《电子技术应用》

低输入纹波光伏微型逆变器的研究

2017年电子技术应用第5期 作者:傅 敏,嵇保健,黄胜明
2017/6/26 13:13:00

傅  敏,嵇保健,黄胜明

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816)


    摘  要: 提出一种全新低输入纹波单级隔离反激拓扑结构,实现输入电流低纹波,使得电池板更易实现最大功率点跟踪(MPPT),并且能够同时实现逆变器的高转换效率和高可靠性。通过理论分析、计算模拟和实验验证等方面验证了技术的正确性、先进性和可行性,为推动太阳能和风能等清洁能源的广泛应用提供理论指导和技术支持。

    关键词: 光伏逆变器;低纹波;电流控制;反激

    中图分类号: TM464

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.035


    中文引用格式: 傅敏,嵇保健,黄胜明. 低输入纹波光伏微型逆变器的研究[J].电子技术应用,2017,43(5):143-146.

    英文引用格式: Fu Min,Ji Baojian,Huang Shengming. Research on a low-frequency current ripple PV micro-inverter[J].Application of Electronic Technique,2017,43(5):143-146.

0 引言

    在新能源领域,光伏发电是研究热点之一[1-3]。近年来,高转换效率、高可靠性微型并网逆变器的研发受到了广泛关注,但并网微型逆变器存在着提高转换效率和改进可靠性、降低成本相互矛盾等关键技术问题。

    光伏系统中电池板和逆变器的连接方式主要有三种[4-6]。(1)将光伏电池板串联,得到至少400 V以上的直流电压,再接到一个集中逆变器,通过降压实现DC/AC向电网传输能量,该架构结构简洁。由于连接方式为串联,组件受阴影或灰尘影响较大,进而导致性能下降,整个系统的性能和转换效率都会受到影响甚至不能正常工作。(2)在单个的电池板上安装独立的DC/DC变换器,将电池板的直流低压转换为直流高压,然后将直流高压连接到集中逆变器。该方法克服第一种方法的某些缺点,但系统效率也由于两级转换而降低。(3)为解决上述问题,第三种微型逆变器得到了广泛研究。对每一个电池板安装一个微型逆变器,把单个电池板的直流低压直接转换为交流进行能量传输。微型逆变器被认为是光伏发电领域未来的发展趋势之一[4]

    目前,两级式微型逆变器总体效率很难达到95%以上。因此,对于输出功率小于300 W的微逆变器,多采用单级转换,文献[5]介绍了一种隔离型反激拓扑,不仅可以提高逆变器转换效率并且在应用上也具有很大的优势,目前得到广泛研究。文献[7]给出了一种两路全隔离单级反激拓扑,该拓扑采用电解电容并联来稳定电压,实现MPPT。然而,电解电容的使用寿命短。

    延长逆变器寿命的有效途径是应用寿命较长的薄膜电容替换电解电容,但薄膜电容的容值较低,不能满足典型功率在200 W的逆变模块所需的容值。为了解决此矛盾,近年来众多研究者提出了不同解决办法[8-11],其原理都是利用额外电容作为储能元件,存储光伏电池输出的过剩能量,再适时地把已存储的能量释放来弥补输出能量不足的部分。Kyritsis提出了一种双向的升降压结构[8],该电路中增加了储能电容,并且增加了由一个电感和两个开关管组成的升降压结构。利用这一技术可把电容值降低30倍,从3 mF降为0.1 mF。但是,逆变器系统总体效率低[9]。其他类似的技术在文献[10]中提出,尽管把电容值进一步降低,但峰值效率也下降到86.7%。一种三端口变压器的单级反激拓扑结构在文献[11]中提出,是利用变压器的第三级绕组端口和存储电容来实现稳定光伏电池工作电压的目的。该研究中对于200 W的输出功率,需用两个40 μF的电容。尽管该文作者没有说明具体转换效率,但和文献[8]相比,在存储电容的充电和放电回路上都多用了控制开关,转换效率一定低于90.5%。类似三端口逆变器拓扑在文献[12]~文献[15]中提出,存储和释放能量的控制方法过于复杂,且只能应用于传输电流非连续工作模式,实际应用中较难实现。

    本文在此基础上提出一种全新两路互补电流单级隔离反激拓扑结构,实现用超小电容稳定光伏电池工作电压,可以使逆变器具有高转换效率和高可靠性。

1 主电路原理

1.1 主电路拓扑

    本文提出了一种新型微型逆变电源拓扑结构:两路互补电流全隔离单级反激DC/AC转换结构,如图1所示。图中开关管S1、S2和变压器T1构成逆变器的第一路电路,开关管S3、S4、变压器T2和一个升降压模块构成第二路电路。该拓扑结构应用NMOS开关器件S2和S4作为副边开关器件,与传统选择二极管相比,这样能降低功耗。

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1.2 工作原理

    当S1导通时,S2关断,光伏板的能量先传送到变压器T1的原边,T1副边的正极电位等于Vo,负极电位是Vo+nVin,其中,n是变压器T1副边和原边线圈匝数比,Vin是输入电压。当S1关断时,S2导通,T1原边线圈上的能量传送给输出电容Cout。此时,S1漏级电压是Vin+Vo/n。S3、S4和T2的工作原理与之相同,不同之处在于变压器T2的副边输出是连接到中间过渡电容Clink上。

    设稳定环境下逆变系统的输入电流Iin为恒定值,输出电流按正弦规律变化且可分解为I1+I2,I1为第一路的输入电流,I2为第二路的输入电流。

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    其中,f是电网频率,t是时间。绝对值表示I1和I2恒大于零,把正弦波的负半周变为正半周,即I1和I2的频率是2f。那么,电池板的总负载电流是:

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    由上式可得出:逆变系统输入电流Iin和电路输入电流I1+I2是相等的。因此,理论上来说,相对稳定的外部环境下光伏电池板两端即使不用并联电容,其输出电压也是稳定的。实际上由于I1和I2都是不连续的高频脉冲电流,故输入端还需并联一个小容值电容。

    如果在一个周期T内对I1进行积分,就可得到:

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    其中Vm是电网峰值电压采样得到,f是电网频率。也就是说在每一个周期内,VSW1大,VSW2就小,反之亦然。在任何时刻,VSW1+VSW2=Vm恒定不变。

2 低输入纹波微逆变器控制技术

2.1 两路互补电流控制信号基准的生成

    两路互补电流控制信号基准的生成用模拟集成电路来设计实现,这一算法控制功能是不难做到的,原理框图如图2所示。图中第一路电流控制信号的基准电压VSW1是由电网电压用电阻分压后得到,应用简单的ADC可得到VSW1的峰值Vm。再利用差分放大器、电流镜和减法器等转换实现 VSW1+VSW2=Vm的功能,求得VSW2

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    如图2所示,Vm和VSW1分别连接到两个误差放大器的负端,两个误差放大器的正输入端分别连接到电阻R1和R2

    由于放大器的特性,V1=Vm,V2=VSW1成立。MP1和MP2,MP3和MP4,MN7和MN8分别构成镜像电流源,即流过MP2的电流和流过MP1的电流相同,得IMP2=V1/R1=Vm/R1,IMN7=VSW1/R2。因此,电阻R3上的压降VSW2=R3(IMP2-IMN7)=R3(Vm/R1-VSW1/R2)。如果设置R1=R2=R3,则VSW2=(Vm-VSW1)。

2.2 第二相电流向电网的能量传输

    由于I1和电网电压同相且呈现正弦半波波形,输出电流Io1通过开关S5-S8控制直接送到电网。如图3所示,开关S5和S8的控制信号是相同的,S6和S7的控制信号是相同的。在电网正半周时S5和S8导通,S6和S7关断。在电网负半周时,S6和S7导通,S5和S8关断。

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    第二路变压器副边电流Ilink传输到电网则不同于Io1的方式,将电流Ilink先存储在电容Clink上,再通过升降压结构实现从电容Clink到Cout的电流传输转换。升降压模块由电感L1、L2、电容C1和开关Q1、Q2以及其控制子电路构成的,如图3所示。

    开关Q1、Q2的控制信号也是SPWM形式。当Clink的电压小于Cout的电压时,电流传输是升压方式;当Clink的电压大于Cout的电压时,是降压方式。从而Clink上的电压在Cout电压的平均值上下波动。如果每一级的转换效率是95%,两级转换的总效率就是90.5%。本文所提出拓扑的转换效率估算如下(满载功率转换情况下):

    第一路电流对总转换效率的贡献是63.7%×95%=60.52%;第二路电流对总转换效率的贡献是(1-0.637)×95%×95%=32.76%;总转换效率是60.52%+32.76%=93.28%。

3 系统并联小薄膜电容设计分析

    逆变系统仍需并联一个小容值的薄膜电容,该电容容值大小由式(9)决定:

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    因此,电池板上的电压波动只有工作电压的0.5%,即电池板电压基本稳定,保证MPPT一直处于正常状态,而电容只有70 μF,可以直接用高可靠性的薄膜电容来实现。

4 仿真结果

    图4(a)是VSW2和VSW1的仿真结果。图4(b)为基于输入直流40 V,输出功率为250 W时输出到交流电网的电流波形,它是基于图4(a)的总体方案得到的仿真结果,结果表明输出到交流电网的电流波形是完美的正弦波,验证了本研究的正确性和可靠性。

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5 结论

    本文提出一种采用两相互补电流控制实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法。该方法通过对两相输出电流叠加后向电网传输能量,不需要使用电解电容,仅并联一个小薄膜电容即可实现光伏电池板两端输出电压或工作电压在相对稳定的外部环境下也保持稳定,保证了MPPT的实现和电池板输出功率最大化,同时实现高可靠性和高转换效率。

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