《电子技术应用》

反激式微型逆变器新型功率解耦电路控制策略的研究

2017年电子技术应用第4期 作者:胡林静,于士航
2017/6/1 14:24:00

胡林静,于士航

(内蒙古工业大学 电力学院,内蒙古 呼和浩特010080)


    摘  要: 针对光伏并网微型逆变器中光伏电池的输出功率所含有两倍的工频功率脉动问题,提出了一种新型功率解耦电路,可以有效地减小解耦电容的容量,使整个微型逆变器的寿命得到延长。详细分析了交错反激式微型逆变器的拓扑结构组成、工作过程及微型逆变器功率解耦的基本原理,并对目前较常用的三类功率解耦电路的工作方式及优缺点做了对比;对提出的功率解耦电路的两个工作模式及控制策略进行了详细分析,最后,在MATLAB仿真软件中搭建了带有功率解耦电路的交错反激式微型逆变器仿真模型,通过仿真实验可得功率解耦电路可以有效抑制功率脉动问题,控制策略可以实现单位功率因数并网。

    关键词: 光伏并网;反激式;微型逆变器;功率解耦

    中图分类号: TM46

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.04.041


    中文引用格式: 胡林静,于士航. 反激式微型逆变器新型功率解耦电路控制策略的研究[J].电子技术应用,2017,43(4):161-164.

    英文引用格式: Hu Linjing,Yu Shihang. Research on the control strategy of a new power decoupling circuit for the flyback micro inverter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(4):161-164.

0 引言

    光伏发电系统常用的集中式发电,是将许多紧密相连的太阳能电池板分组串联,再将不同的串联电池组并联起来形成电池阵列,进行集中发电[1],当存在局部阴影或碎砾等遮蔽太阳能电池板时,会因日照不均等因素导致光伏电池板输出功率下降,光伏发电系统整体的输出功率也会大幅度降低[2]。光伏微型逆变器是一种转换直流从单一太阳能电池组件至交流电的装置,即每个光伏电池模块均配备一个逆变器及转换器,每个组件均能进行电流的转换[3],能够在面板级实现最大功率点跟踪,最近几年,由于其独特的优势,吸引了国内外大部分专家的深入研究[4]

    反激式拓扑结构因本身的结构简单,而且具有电气隔离等优势,是微型逆变器现在最为广泛应用的拓扑结构。光伏发电系统的控制目标是实现输出电流和并网电压同频同相、功率因数接近为1,在光伏并网的过程中,逆变器的输出功率通常含有两倍的工频脉动,而MPPT的输出功率一般为恒定值,导致两者的瞬时功率不平衡,一般的解决方法是在光伏电池板两端并联一个电解电容来解决,但是解耦电容的寿命有限,使之成为了影响微型逆变器寿命的最大因素。

    本文提出了一种交错反激式微型逆变器的功率解耦电路,并且通过在MATLAB仿真平台建立微型逆变器模型进行了仿真验证,实验表明,该功率解耦电路可以有效地降低解耦电容的纹波,减小电解电容值。

1 反激式微型逆变器的功率解耦电路

1.1 反激式微型逆变器

    反激型光伏并网微型逆变器输入端接光伏电池板,由于光伏电池板输出电压较低,需要前级的DC-DC升压电路来进行升压,所以这部分使用具有电气隔离、升压、储能的多重作用的反激变压器[5],其匝比为1:n,开关管则使用MOSFET,反激变压器副边则产生正弦馒头波;后级采用的是经典的全桥逆变,将前级输出的电流进行极性翻转,产生与电网同频同相的并网电流;并在并网侧使用LC滤波对并网电流进行谐波滤除,使总谐波的畸变率满足并网要求,即THD<5%。反激式微型逆变器结构框图如图1所示。

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    在微型逆变器进行并网时,通过计算逆变器输出侧的功率可知,其瞬时功率是工业频率的2倍,但是由最大功率点跟踪控制策略可以得到功率应该是一个定值,所以,这就发生了瞬时功率与工业频率未达到平衡,这种现象一般的解决方案是在光伏电池侧并联一个较大容量的电解电容来使光伏电池的输出电压可以更加平稳,即实现功率解耦。但是,并联的电解电容的寿命却低于光伏电池的寿命,这样就使整个光伏并网微型逆变器的寿命降低,进而使微型逆变器的效率大大降低。为了提高微型逆变器的寿命和效率,功率解耦电路的研究越来越重要。

1.2 微型逆变器功率解耦基本原理

    如图1所示反激式微型逆变器结构,其中Iac为并网电流值,Uac为并网电压值,在整个光伏并网逆变过程中,光伏电池的输出功率Ppv始终为一定值,如式(1)所示:

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    因Pac1=Ppv,所以,解耦功率就是余下2倍的工频脉动,如式(5)所示:

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    一般情况下,解耦元件选择电解电容,当Ppv大于Pac时,将多出来的功率存储在解耦电容里;当Ppv小于Pac时,解耦电容通过放电来补充输出所需要的功率。

    解耦电容和其电压Uav、电压纹波ΔV的关系如式(6)所示:

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    设定Ppv=120 W、Upv=36 V,电网的频率是50 Hz,由式(7)和式(8)可得Uav、ΔV、Cd之间的关系,如图2所示。

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    在光伏电池侧的解耦电容的值的选取与平均电容电压和其电压的纹波大小有很大关系,当电压的纹波越来越大,相应的电容的值就要减小,但同时光伏电池转换效率会相应降低,导致并网电流的谐波变大,所以为了提高逆变系统的整体效率,就需要在光伏电池侧并联一个大电容来进行解耦,适当地加一个功率解耦电路即可减小解耦电容的容量。

1.3 微型逆变器功率解耦电路的研究

    目前逆变器使用的功率解耦电路主要有三种:

    (1)光伏电池侧解耦,即在光伏电池的输出侧并联一个解耦电路,当光伏电池输出的能量过剩时,可以通过解耦电路对解耦电容进行充电,当光伏电池输出的功率不能达到并网的要求时,解耦电容可以进行放电,并且将能量传递给变压器副边来补充光伏电池缺少的功率[5]

    (2)三端口功率解耦电路因其所需元器件数量较少、体积较小,得到了大量应用,其中三端口中的一个端口用来实现MPPT,使光伏电池可以始终工作在最大功率点,一个端口用于实现功率解耦,另一个端口进行并网电流的控制[6]

    (3)两级式功率解耦一般是前级采用Boost升压电路,后级的全桥逆变电路实现并网电流控制,其中Boost升压电路使光伏电池的输出电压纹波减小[7],若后级逆变电路使用有源嵌位软开关技术,则能实现开关管的零电压导通。

    由以上的分析可得,光伏电池侧并联一个解耦电路的方法结构简单,所使用的元器件较少,各个开关管所受电压电流应力也相对较小,因此本文设计了在光伏电池侧并联一种改进型解耦电路的微型逆变器,拓扑结构如图3所示。

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    其中功率解耦部分如图3所示,主要包括阻流、续流二极管D1和D2、开关管S1、S2、电感Lh和电解电容Co,且根据光伏电池的输出功率可将这种拓扑结构的电路分为两个工作模式。

    模式1:微型逆变器的输入功率Ppv大于其输出功率Pac,此时开关管S1、Sm导通,反激变压器的原边电流上升,存储能量,解耦电路部分的电感也在不断存储能量;开关管Sm关断后,反激变压器原边存储的能量向副边传递,经过后级的全桥逆变进行极性翻转滤波器滤波后馈送给电网。

    模式2:微型逆变器的输入功率Ppv小于其输出功率Pac,反激变压器开关管Sm导通,反激变压器的原边电流继续上升达到峰值,存储能量;随后开关管S2导通,此时功率解耦部分的解耦电容放电,二极管D1用来防止解耦电容向光伏组件充电;当开关管S2关断时,反激变压器存储的能量向副边传递,经过后级的逆变电路输送到电网。

2 带功率解耦电路的微型逆变器系统控制策略

    本文将反激式微型逆变器的工作模式选定在断续模式。系统的控制框图如图4所示,光伏电池板的输出电压和输出电流经过MPPT环节,输出电压参考信号和光伏电池板的电压进行比较后,经过PI控制来稳定光伏板的输入电压,得到电流幅值的参考信号与经过锁相环得到的并网电压的相位来使输出电流与并网电压同频同相,再将调制波与三角波进行调制得到前级DC-DC升压电路开关管的驱动信号。

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3 仿真分析

    为了验证所设计的功率解耦电路在微型逆变器中的实用性,在MATLAB软件中的Simulink模块中搭建了基于交错反激拓扑的微型逆变器仿真模型,模型主要参数为:开关频率 100 kHz、光伏电池板输入电压 40 V、两个反激变压器匝比1:6、LC滤波器电感4 mH、LC滤波器电容0.3 μF、电网频率50 Hz,功率解耦电路的主要参数为解耦电容35 μF、电感460 μH、原边变压器励磁电感5 μH,仿真模型如图5所示。

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    在MATLAB软件中对未加入功率解耦电路的微型逆变器仿真模型进行仿真,得到的波形如图6所示,从图中可以发现光伏电池的输出功率波动很大,且有二次功率扰动;当加入功率解耦电路,得到的波形如图7所示,可见,加入功率解耦电路后光伏电池的输出纹波和扰动均有减小。如图6、7所示微型逆变器的并网电流与电网电压通过并网电流控制和锁相环可以实现并网电流和电网电压同频同相,且通过计算并网电流的总谐波畸变率可得THD为1.96%,如图8所示,满足并网要求,微型逆变器可以较好的实现并网。

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4 结论

    文在详细介绍交错反激式微型逆变器的拓扑结构组成、工作过程及功率解耦的基本原理基础上,对三类功率解耦电路做了简单的对比分析,并提出了一种功率解耦电路,经过在MATLAB软件中搭建仿真模型进行仿真验证,得出了本文提出的功率解耦电路在小功率场合可以有效地抑制二次功率扰动的问题,减少解耦电容容量,提高微型逆变器的寿命;控制策略也可以达到并网要求,并网电流有较小的畸变率。

参考文献

[1] 赵杰,胡学龙.微型光伏并网逆变器的研究[J].电子测量技术,2013(7):1-8.

[2] 高文祥,王明渝,王立健,等.光伏微型逆变器研究综述[J].电力系统保护与控制,2012(21):147-155.

[3] 李朵.一种应用于光伏并网微型逆变器的功率解耦技术[D].杭州:浙江大学,2012.

[4] MENESES D,GARC?魱A O,ALOU P,et al.Forward microinverter with primary-parallel secondary-series multicore transformer[C]//2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC 2014,Fort Worth,TX,2014:2965-2971.

[5] 胡海兵,王万宝,吴红飞,等.具有功率解耦功能的三端口反激式单级光伏微型逆变器[J].中国电机工程学报,2013(12):47-54,185.

[6] 王晓.带功率解耦微型光伏逆变器研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[7] 孙玉巍.交错反激式光伏并网微逆变器研究[D].北京:华北电力大学,2013.

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