單相光伏并網微型逆變器的研究

周敏敏

摘要：太陽能光伏并網微型逆變器作為優化光伏發電效率和更智能化的設備，現在已經得到了光大光伏電站的青睞，傳統的光伏并網逆變器架構連接方式是通過組件串并聯組成光伏陣列后連接大功率并網逆變器，存在當有陰影時組件和逆變器功率不匹配、工作溫度高、壽命不長、監控能力有限等問題。光伏并網微型逆變器是為解決上述問題而提出來的。其獨特的架構使太陽能光伏并網微型逆變器具有可以模塊化設計、即插即用、安裝方便、擴展方便的優點。

關鍵詞：并網；微型逆變器；光伏；最大功率點追蹤

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0210-02

一、整體設計

本文從硬件設計上提出更加貼合實際運用的硬件拓撲和參數設計，使整個系統更加穩定可靠，整個發電系統更加安全有效；從軟件設計角度分析整個光伏并網微型逆變器的可行性，使設計在一個嚴謹可靠的計劃中執行；最終，設計一套基于飛思卡爾MC56F8013的太陽能光伏并網微型逆變器，采用兩級設計結構，前級采用上下交錯反激電路，利用一個獨立的SPWM波控制器實現升壓和MPPT控制；后級采用正弦翻轉電路，實現并網功能。并網微型逆變器的控制策略采用電流內環和電壓外環的控制方式，實現對電網電壓同頻同相的跟蹤。搭建了實驗環境進行實驗測試和實驗結果分析，實驗結果驗證了設計的并網逆變器的可行性。

1.硬件設計。為實現光伏并網單相微型逆變器的寬范圍電壓輸入，采用兩級拓撲結構，前級采用上下交錯反激拓撲結構，將太陽能光伏組件輸出的低電壓提升至逆變器逆變所需的直流高壓，產生與電網同頻同相的正弦半波，同時在前級中實現最大功率點跟蹤，實現太陽能光伏系統的最大能量輸出。后級采用全橋逆變電路，以兩倍工頻的開關頻率折疊正弦半波，實現正弦半波到正弦全波的電路翻轉，同時將逆變器輸出的電能并入到電網中。光伏并網單相微型逆變器的設計參數為：電網電壓范圍：210 VAC～264 VAC；標稱輸出電壓：230VAC；電網頻率范圍：47 ～53 Hz；標稱輸出頻率：50HZ；輸入電壓范圍：210 VAC～264 VAC；最大輸出功率：185W；標稱輸出電流：0.8A；功率因數：>0.95；總諧波失真：<5%；最高效率：95%。

2.軟件設計。整個光伏發電并網微型逆變器的系統算法框圖如圖1所示。

光伏并網微型逆變器前級反激電路中，反激開關管使用PWM波正弦調制，將光伏組件能量傳送到并網逆變器的輸出電容上，光伏并網微型逆變器的最終輸出電流波形是通過電流控制環來控制的。

3.測試初始條件設置。太陽能光伏并網微型逆變器并網實驗中，標準光伏組件，在標準測試條件（STC）：太陽能輻射通量1000W/m2，大氣參數1.5，組件溫度25℃下，JTM190-72M光伏組件電性能參數：峰值功率（Pmax）：190W；峰值工作電壓（Vmpp）：36.5V；峰值工作電流（Impp）：5.2V；開路電壓（Voc）：43.8V；短路電流（Isc）：5.83；組件效率：14.9%；功率偏差（正）：+5%。公共電網作為太陽能光伏發電系統的負載接入光伏并網微型逆變器的輸出端。示波器探頭的開關設定為1X。

4.測試結果及其分析。太陽能光伏并網微型逆變器并入公共電網后，在輸出端可檢測到交流電流和交流電壓狀況，這兩個波形是經過縮放電路后的輸出波形。檢測到的輸出交流電流如圖2所示，電網電壓檢測結果如圖3所示。

由波形可以看出光伏并網微型逆變器已能夠實現逆變功能，但可以看到輸出波形諧波較大。在電網跟隨上輸出電基本跟隨電網。由電力質量分析儀得出逆變輸出的電壓THD值在3%左右，所以還是滿足THD小于5%的要求。全橋逆變電路中，需要對反激變換后的正弦輸出電流進行換相處理，使正弦半波轉換成與電網同頻同相的交流電，并入電網后，在處理波形是要注意零點出的畸形，較小畸形使得其并網動作對電網的影響降到最低。使用功率分析儀測得數據為：

輸入功率W：101，123，146，158；

輸出電壓V：220.69，220.09，220.45，220.15；

輸出電流A：0.403，0.548，0.599，0.653；

效率：0.880，0.892，0.904，0.910；

THD%：3.32，3.40，3.23，3.32。并網測試結果及存在的問題：①測試獲得此光伏并網微型逆變器的效率為84%～93%，在PV板功率高時效率也較高，反之則較差，預期設計目標最大效率是95%，和設計目標存在一定距離。②在控制上MPPT效果比較理想，在PV板被遮擋出現陰影時，系統能快速跟蹤，使得功率改變小。③在輸出端的電流波形不夠理想，電能質量分析儀顯示THD在3%以上，在電流控制上還需要進一步研究以降低電流紋波，但是符合預期設計目標THD要控制在5%以內。④在負載平衡輸出中可以看到兩個控制信號差異較大，在軟件的計算上需要進一步改進。

二、結語

本文選用電壓型高頻鏈微型逆變器進行電路設計，硬件電路包括主電路設計、驅動電路設計、保護電路設計、檢測電路設計、輔助電源電路設計，并對變壓器和關鍵器件進行選型。分析了光伏并網微型逆變器的軟件整體架構，分析了DC/DC反激變換電路占空比D的構成部分，著重分析了逆變器的狀態機部分，通過不同工作模式之間的切換，實現逆變器的正常工作，同時也分析鎖相環程序，計算相位時加入了分數角累積的值，旨在將在一段時間內忽略的誤差計入相位計算中，以此優化跟隨效果。并對搭建出的硬件平臺進行實驗測試，包括并網后的電網電壓，交錯反激電流波形，驅動信號等測試。結果表明都能實現太陽能光伏并網微型逆變器的基本功能。endprint