一種帶飛跨電容的單相光伏逆變器

楊晗露，馬海嘯，蔣天健，郭晨陽

(南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023)

化石燃料的日益枯竭和環(huán)境污染問題促使人們關(guān)注新能源開發(fā)。由于光伏能源具有安全、豐富、技術(shù)要求低的優(yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電的需求逐漸增大[1]。而光伏發(fā)電需要通過逆變器進(jìn)行直流-交流轉(zhuǎn)換，因此逆變器的性能至關(guān)重要[2]。

目前主流的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括半橋電路、全橋電路和推挽電路。半橋電路輸出端的電壓波形幅值僅為直流母線電壓值的一半，電壓利用率低。推挽電路的電壓損失小，直流母線電壓只有一個開關(guān)管的管壓降損失，并且兩個開關(guān)管的驅(qū)動電路電源可以共用，驅(qū)動電路相對簡單，但工藝上難度較大。全橋電路與推挽電路的電壓利用率都為半橋式的2倍，全橋電路結(jié)構(gòu)相對簡單，所以中、大容量逆變器大多采用全橋結(jié)構(gòu)[3]。

傳統(tǒng)的全橋逆變器在光伏面板到地面之間的寄生電容上可能出現(xiàn)共模接地漏電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低、電流失真等問題[4-5]。已有研究提出增加位于中點(diǎn)的鉗位結(jié)構(gòu)，從而抑制漏電流，但是增加的結(jié)構(gòu)增大了損耗，導(dǎo)致成本增大[6-7]。部分全橋電路中使用了HERIC 構(gòu)型和H5 構(gòu)型，以及基于這兩類結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型[8-9]，具有抑制漏電流的能力，但無法完全消除漏電流。為此提出了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——共地型拓?fù)洌瑢⒔涣鱾?cè)與直流側(cè)共地，通過將光伏電池的寄生電容短接從而消除漏電流[10-11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種新型H5 拓?fù)洌ㄟ^引入4 個MOS 管、4 個二極管以及1個高頻IGBT 實(shí)現(xiàn)換相和續(xù)流，使得光伏板和大電網(wǎng)隔離，破壞了由光伏電池寄生電容、濾波組件和地極之間的諧振回路，可有效抑制漏電流，但會出現(xiàn)較嚴(yán)重的諧波。文獻(xiàn)[13]在傳統(tǒng)H 橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個開關(guān)管，采用基于準(zhǔn)比例諧振控制的雙環(huán)控制策略，獲得了較好的輸出效果，但是雙環(huán)PI控制器實(shí)際中實(shí)現(xiàn)擁有相對較大的難度。文獻(xiàn)[14]針對H5 電橋中的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，然而開環(huán)補(bǔ)償?shù)姆绞綍疠敵龅牟▌印?/p>

針對上述不足，本文基于全橋結(jié)構(gòu)，加入飛跨電容，設(shè)計了一種新型單相光伏逆變器。與二極管箝位逆變器和H 橋逆變器相比，結(jié)構(gòu)簡單，對直流電源的要求低，因此有利于成本的控制。最關(guān)鍵的是逆變器交流側(cè)與直流側(cè)共地，完全消除了漏電流。

1 帶飛跨電容的單相光伏逆變器拓?fù)?/h2>

本文提出的新型單相光伏逆變器拓?fù)渚哂? 個開關(guān)管S1～S5、直流側(cè)穩(wěn)壓電容Cin、濾波電感L1、濾波電容C、飛跨電容CFC和負(fù)載電阻RL，如圖1 所示。

圖1 帶飛跨電容的單相光伏逆變器拓?fù)?/p>

2 逆變器工作模態(tài)分析

根據(jù)電路中流經(jīng)電感L1的電流和輸出電壓的方向，可將帶飛跨電容的單相光伏逆變器的工作模態(tài)分為I、II、III、IV 4 個區(qū)間，如圖2 所示，其中，iL1表示流經(jīng)電感L1的電流，作為輸出電流；uo為負(fù)載兩端電壓，即為輸出電壓。

圖2 新型逆變器工作模態(tài)的劃分

下面對4 個區(qū)間的工作模態(tài)進(jìn)行具體分析。

(1)區(qū)間I：iL1＞0，uo＞0，如圖3 所示，開關(guān)管S1、S4處于導(dǎo)通狀態(tài)，光伏電池提供能量，負(fù)載吸收能量，同時，光伏電池經(jīng)過PV-S1-CFC-S4為飛跨電容CFC充電。在傳輸能量階段中，開關(guān)管S3導(dǎo)通，光伏電池通過PV-S1-S3-L1-RL為電感充電，如圖3(a)；在續(xù)流階段，開關(guān)管S5導(dǎo)通，電感經(jīng)過S5進(jìn)行放電續(xù)流，如圖3(b)。

圖3 區(qū)間I

(2) 區(qū)間II：iL1＜0，uo＞0，如圖4 所示，光伏電池通過開關(guān)管S1、S4給飛跨電容CFC充電。在傳輸能量階段，開關(guān)管S3、S4導(dǎo)通，電容C放電，通過C-L1-S3-CFCS4為飛跨電容CFC和電感L1充電，如圖4(a)；續(xù)流階段中，電感經(jīng)過L1-S4-S5-RL放電續(xù)流，如圖4(b)。

圖4 區(qū)間II

(3)區(qū)間III：iL1＜0，uo＜0，如圖5 所示。在傳輸能量階段，開關(guān)管S2、S5導(dǎo)通，飛跨電容CFC放電，通過CFC-S2-RL-L1-S5給負(fù)載RL提供能量，如圖5(a)；續(xù)流階段中，開關(guān)管S1、S4、S5導(dǎo)通，光伏電池經(jīng)過開關(guān)管S1給飛跨電容CFC充電，電感放電續(xù)流，如圖5(b)。

圖5 區(qū)間III

(4) 區(qū)間IV：iL1＞0，uo＜0，如圖6 所示，開關(guān)管S5導(dǎo)通。在傳輸能量階段，開關(guān)管S2導(dǎo)通，電容C通過C-S2-CFC-S5-L1給飛跨電容CFC和電感充電，如圖6(a)；續(xù)流階段中，開關(guān)管S4導(dǎo)通，電感L1進(jìn)行放電續(xù)流，如圖6(b)。

圖6 區(qū)間IV

以“1”表示開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，“0”表示開關(guān)管的關(guān)斷狀態(tài)。以a 表示傳輸能量階段，以b 表示續(xù)流階段。逆變器各工作模態(tài)下的5 個開關(guān)管狀態(tài)如表1 所示。

表1 開關(guān)管狀態(tài)

選擇一種單極性正弦脈寬調(diào)制方式，將調(diào)制信號與單極性三角載波交截，如圖7 所示，當(dāng)調(diào)制信號ur大于正極性三角波，開關(guān)管S3導(dǎo)通；當(dāng)調(diào)制信號ur小于正極性三角波，開關(guān)管S5導(dǎo)通；當(dāng)調(diào)制信號ur大于負(fù)極性三角波，開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通；當(dāng)調(diào)制信號ur小于負(fù)極性三角波，開關(guān)管S2導(dǎo)通。從而生成對5 個開關(guān)管的控制信號，驅(qū)動逆變器在區(qū)間I、II、III、IV 循環(huán)工作，將光伏電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為負(fù)載供能。

3 飛跨電容的選擇

本文設(shè)計的新型逆變器在輸出電壓的正半周期由光伏電池給飛跨電容充電，在電壓負(fù)半周期由飛跨電容放電供能。飛跨電容放電時，放出的能量和負(fù)載吸收的能量近似相等。以u1表示飛跨電容CFC在放電前t0時刻的電壓，以u2表示飛跨電容在經(jīng)過Δt時長的放電后的電壓，則：

其中，uo=Uosin(ωt)，，U0、IL1分別為輸出電壓和電感電流的最大值。設(shè)計輸出頻率為f=50 Hz，開關(guān)頻率為fs=20 kHz，則上式中t0∈(0.01+0.02k,0.02+0.02k)，k∈N，Δt=1/fs=0.05 ms。可得：

考慮到工程應(yīng)用中的安全性，可采用固態(tài)電容。將4 個330 μF/63 V 的固態(tài)電容串聯(lián)成耐壓大于200 V 的電容，再將6 組這樣的串聯(lián)電容并聯(lián)，使組成的電容值不小于470 μF。

4 基于SPWM 技術(shù)的電壓瞬時值閉環(huán)控制

本文選擇SPWM 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計并采用了圖8 所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖中：LC 濾波器為逆變器輸出端連接的低通濾波器，電壓uoref為參考調(diào)制信號，uc為調(diào)制控制電路輸出的控制信號，ul為輸出SPWM 信號，uo為LC 濾波后的正弦波輸出電壓。

圖8 控制系統(tǒng)

實(shí)際電壓uo與參考信號uoref比較，進(jìn)入PID 控制器產(chǎn)生調(diào)制信號ur。采用SPWM 技術(shù)，將調(diào)制信號ur與單極性三角載波交截，產(chǎn)生控制信號uc。

控制信號通過驅(qū)動電路控制5 個開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使逆變器產(chǎn)生SPWM 輸出電壓，經(jīng)過LC 濾波器濾除高頻諧波分量后，得到所需的正弦波。

5 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計的逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姴⑶蚁╇娏鞯挠行裕约翱刂品绞降目尚行裕贛ATLAB 軟件上對帶飛跨電容的單相光伏逆變器及控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。采用的仿真參數(shù)如下：輸入電壓200 V，輸出電壓110 V，輸出頻率50 Hz，額定功率200 W，直流側(cè)穩(wěn)壓電容Cin為220 μF，飛跨電容CFC采用470 μF，濾波電感L1為5 mH，濾波電容C為4.7 μF，負(fù)載RL為60.5 Ω，開關(guān)頻率20 kHz，對地寄生電容100 nF。

得到仿真波形，如圖9 所示。其中，圖9(a)所示為2 個周期內(nèi)5 個開關(guān)管控制信號，信號值為1 時開關(guān)管導(dǎo)通，信號值為0 時關(guān)斷；圖9(b)為逆變器在額定負(fù)載下的輸出電壓uo、電感電流iL1及濾波前電壓uI波形；圖9(c)為漏電流波形，漏電流值為0，被完全消除。

圖9 仿真波形

從以上仿真的輸出電壓、輸出電流的波形圖中可以看出，在所設(shè)計的控制方案下，帶飛跨電容的單相光伏逆變器產(chǎn)生的交流波形質(zhì)量較好，基本不存在畸變，漏電流得到有效消除。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證帶飛跨電容的新型單相光伏逆變器拓?fù)涞男阅埽罱艘慌_實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)與前述仿真參數(shù)一致。采用前文所述的SPWM 調(diào)制信號驅(qū)動逆變器的開關(guān)管導(dǎo)通。

圖10 給出了新型單相光伏逆變器的開關(guān)管控制信號、電感電流、輸出電壓和漏電流波形。其中，圖10(a)為5 個開關(guān)管控制信號，圖10(b)為額定負(fù)載下的輸出電壓uo及電感電流iL1波形，圖10(c)為實(shí)驗(yàn)的漏電流波形，可以看出漏電流非常小。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所介紹的帶飛跨電容的單相光伏逆變器拓?fù)淠軌蛴行╇娏鳎瑢⒅绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷妮敵霾ㄐ涡Ч^為理想。

圖10 實(shí)驗(yàn)波形

逆變器的效率曲線如圖11 所示。在50～200 W的輸出功率范圍內(nèi)進(jìn)行了測量，變換效率均大于90%。輸出功率為200 W 時，逆變器的效率最高達(dá)94.3%。

圖11 效率曲線

7 結(jié)論

本文介紹了一種帶飛跨電容的新型單相光伏逆變器，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。將負(fù)載端與直流電源負(fù)端相連，徹底消除了漏電流。利用了一種改進(jìn)的單極性SPWM 技術(shù)對單相光伏逆變器進(jìn)行調(diào)制，并且基于PID 控制策略設(shè)計了閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了提出的新型逆變器在控制系統(tǒng)下輸出交流電質(zhì)量好且消除了漏電流。但本文僅設(shè)計了單相逆變器，將此拓?fù)涓倪M(jìn)為三相并網(wǎng)逆變器并對此設(shè)計更加合適的控制系統(tǒng)，也是一項(xiàng)有意義的后續(xù)研究。