微型光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真研究

文/雷楊松 邊敦新 路蓮，山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院

光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光伏并網(wǎng)微逆變器能夠獨(dú)立實(shí)現(xiàn)單塊光伏電池板的最大功率點(diǎn)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(diǎn)，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(jiǎn)單、成本低、可靠性高而備受關(guān)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(yùn)行于CCM 模式時(shí)反激式微逆變器電流應(yīng)力小，開關(guān)頻率低，效率較高。將交錯(cuò)技術(shù)運(yùn)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(cuò)反激式微逆變器具有廣泛的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)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(jìn)了新能源的快速發(fā)展，其中光伏發(fā)電是新能源應(yīng)用領(lǐng)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(gè)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(dāng)部分光伏組件被遮擋時(shí)，會(huì)引起光伏組件的熱斑效應(yīng)，降低整個(gè)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(fēng)扇。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電是每塊光伏組件連接一個(gè)光伏并網(wǎng)微型逆變器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立的最大功率點(diǎn)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(jí)交錯(cuò)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)。基于此，本文將針對(duì)微型光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行研究。

光伏并網(wǎng)逆變器是應(yīng)用在太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域的專用逆變器，它不僅是一個(gè)電力變換裝置，還具備一定的控制功能，負(fù)責(zé)控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)與停機(jī)、電壓調(diào)節(jié)、光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、反孤島保護(hù)、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(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定、安全、可靠、高效地運(yùn)行，同時(shí)也是影響整個(gè)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(jí)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(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池發(fā)出的是直流電，當(dāng)應(yīng)用于交流負(fù)載時(shí)，逆變器是很重要的設(shè)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(fù)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(qiáng)度的影響，但逆變器可使太陽電池的出力最大。同時(shí)，逆變器還可以抑制高次諧波的電流。逆變器按運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。獨(dú)立運(yùn)行逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)，為獨(dú)立負(fù)載供電。并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)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(gè)相位相差180o的反激變換器1 和反激變換器2 進(jìn)行交錯(cuò)并聯(lián)，在高頻PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)下交錯(cuò)導(dǎo)通。反激變換器主開關(guān)管Q1、Q2 的開關(guān)頻率與占空比是由檢測(cè)到的反激變壓器初級(jí)輸入電壓和次級(jí)輸出電壓、初級(jí)輸入電流和次級(jí)輸出電流經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)由DSC 再結(jié)合M PPT 算法得到。

圖1 交錯(cuò)反激式微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

交錯(cuò)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(guān)鍵波形

反激變換器次級(jí)輸出電壓是包絡(luò)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(bǔ)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(gè)開關(guān)管為MOSFET 管，當(dāng)檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓為正時(shí)，QS1/QS3 導(dǎo)通，當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)時(shí)，QS2/QS4 導(dǎo)通，由于MOSFET管的導(dǎo)通與關(guān)斷僅在電網(wǎng)電壓換向時(shí)進(jìn)行，因此QS1～QS4 的開關(guān)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(dá)式為：

設(shè)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(shí)輸出功率POUT可表示為：

由于光伏并網(wǎng)逆變器是一個(gè)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(gè)條件：①反激變壓器的勵(lì)磁時(shí)間和去磁時(shí)間之和等于開關(guān)周期TS；②在每個(gè)開關(guān)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(shí)輸出功率：

設(shè)反激變壓器的MOS 開關(guān)管占空比為D，電網(wǎng)電壓為UG，反激變壓器初級(jí)和次級(jí)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(dá)式：

設(shè)LP為反激變壓器初級(jí)繞組電感量，則在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)反激變壓器初級(jí)電流峰值ISP可表示為：

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

本文設(shè)計(jì)的光伏逆變器由兩路交錯(cuò)反激變換器構(gòu)成，因此逆變器輸入和輸出能量表達(dá)式為：

可得開關(guān)周期ST表達(dá)式為：

3 微逆變器硬件系統(tǒng)分析

硬件平臺(tái)是關(guān)系整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，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(yùn)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(diǎn)，決定了主拓?fù)溥x用帶有源鉗位的交錯(cuò)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?fù)潆娐贰⑿盘?hào)調(diào)理電路、主芯片及其控制電路、通信電路。主拓?fù)溆奢斎霝V波電路、交錯(cuò)反激電路、工頻逆變電路、EMI電路組成，實(shí)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(dòng)電路實(shí)現(xiàn)主拓?fù)涞目刂啤Ｖ餍酒cWIFI 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。口端接收到實(shí)時(shí)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(kù)。

圖3 硬件平臺(tái)系統(tǒng)圖

4 微逆變器軟件設(shè)計(jì)分析

微逆變器作為控制對(duì)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(jìn)行微逆變器軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本研究中微逆變器設(shè)計(jì)采用微芯公司的dsPIC33FJ16GS504 作為主控芯片，根據(jù)設(shè)計(jì)需求及軟件相關(guān)要求，完成微逆變器并網(wǎng)發(fā)電軟件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包含對(duì)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(hù)、故障檢測(cè)、WIFI 通信等。

4.1 微逆變器整體軟件設(shè)計(jì)

采取中斷方式完成微逆變器軟件相關(guān)設(shè)計(jì)，首先在主程序內(nèi)完成相關(guān)標(biāo)志位的設(shè)置及AD 采樣、串口、定時(shí)器、PWM 及I/O 等硬件的初始化，程序則進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，當(dāng)一但有中斷程序觸發(fā)時(shí)，將跳出循環(huán)轉(zhuǎn)而執(zhí)行相關(guān)中斷程序。

4.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

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(duì)微逆變器主要工作設(shè)置在三個(gè)中斷程序內(nèi)即AD 中斷服務(wù)程序、定時(shí)器T2 中斷服務(wù)程序、串口中斷服務(wù)程序。AD 中斷程序中完成電網(wǎng)頻率的檢測(cè)、數(shù)字鎖相環(huán)、PWM 驅(qū)動(dòng)等。定時(shí)器中斷完成MPPT、反激均流、故障檢測(cè)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(shè)計(jì)

微逆變器采用了交錯(cuò)反激電路作為拓?fù)洌捎趦蓚€(gè)反激電路的開關(guān)器件、二極管、變壓器實(shí)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(gè)反激電路輸入的電流一定，防止電流不平衡導(dǎo)致器件的損壞，所以設(shè)計(jì)了均流程序。均流程序每隔10ms 運(yùn)行一次，通過計(jì)算兩個(gè)反激電路輸入電流的差值進(jìn)行PI 運(yùn)算，得到占空比的補(bǔ)償值，從而實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)反激電路的均流控制示。

4.4 MPPT 程序設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)一般常采用擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT 控制，由于交錯(cuò)反激為電流源系統(tǒng)，不能對(duì)PV 側(cè)電壓進(jìn)行控制，故本程序通過對(duì)電流追蹤控制實(shí)現(xiàn)MPPT 功能。在硬件設(shè)計(jì)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(cè)得。為此，本文在設(shè)計(jì)中，對(duì)反激拓?fù)浞治觯瑢V 側(cè)電流等效成流過解耦電容電流與勵(lì)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(jì)算出PV 功率值。然后增加電壓擾動(dòng)并不斷采樣計(jì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上理論分析，搭建一臺(tái)額定功率300 W 的光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)。逆變器輸入電壓36 V，解耦電容為4 個(gè)并聯(lián)的2 200 μF電解電容，反激變換器開關(guān)管為耐壓150 V 的BSCl90N15NS，變壓器初級(jí)激磁電感為3.8μH，漏感為0.2 tμH，開關(guān)頻率范圍為100 kHz～300kHz，次級(jí)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(dòng)波形，用來驅(qū)動(dòng)反激變換器的主開關(guān)管；圖5是反激變壓器次級(jí)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(luò)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(shí)驗(yàn)，測(cè)得該樣機(jī)并網(wǎng)電流諧波總含量THD≤3%，完全符合國(guó)家規(guī)定的低于5%的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過測(cè)試.當(dāng)輸入直流電壓40V 時(shí)，本文設(shè)計(jì)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(dá)95.35%。

圖4 反激變換器驅(qū)動(dòng)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(jī)實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的單相光伏并網(wǎng)微型光伏并網(wǎng)逆變器單級(jí)轉(zhuǎn)換效率高、體積小、成本低、控制簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了微型光伏并網(wǎng)逆變器，分別對(duì)系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)做了詳述。并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該微型光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤，并網(wǎng)等功能，且滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，在實(shí)驗(yàn)中取得了理想的應(yīng)用效果。