準(zhǔn)單級交錯并聯(lián)反激式微型逆變器研究與測試*

韓天寶， 任一峰， 李　陽

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0　引　言

近年來， 隨著煤炭和石油資源的過度開發(fā)和利用， 能源和環(huán)境問題越來越突出， 太陽能成為眾多國家替代能源的首選. 光伏板產(chǎn)生的直流電， 通過逆變器被轉(zhuǎn)化為交流電之后被送入電網(wǎng). 傳統(tǒng)的組串式結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)能源利用率低， 安裝不便， 維護(hù)不易. 并網(wǎng)微型逆變器逐漸成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[1]. 一臺微型逆變器對應(yīng)一塊光伏電池板， 保證了光伏系統(tǒng)的每一塊電池板都能在最大功率點(diǎn)(MPP)下工作， 提高了能源利用效率， 而且， 微型逆變器(Micro-inverter)具有安裝方便， 維護(hù)簡單， 逆變效率高， 可靠性好等特點(diǎn).

在微型逆變器中逐漸采用了反激式DC-DC變換器結(jié)構(gòu)， 提高了能源利用效率. 采用隔離型反激式逆變器結(jié)構(gòu)會有漏感現(xiàn)象發(fā)生， 通常采用有源鉗位電路來實(shí)現(xiàn)漏感能量的回收利用[2].

本文對高頻隔離的反激式逆變器展開研究， 采用有源鉗位電路， 提高能源效率. 反激式逆變器有3種工作模式： 電流臨界模式(boundary conduction mode， BCM)， 電流斷續(xù)模(discontinuous conduction mode， DCM)和電流連續(xù)模式(continuous conduction mode CCM)[3]. BCM模式需要采用變頻控制， 實(shí)際應(yīng)用會比較復(fù)雜； DCM模式電流峰值大， RMS高； CCM 雖結(jié)構(gòu)簡單， 效率高， 但穩(wěn)定性較差. 雖然CCM控制頻率低， 開關(guān)損耗小， 電流紋波少， 但在CCM工作模式下， 并網(wǎng)功率因素、 諧波畸變和并網(wǎng)電流輸出波形不理想， 為了提高這幾項(xiàng)參數(shù)， 本文提出了重復(fù)控制方法(repetitive controller， RC)[4].

在大多數(shù)的微逆設(shè)計(jì)中， DC控制電路部分的主控芯片都采用MPPT控制器實(shí)現(xiàn)功率輸出的最大化[5]. 常采用的MPPT控制方法有： 擾動觀察法(Perturb and Observe， P&O)和電導(dǎo)增量法(Incremental Conductance， INC)[6].

本文采用改進(jìn)的擾動觀察法(Perturbation and Observation method， P&O)提高M(jìn)PPT追蹤效率， 最終在一臺250 W的試驗(yàn)樣機(jī)上， 通過光伏模擬器和交流電源， 驗(yàn)證了該樣機(jī)的靜態(tài)MPPT效率為99.5%， 動態(tài)MPPT效率為98.5%， 轉(zhuǎn)換效率為94.5%， 諧波畸變低于5%.

1　有源鉗位反激式逆變電路

1.1　反激式逆變電路拓?fù)?/h3>

高頻準(zhǔn)單級反激逆變器的電路結(jié)構(gòu)簡單， 只有一級的功率變換電路， 適用于小功率、 成本低的光伏系統(tǒng)[7]. 反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)換效率高， 損耗小， 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單， 逐漸成為光伏微型逆變器的常用拓?fù)鋄2].

圖 1　準(zhǔn)單級反激式光伏微型逆變器拓?fù)銯ig.1　Topology of Quasi-single-stage Microinverter

圖 1 所示為微型光伏逆變器反激式結(jié)構(gòu)的拓?fù)? 由光伏組件、 交錯并聯(lián)準(zhǔn)單級反激電路和全橋變換電路組成. MOSFET開關(guān)管組成的兩路開關(guān)分別控制兩路DC-DC變換器. 每一路的開關(guān)采用同一驅(qū)動控制信號， 頻率采用PWM調(diào)制， 實(shí)現(xiàn)高頻隔離、 MPP跟蹤. DC-DC變換電路采用高頻鏈環(huán)節(jié)來提高能源轉(zhuǎn)換效率， 后級全橋逆變電路由開關(guān)管VS1，VS2，QS1，QS2實(shí)現(xiàn)， 開關(guān)管控制信號頻率與電網(wǎng)信號頻率一致， 采用工頻控制， 實(shí)現(xiàn)反激輸出波形與電網(wǎng)電壓的同步反轉(zhuǎn)， 由饅頭波反轉(zhuǎn)為正弦波， 最后經(jīng)由LC濾波電路匯入電網(wǎng).

兩路并聯(lián)交錯的反激式變換電路減少了輸出電流脈動和總諧波失真(Total Harmonic Distortion， THD)， 提高了逆變器的電源轉(zhuǎn)換效率； 采用兩組控制開關(guān)， 對輸入電流進(jìn)行分流， 降低了每個開關(guān)的能量損耗和熱損耗， 提高了系統(tǒng)的安全性和能源效率. 輕載時， 交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)可使微逆只工作一路， 減小了開關(guān)損耗， 提高了系統(tǒng)效率.

1.2　反激式工作模式選擇

效率和成本是考量微逆的兩項(xiàng)重要因素[8]. 因此， 作為低成本、 簡結(jié)構(gòu)、 易控制的準(zhǔn)單級反激式逆變電路成為微逆設(shè)計(jì)的首選， 通過控制方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)效率的最大化.

2　重復(fù)控制策略

利用內(nèi)?？刂圃恚?重復(fù)控制技術(shù)在逆變器設(shè)計(jì)中可以消除周期干擾和減少輸出電壓和電流的諧波[9，10]. 內(nèi)模數(shù)學(xué)模型描述的是一個周期性的信號,因而使得閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠無靜差地跟蹤周期信號. 重復(fù)控制的傳遞函數(shù)公式為

當(dāng)輸入信號以基波周期重復(fù)出現(xiàn)， 輸出對輸入信號的逐周期累加， 即使輸入衰減至零， 內(nèi)模仍然會持續(xù)不斷地逐周期重復(fù)輸出與上周期波形相同的信號. 將這個周期信號保持器引入到反饋控制系統(tǒng)內(nèi)部， 通過補(bǔ)償環(huán)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定， 可在一個周期內(nèi)跟蹤給定并且消除擾動. 此控制器加入到光伏系統(tǒng)之后， 可一定程度上降低并網(wǎng)輸出端電壓和電流的干擾， 提高電網(wǎng)質(zhì)量.

圖 2　重復(fù)控制器框圖Fig.2　Diagram of repetitive controller

3　改進(jìn)的MPPT算法

圖 3　改進(jìn)的MPPT方法Fig.3　Flowchart of modified MPPT

恒定電壓法是指光伏陣列達(dá)到最大輸出功率時， 輸出電壓保持在一個穩(wěn)定的值. 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式， 該值大約0.75～0.85 V[12]. 但是隨著光強(qiáng)和溫度的變化， 最大功率點(diǎn)的輸出電壓也會隨之變化， 因此該方法雖控制簡單， 追蹤速度快， 但是精度較差[13].

擾動觀察法(P&O)是最常用的MPPT算法之一[14]， 其原理是在系統(tǒng)內(nèi)加入一個小的干擾， 觀察干擾對輸出電壓的影響， 計(jì)算輸出功率， 通過與上一時刻的功率進(jìn)行比較來確定下次干擾的方向. 先增加DC-DC變化器的占空比D， 若光伏陣列的輸出功率增加， 則增加占空比， 反之， 減小占空比. 占空比的變化值稱為擾動步長Δd(步長增量).

本文采用恒定電壓法和擾動觀察法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤. 在逆變器啟動階段或者光強(qiáng)、 溫度突然變化的時候， 采用恒定電壓法U=0.8 V將輸出電壓控制在最大功率點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值附近， 再采用擾動觀察法進(jìn)行判斷. 該方法流程如圖 3 所示.

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

本文設(shè)計(jì)了一臺250 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī). 實(shí)驗(yàn)參數(shù)為： 并網(wǎng)電壓UAC=220 V； 并網(wǎng)頻率fac=50 Hz； 逆變電路開關(guān)頻率f=50 Hz； DC-DC開關(guān)頻率fs=125 kHz. 本實(shí)驗(yàn)采用AMETECK的光伏模擬器和交流電源. 利用光伏模擬器測試了模擬一天的光照變化情況下的MPPT效率和功率. 在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)250 W的工作功率下， 測試了其靜態(tài)MPPT效率， 采集并網(wǎng)輸出電流和電壓波形.

4.2　實(shí)驗(yàn)波形

圖 4、 圖 5 和圖 6 分別是逆變器在功率為低功率(50 W)、 半功率(150 W)和滿功率(250 W)各個階段的MPPT追蹤效果. 圖中白曲線表示U-I曲線， 灰曲線代表P-U曲線， 白長條表示當(dāng)前跟蹤的點(diǎn). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示： 在低功率或滿功率時， MPPT都取得了較好的結(jié)果， 都可以跟蹤在最大功率點(diǎn)附近. 圖 7 是在光伏模擬器設(shè)備下， 模擬逆變器一天工作當(dāng)中的功率曲線. 圖 7 顯示微型逆變器在晴天工作條件下， 一天當(dāng)中功率的追蹤效果都很好， 保持了功率的最大輸出.

圖 4　P=50 W MPPT追蹤曲線Fig.4　Curve of P=50 W MPPT

圖 5　P=150 W MPPT 追蹤曲線Fig.5　Curve of P=150 W MPPT

圖 6　P=250 W MPPT追蹤曲線Fig.6　Curve of P=250 W MPPT

圖8和圖9是逆變器接入電網(wǎng)時所測輸出電網(wǎng)的并網(wǎng)波形，THD達(dá)到了預(yù)期效果，控制在5%以內(nèi).

圖 7　MPPT晴天測試Fig.7　Sunny day test of MPPT

圖 8　輸出的電壓電流波形Fig.8　Waveform of output voltage and output current

圖 9　輸出的諧波畸變Fig.9　THD of output

5　結(jié)　論

本文介紹了交錯并聯(lián)反激式微型逆變器的設(shè)計(jì)、 控制策略及MPPT控制方法. 交錯并聯(lián)反激式結(jié)構(gòu)降低了DC-DC變換的能源損耗, 采用改進(jìn)的擾動觀察法， 提高了MPPT響應(yīng)速度效率， 達(dá)到了99.5%. 采用重復(fù)控制方法， 很大程度上改善了逆變器并網(wǎng)電流的輸出質(zhì)量， THD不超過5%； 在保證輸出波形質(zhì)量的同時， 仍具有較高的轉(zhuǎn)換效率， 達(dá)到了約94%左右. 測試的結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)投入實(shí)際生產(chǎn)的可行性.

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