基于Simplorer/Matlab的交錯反激微功率光伏并網逆變器研究

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

目前光伏并網發電系統架構可分為集中式、串式和交流模塊式[1]。相比于集中式和串式，交流模塊式具有抗陰影能力強、即插即用、光伏電池板利用率高等優點，已得到廣泛應用[2]。微功率光伏并網逆變器(PVMI)是交流模塊式光伏發電架構的關鍵設備之一。PVMI由單塊光伏電池板輸入，輸入電壓低，輸出電壓高，單機功率小，因此拓撲結構必須同時實現升壓和逆變，且應具有電氣隔離。反激變換器具有升壓和高頻隔離功能，且拓撲簡單、開關器件少、控制簡單、成本低，是當前PVMI的主流拓撲[3-4]。

為了提高逆變器的功率等級以滿足PVMI的功率需求，采用兩路反激并聯的交錯反激逆變器結構[5-7]。本文研究了交錯反激微功率光伏并網逆變器(簡稱交錯反激PVMI)的工作原理及并網電流控制方法。通過PExprt軟件對反激變壓器進行建模，導入Simplorer軟件中搭建的主電路模型，結合Matlab/Simulink環境下的控制電路模型進行仿真。最后通過實驗驗證理論分析的正確性和仿真方法的可行性。

2 交錯反激PVMI工作原理分析

交錯反激PVMI拓撲如圖1所示，兩路反激變換器并聯，經工頻極性反轉橋和濾波器后接入電網。

圖1 交錯反激PVMI拓撲

圖2 交錯反激PVMI工作原理波形

3 并網電流控制

反激變換器是隔離型Buck-boost變換器，因而可通過Buck-boost變換器推導出穩態下占空比與并網電流的關系式，如圖3所示。

Buck-boost變換器電感電流iL與輸出電流io的關系如下：

iL=io/(1-D),VL=sL·IL

(1)

圖3 Buck-boost變換器

引入閉環控制的電流增益G，G是控制環PI調節器部分的系數Kp和Ki，即G=Kp+Ki/s，則：

VL=G·(ILred-IL)

(2)

結合式(1)、(2)可得：

VL=G(Ioref-Io)/(1-D)

(3)

Buck-boost變換器有：

VL=VinD-Vo(1-D),Vo=VinD/(1-D)

(4)

聯立式(3)、(4)可得占空比D與輸出電流Io的關系式為：

(5)

對于反激變換器，需加入變壓器匝比n，定義變壓器匝比n=Vo(1-D)/(VinD)，則反激變換器占空比D與輸出電流Io的關系式為：

(6)

通過采樣輸出電壓Vo，輸入電壓Vin和并網電流Io，選擇合適的PI參數，根據式(6)即可控制并網電流Io跟蹤參考電流ioref，從而使并網電流io呈正弦波。

4 Simplorer、PExprt與Matlab聯合仿真

利用Simplorer、PExprt與Matlab的聯合仿真分析交錯反激PVMI的工作原理[8]。仿真參數如下：輸入電壓22～36V，并網電壓220V/50Hz，最大輸出功率220W，開關頻率100kHz，變壓器原副邊變比6:42，勵磁電感29.64H。

在PExprt軟件中對設計好的反激變壓器進行建模，經仿真生成Simplorer軟件所能使用的SML網表，再將網表導入Simplorer軟件中就能創建出如圖4所示的變壓器模型。Simplorer軟件中的主電路模型與Matlab/Simulink平臺中的控制電路模型[9-12]分別如圖5和圖6所示。圖7所示左邊為Simplorer軟件中的Simulink連接部件，右邊的AnsoftSFunction為Matlab/Simulink中用于實現Simulink與Simplorer的連接。

圖8和圖9所示分別為30V輸入電壓下仿真得到的并網電壓電流波形和原副邊電流仿真波形。從圖中可以看出，并網電流和電網電壓同頻同相，原副邊電流在半個電網周期內均呈正弦包絡線波形，仿真結果與理論分析一致。

圖4 Simplorer變壓器模型

圖5 Simplorer主電路模型

圖6 Matlab/Simulink控制電路仿真模型

圖7 Simplorer、Simulink連接部件

圖8 Simplorer中并網電壓電流波形

5 實驗驗證

根據第3節中的仿真參數設計了一臺交錯反激PVMI實驗樣機，下面給出輸入電壓30V滿載時的實驗波形。圖10為并網電壓電流實驗波形，測得此時并網電流的THD值為4.41%。圖11為兩路反激原邊電流ip1、ip2實驗波形，從圖中可以看出一個電網周期內ip1、ip2近似為正弦雙半波，且兩路反激較好地實現了均流控制。圖12為30V輸入電壓不同負載下樣機的效率曲線圖，樣機的峰值效率為93.6%。

圖9 Simplorer中原副邊電流仿真波形

圖10 并網電流與電網電壓實驗波形

圖11 兩路反激原邊電流實驗波形

6 結論

本文介紹了交錯反激PVMI的工作原理及其并網電流控制策略；介紹了通過聯合PExprt、Simplorer和Matlab/Simulink三款軟件對交錯反激PVMI電路進行仿真的方法；最后通過實驗驗證了理論分析的正確性和仿真方法的可行性。