光伏組件輸出電壓為UPV，電網(wǎng)電壓角頻率為Gω，由于光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，因此光伏并網(wǎng)逆變器的瞬時輸出功率POUT可表示為：

由于光伏并網(wǎng)逆變器是一個向電網(wǎng)做功的電流源，因此逆變器選擇工作在臨界電流模式（BCM），故必須滿足如下兩個條件：①反激變壓器的勵磁時間和去磁時間之和等于開關周期TS；②在每個開關周期內(nèi)，反激變換器輸出的平均功率Paverage需滿足下式的逆變器瞬時輸出功率：

設反激變壓器的MOS 開關管占空比為D，電網(wǎng)電壓為UG，反激變壓器初級和次級匝數(shù)比n=NP/NS，則在臨界電流模式（BCM）的第①條件下以及反激變壓器的伏秒平衡可得：通過變換可得占空比D的表達式：

設LP為反激變壓器初級繞組電感量，則在每個開關周期內(nèi)反激變壓器初級電流峰值ISP可表示為：

在每個開關周期內(nèi)，單路反激變壓器的能量轉(zhuǎn)換表達式為：

本文設計的光伏逆變器由兩路交錯反激變換器構(gòu)成，因此逆變器輸入和輸出能量表達式為：

可得開關周期ST表達式為：

3 微逆變器硬件系統(tǒng)分析

硬件平臺是關系整個監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的基礎，硬件結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響到系統(tǒng)輸出功率的大小、運行狀態(tài)的優(yōu)劣。由于微逆變器需要體積小，功率不高且可靠性高的特點，決定了主拓撲選用帶有源鉗位的交錯反激電路和全橋電路。

圖3為微型光伏逆變器的系統(tǒng)框圖。硬件部分主要由四部分構(gòu)成，分別是主拓撲電路、信號調(diào)理電路、主芯片及其控制電路、通信電路。主拓撲由輸入濾波電路、交錯反激電路、工頻逆變電路、EMI電路組成，實現(xiàn)從光伏板的直流電輸入到輸出交流電流并入電網(wǎng)。微型光伏逆變器采用，dsPIC33FJ16GS504 為主控芯片，并且通過驅(qū)動電路實現(xiàn)主拓撲的控制。主芯片與WIFI 模塊通過串口方式連接，將采集到的光伏發(fā)電狀態(tài)信息發(fā)送到WIFI 模塊串口端?？诙私邮盏綄崟r信息并通過WIFI 內(nèi)部轉(zhuǎn)換，以TCP 數(shù)據(jù)包形式經(jīng)無線路由器發(fā)送到數(shù)據(jù)庫。

圖3 硬件平臺系統(tǒng)圖

4 微逆變器軟件設計分析

微逆變器作為控制對象，如何提高光伏組件的發(fā)電量，如何提高系統(tǒng)的安全性、可靠性是進行微逆變器軟件設計的重點。本研究中微逆變器設計采用微芯公司的dsPIC33FJ16GS504 作為主控芯片，根據(jù)設計需求及軟件相關要求，完成微逆變器并網(wǎng)發(fā)電軟件的設計。軟件設計主要包含對MPPT 跟蹤控制、電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)PLL、反激均流控制、孤島保護、故障檢測、WIFI 通信等。

4.1 微逆變器整體軟件設計

采取中斷方式完成微逆變器軟件相關設計，首先在主程序內(nèi)完成相關標志位的設置及AD 采樣、串口、定時器、PWM 及I/O 等硬件的初始化，程序則進入循環(huán)等待狀態(tài)，當一但有中斷程序觸發(fā)時，將跳出循環(huán)轉(zhuǎn)而執(zhí)行相關中斷程序。

4.2 中斷服務程序設計

微逆變器系統(tǒng)控制程序主要通過中斷程序中來完成。綜合考慮系統(tǒng)開銷，對微逆變器主要工作設置在三個中斷程序內(nèi)即AD 中斷服務程序、定時器T2 中斷服務程序、串口中斷服務程序。AD 中斷程序中完成電網(wǎng)頻率的檢測、數(shù)字鎖相環(huán)、PWM 驅(qū)動等。定時器中斷完成MPPT、反激均流、故障檢測等功能。串口中斷程序完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

4.3 均流程序設計

微逆變器采用了交錯反激電路作為拓撲，由于兩個反激電路的開關器件、二極管、變壓器實際參數(shù)不可能完全相同，所以相同占空比輸出的電流也一定有所差別。為了使兩個反激電路輸入的電流一定，防止電流不平衡導致器件的損壞，所以設計了均流程序。均流程序每隔10ms 運行一次，通過計算兩個反激電路輸入電流的差值進行PI 運算，得到占空比的補償值，從而實現(xiàn)交錯反激電路的均流控制示。

4.4 MPPT 程序設計

光伏并網(wǎng)一般常采用擾動觀察法和電導增量法實現(xiàn)MPPT 控制，由于交錯反激為電流源系統(tǒng)，不能對PV 側(cè)電壓進行控制，故本程序通過對電流追蹤控制實現(xiàn)MPPT 功能。在硬件設計中，為了節(jié)約成本，省去了PV 電流采樣傳感器，因此，該電流無法直接測得。為此，本文在設計中，對反激拓撲分析，將PV 側(cè)電流等效成流過解耦電容電流與勵磁電流之和，建模求解出PV 側(cè)電流。再根據(jù)采樣得來的PV 電壓，計算出PV 功率值。然后增加電壓擾動并不斷采樣計算前后兩次PV 輸出功率的差值，以此作為調(diào)節(jié)PV 板輸出電壓的依據(jù)，進而修改并網(wǎng)電流的參考值，完成最大功率的跟蹤過程。

5 實驗驗證

基于以上理論分析，搭建一臺額定功率300 W 的光伏并網(wǎng)逆變器樣機。逆變器輸入電壓36 V，解耦電容為4 個并聯(lián)的2 200 μF電解電容，反激變換器開關管為耐壓150 V 的BSCl90N15NS，變壓器初級激磁電感為3.8μH，漏感為0.2 tμH，開關頻率范圍為100 kHz～300kHz，次級整流二極管為C4D02120A.全橋反轉(zhuǎn)電路MOS管為耐壓800 V 的SPBl7N80C3，濾波電感Lf 為3 mH 的共模電感，濾波電容Cf 為3.3μF，電網(wǎng)電壓為220 V，電網(wǎng)電壓頻率為50Hz。圖4為系統(tǒng)控制核心DSC 輸出的兩路PWM 驅(qū)動波形，用來驅(qū)動反激變換器的主開關管；圖5是反激變壓器次級輸出電壓的“饅頭波”，以及經(jīng)過整流二極管和濾波電路以后，反激變換器輸出的正弦半波，可看出正弦半波是“饅頭波”的包絡線：圖6是“饅頭波”經(jīng)過放大以后的波形，圖7為光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形，可見并網(wǎng)電流k 的波形十分平滑，且與電網(wǎng)電壓%呈現(xiàn)同頻同相狀態(tài)。通過多次實驗，測得該樣機并網(wǎng)電流諧波總含量THD≤3%，完全符合國家規(guī)定的低于5%的并網(wǎng)標準。經(jīng)過測試.當輸入直流電壓40V 時，本文設計的光伏并網(wǎng)微型光伏并網(wǎng)逆變器最大平均電能轉(zhuǎn)換效率可高達95.35%。

圖4 反激變換器驅(qū)動波形

圖5 反激變換器輸出波形

圖6 放大后的“饅頭波”波形

圖7 逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓波形

5 結(jié)語

基于理論分析和樣機實驗，本文設計的單相光伏并網(wǎng)微型光伏并網(wǎng)逆變器單級轉(zhuǎn)換效率高、體積小、成本低、控制簡單、穩(wěn)定可靠，還具有高頻電氣隔離特性。逆變器輸出的并網(wǎng)電流THD 含量較低。能為電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電能。因此本文設計的光伏并網(wǎng)微型光伏并網(wǎng)逆變器能夠廣泛適用于建筑物屋頂搭建的小型光伏發(fā)電系統(tǒng)。本文設計了微型光伏并網(wǎng)逆變器，分別對系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)做了詳述。并且通過實驗驗證了該微型光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)了最大功率跟蹤，并網(wǎng)等功能，且滿足實際應用的需求，在實驗中取得了理想的應用效果。