胡 茂，秦 嶺,，謝少軍，羅 松，候虛虛

（1.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

一種新型PV AC Module的研究

胡 茂1，秦 嶺1,2，謝少軍2，羅 松1，候虛虛1

（1.南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，南通 226019；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016）

為了解決傳統(tǒng)的兩級(jí)式光伏交流模塊PV AC module存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低等問(wèn)題，提出了一種新型PV AC module。該AC module的前級(jí)為傳統(tǒng)的Boost變換器，完成光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤和光伏接口電壓的泵升；后級(jí)采用高增益集成式逆變器，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的泵升和并網(wǎng)發(fā)電功能。分析了PV AC module的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工作原理及控制策略，并通過(guò)一套250 W/40 kHz的樣機(jī)仿真模型，驗(yàn)證了方案的可行性與理論分析的正確性。研究結(jié)果表明：該新型PV AC module具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制簡(jiǎn)單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

光伏發(fā)電；光伏交流模塊PV AC module；升壓；直流增益

光伏交流模塊（PV AC module）將小容量高增益并網(wǎng)逆變器（微逆變器）和單個(gè)光伏組件集成在一起作為獨(dú)立模塊，使每個(gè)光伏組件均運(yùn)行在各自的最大功率點(diǎn)，從而消除了部分陰影遮蔽導(dǎo)致的熱斑現(xiàn)象和多峰效應(yīng)，提高了能量轉(zhuǎn)化效率和可靠性；且模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余性和可擴(kuò)展性，適合批量化生產(chǎn)。因此，PV AC module受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并已成為屋頂光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。

目前，PV AC module方案大都采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，而控制方式大致可以分為以下兩類：第1類，前級(jí)DC/DC變換器通過(guò)PWM控制實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）和直流升壓，后級(jí)為傳統(tǒng)的PWM全橋逆變器，主要完成并網(wǎng)逆變的功能[6-8]；第2類，前級(jí)采用隔離型DC/DC變換器（如反激變換器等），可實(shí)現(xiàn)MPPT控制和直流升壓外，還可產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦半波化（饅頭波）的輸出電感電流；后級(jí)為周波變換器（如半橋逆變器、全橋逆變器等），其將前級(jí)輸出電感電流的正弦半波整流波形展開(kāi)（逆變）為工頻純正弦波形[9-11]。盡管控制方式不同，但這兩類PV AC module具有共同的特點(diǎn)，即后級(jí)均為降壓型逆變器，因此前級(jí)DC-DC變換器必須采用高頻升壓變壓器、開(kāi)關(guān)電容單元或耦合電感等手段實(shí)現(xiàn)光伏組件電壓的高倍泵升（直流增益在10以上），而這給變換器帶來(lái)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、效率低等一系列缺點(diǎn)，從而嚴(yán)重制約了PV AC module性能的進(jìn)一步提升[12]。

為此，本文提出了一種新型的PV AC module，其前級(jí)為傳統(tǒng)的Boost變換器，后級(jí)采用高增益集成式并網(wǎng)逆變器。該架構(gòu)具有器件數(shù)量少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方便和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了該P(yáng)V AC module的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和控制策略，通過(guò)250 W/40 kHz的樣機(jī)仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 新型PV AC module的系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 PV AC module的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Configuration of the proposed PV AC module

圖1 為本文提出的PV AC module的系統(tǒng)架構(gòu)，由光伏組件、前置電容式Boost光伏接口變換器和高增益集成式并網(wǎng)逆變器3個(gè)基本單元構(gòu)成。光伏接口變換器主要完成光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT和光伏接口電壓的泵升，而高增益集成式并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的泵升和并網(wǎng)發(fā)電功能。該新型PV AC module架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、效率高、控制方便、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)本文提出的PV AC module和其他PV AC module進(jìn)行了比較，結(jié)果如表1所示。由于文獻(xiàn)[6-8]僅對(duì)前級(jí)DC/DC變換器進(jìn)行分析，并未給出后級(jí)逆變的具體電路，為了統(tǒng)一比較分析，此處將其后級(jí)均看作傳統(tǒng)全橋或H6橋結(jié)構(gòu)。由表1可以看出，本文提出的AC module在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔度和系統(tǒng)效率等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。

表1 PV AC module與其他模型的比較Tab.1 Comparison between the proposed PV AC module and conventional ones

2 高增益集成式并網(wǎng)逆變器

2.1 工作原理

AC module中后級(jí)高增益集成式并網(wǎng)逆變器采用單極倍頻正弦波脈寬調(diào)制 SPWM（sine-wave pulse-width modulation），其在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)時(shí)序如表2所示。結(jié)合該開(kāi)關(guān)時(shí)序，可分析得出電路的工作原理和特性。

表2 開(kāi)關(guān)時(shí)序Tab.2 Switching sequences

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)逆變器工作已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并符合以下條件：①開(kāi)關(guān)管、二極管、電感和電容均為理想元件；②并網(wǎng)電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)基本恒定，逆變器的輸出看成聯(lián)接一個(gè)電流為Ig的恒流源；③輸入電壓Uin恒定，可等效為恒壓源；④電容C2足夠大，其端電壓UC2近似為恒定，故可等效為恒壓源；⑤n點(diǎn)的電位為0。

由于逆變器在正弦調(diào)制波的正、負(fù)半波內(nèi)的工作過(guò)程基本相似，故此處僅以正半波為例進(jìn)行分析?；谏鲜黾僭O(shè)，該高增益逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的工作可分成若干個(gè)模態(tài)，每個(gè)工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路如圖2所示。

圖2 模態(tài)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of modals

此外，由于瞬時(shí)輸出功率中含有2倍工頻分量，故該逆變器的升壓電感電流iL1中也相應(yīng)含有2倍工頻分量，如圖3所示，逆變器對(duì)應(yīng)的工作模態(tài)可以細(xì)分為兩種情況。可以看出，AB時(shí)間段內(nèi)升壓電感L1始終處于電流連續(xù)狀態(tài)CCM（continuous conduction mode），而B(niǎo)C時(shí)間段內(nèi)處于電感電流斷續(xù)狀態(tài) DCM（discontinuous conduction mode）。 由分析可知：逆變器工作在AB時(shí)間段時(shí)共有4個(gè)工作模態(tài)，依次如圖 2（a）、（b）、（a）、（c）；當(dāng)其工作在 BC時(shí)間段時(shí)共有 8個(gè)工作模態(tài)，依次如圖 2（a）、（d）、（e）、（a）、（f）、（g），其中圖 2（a）所示等效電路在CCM和DCM時(shí)均有出現(xiàn)，故不再贅述。各模態(tài)具體的工作過(guò)程，在此不再重復(fù)。

圖3 升壓電感電流波形示意Fig.3 Sketch waveforms of iL1

2.2 逆變器直流增益分析

根據(jù)三角載波信號(hào)的幅值點(diǎn)位置，可將正弦調(diào)制波半個(gè)周期均分為N/2（N=fc/fr為載波比）個(gè)相等的時(shí)間段。圖4給出了在調(diào)制波正半周內(nèi)兩個(gè)任意連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的調(diào)制信號(hào)ur、載波信號(hào)uc、uAB和iL1的局部示意。圖中，（k-1）Ts為第k個(gè)時(shí)段的起點(diǎn)時(shí)刻，kTs為終點(diǎn)時(shí)刻，Ts為三角載波周期，和分別為該時(shí)段內(nèi)uc的兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的相位角。

圖4 ur、uc、uAB和 iL1的局部示意Fig.4 Sketch map of ur,uc,uABand iL1

結(jié)合圖2和圖4，分別對(duì)調(diào)制波正半周內(nèi)升壓電感電流的上升量和下降量求和，可得

在半個(gè)工頻周期內(nèi)升壓電感電流總上升量等于總下降量，即ΔI+=ΔI-，可得電容電壓方程為

式中：M為逆變器的調(diào)制比，M=Urm/Ucm=U1m/Udc，其中Urm為正弦調(diào)制波幅值，Ucm為三角載波幅值,Udc=Uin+UC2為逆變器直流母線電壓，U1m為逆變器輸出電壓基波幅值；ΔT為iL1=0的時(shí)間總和，如圖3（b）所示，圖中ΔT'為BC段時(shí)間。

令 k=ΔT/ΔT'，則有

化簡(jiǎn)可得

通過(guò)圖3（a）所示的幾何方法可以求解得到近似解析式為

式中，Po為輸出功率。 結(jié)合式（5）和式（6），可得逆變器增益為

圖5 給出了 Uin=80 V，k=0.2，T=0.02 s，L1=2 mH時(shí)，G與Po、M的三維關(guān)系曲面。由圖可以看出，直流增益G隨著M的增大或Po的減小而逐漸增大。

圖5 G、Po和M三者關(guān)系Fig.5 Relationships among G,Poand M

3 控制策略

圖6給出了本文提出的PV AC module的控制策略。圖中，系統(tǒng)前級(jí)光伏接口變換器工作于MPPT模式；后級(jí)逆變器部分采用直流輸入電壓、直流母線電壓和并網(wǎng)電流三閉環(huán)控制。

圖6 PV AC module控制策略Fig.6 Control strategy of the PV AC module

圖7 給出了具體的控制框圖。圖7（a）為前級(jí)光伏接口變換器的 MPPT控制框圖，圖中，Gud（s）為接口變換器輸入電壓upv（s）對(duì)占空比 d（s）的傳遞函數(shù)，Gc（s）為 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，參數(shù)為 kP=1，kI=1 000。圖7（b）所示為高增益集成式并網(wǎng)逆變器的閉環(huán)控制框圖，圖中，kPWM是逆變器輸出對(duì)調(diào)制器輸入的傳遞函數(shù)；Z1（s）為直流母線電壓 udc（s）對(duì)并網(wǎng)電流 ig（s）的傳遞函數(shù)，Z2（s）為儲(chǔ)能電容電壓 uC2（s）對(duì)輸入電流iin（s）的傳遞函數(shù)。逆變器3個(gè)控制環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器，控制器參數(shù)分別為：kP1=1，kI1=1 000；kP2=1，kI2=80；kP=1，kiI=100 000。

圖7 PV AC module控制框圖Fig.7 Control block diagrams of the PV AC module

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提PV AC module的可行性及其理論分析的正確性，采用仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真電路模型。具體電路參數(shù)分別見(jiàn)表3和表4。

圖8為72節(jié)光伏電池的仿真模型，圖中，光伏電池的主要參數(shù)設(shè)置如下：PN結(jié)溫度27℃，PN結(jié)反向飽和電流Io=10-9A，少數(shù)載流子壽命τn=1 μs，串聯(lián)電阻Rs=0.8 Ω，并聯(lián)電阻Rsh=500 Ω。

圖9給出了不同光電流Isc時(shí)該仿真模型的P-V曲線。由圖可以看出，當(dāng)Isc=10 A時(shí)，Pmpp=256.8 W，Umpp=33 V。

由于前級(jí)光伏接口變換器當(dāng)占空比在0.6～0.7范圍內(nèi)時(shí)，變換效率較高，二者之間的關(guān)系如圖10所示。結(jié)合圖9所示的光伏電池MPP電壓范圍，可將接口變換器的輸出電壓設(shè)定為80 V。圖11給出了逆變器的效率仿真曲線，可以看出，其最高效率可達(dá)98%。

表3 前置電容式Boost變換器電路參數(shù)Tab.3 Parameters of the boost converter with input capacitor

表4 逆變器電路參數(shù)Tab.4 Parameters of the proposed inverter

圖8 光伏電池仿真電路Fig.8 Simulation circuit of the PV cells

圖9 不同光電流下的P-V曲線（t=27℃）Fig.9 P-V curves with different photocurrent（t=27℃）

圖12為PV AC module的系統(tǒng)仿真波形。圖12（a）為輸入電壓uin、母線電壓udc和光伏組件輸出電壓upv的波形。可以看出，光伏接口變換器輸入電壓穩(wěn)在33 V，逆變器輸入電壓穩(wěn)在80 V，直流母線電壓為444 V?？芍?，該逆變器實(shí)現(xiàn)了直流電壓泵升（直流增益G≈5.55），與理論分析吻合。圖12（b）為升壓電感電流iL1、并網(wǎng)電壓、電流ug和ig及輸入電流Lin波形。由圖可以看出，并網(wǎng)電流很好地跟蹤了電網(wǎng)電壓。

圖10 Boost變換器變換效率與占空比關(guān)系Fig.10 Relationship between the Boost converter’s efficiency and duty cycle

圖11 不同輸出功率下逆變器效率曲線Fig.11 Efficiency curve in different output power

圖12 PV AC module仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of PV AC module

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型PV AC module，其前級(jí)為前置電容式Boost變換器，后級(jí)為高增益集成式并網(wǎng)逆變器，通過(guò)兩級(jí)電壓泵升實(shí)現(xiàn)了光伏組件的并網(wǎng)發(fā)電。本文分析了該系統(tǒng)的架構(gòu)、工作原理和控制策略，并通過(guò)250 W/40 kHz的樣機(jī)仿真驗(yàn)證了方案的可行性。研究結(jié)果表明，該新型PV AC module具有器件數(shù)量少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、控制方便和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，有較好的應(yīng)用前景。

[1]張犁,孫凱,馮蘭蘭,等.一種模塊化光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31（1）：26-31.

Zhang Li,Sun Kai,Feng Lanlan,et al.A modular grid-connected photovoltaic generation system[J].Proceedings of the CSEE,2011,31（1）：26-31（in Chinese）.

[2]張興,曹仁賢.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3]劉邦銀,梁超輝,段善旭.直流模塊式建筑集成光伏系統(tǒng)的拓?fù)溲芯縖J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28（20）：99-104.

Liu Bangyin,Liang Chaohui,Duan Shanxu.Research on topology of DC-module-based building integrated photovoltaic system[J].Proceedings of the CSEE,2008,28（20）：99-104（in Chinese）.

[4]張鳳閣,朱仕祿,殷孝雎,等.交錯(cuò)反激式光伏并網(wǎng)微逆變器的控制器實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28（5）：142-147,153.

Zhang Fengge,Zhu Shilu,Yin Xiaoju,et al.Controller design of grid-connected microinverter based on interleaved flyback structure[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28（5）：142-147,153（in Chinese）.

[5]李朵,蔣晨,陳敏,等.光伏并網(wǎng)微型逆變器中功率解耦技術(shù)概述[J].電源學(xué)報(bào),2012,10（2）：57-61.

Li Duo,Jiang Chen,Chen Min,et al.Review of power decoupling techniques for photovoltaic micro-inverters[J].Journal of Power Supply,2012,10（2）：57-61（in Chinese）.

[6]Chen S M,Liang T J,Yang L S,et al.A safety enhanced,high step-up DC-DC converter for AC photovoltaic module application[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27（4）：1809-1817.

[7]Chen S M,Liang T J,Yang L S,et al.A boost converter with capacitor multiplier and coupled inductor for ac module applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60（4）：1503-1511.

[8]Yu Wensong,Hutchens C,Lai J S,et al.High efficiency converter with charge pump and coupled inductor for wide input photovoltaic AC module applications[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.San Jose,CA.IEEE,2009：3762-3767.

[9]Abdel-Rahim O,Orabi M,Ahmed M E.High gain singlestage inverter for photovoltaic AC modules[C]//IEEE 26th Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）.IEEE,2011：1961-1967.

[10]Kim Y H,Jang J W,Shin S C,et al.Weighted-efficiency enhancement control for a photovoltaic ac module interleaved flyback inverter using a synchronous rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29 （12）：6481-6493.

[11]Gao Mingzhi,Chen Min,Zhang Chi,et al.Analysis and implementation of an improved flyback inverter for photovoltaic AC module applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29（7）：3428-3444.

[12]任凱,郭前崗,周西峰,等.兩級(jí)單相光伏并網(wǎng)逆變器母線電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2014,26（10）：74-77.

Ren Kai,Guo Qiangang,Zhou Xifeng,et al.DC-link voltage control scheme for two-stage single-phase grid-connected PV inverters[J].Proceedings of the CSU-EPSA,2014,26（10）：74-77（in Chinese）.

Research on a Novel PV AC Module

HU Mao1,QIN Lin1,2,XIE Shaojun2,LUO Song1,HOU Xuxu1
（1.School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China;2.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

In order to slove the problem of complex sturture,high cost and low efficiency in conventional two-stage PV AC module,a novel PV AC module is proposed in this paper.In this AC module,boost converter with an input capacitor is taken as the front stage to achieve the PV panel’s maximum power point tracking（MPPT） and boost the PV interface voltage.The post-stage is a high step-up integrated inverter which can both raise DC link voltage and feed the power to grid at the same time.Firstly,the system’s structure,operation principle and control strategy of the proposed PV AC module are discussed in detail.Then,the feasibility and the validity of the theoretical analysis have been verified by the simulation results of a 250 W/40 kHz prototype.The simulation investigations show that the AC module has the advantages of simple structure,easy control,low cost and high efficiency.

photovoltaic power generation;PV AC module;step-up;dc gain

胡茂

胡茂（1990-），男，碩士研究生，研究方向：逆變器的拓?fù)渑c控制，E-mail：humao_1990@163.com。

秦嶺（1977-），男，通信作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：新能源發(fā)電和先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)，E-mail：qin.l@ntu.edu.cn。

謝少軍（1968-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：功率電子變換技術(shù)和航空電源，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。

羅松（1990-），男，碩士研究生，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：89081392@qq.com。

候虛虛（1993-），男，碩士研究生，研究方向：光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)控制，E-mail：347675598@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.105

TM615

A

2015-12-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51207075，514770 77）；江蘇省高校自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（15KJB470013）

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