韓天寶， 任一峰， 李　陽

(中北大學 電氣與控制工程學院， 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. 光伏板產生的直流電， 通過逆變器被轉化為交流電之后被送入電網. 傳統(tǒng)的組串式結構光伏系統(tǒng)能源利用率低， 安裝不便， 維護不易. 并網微型逆變器逐漸成為了光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點[1]. 一臺微型逆變器對應一塊光伏電池板， 保證了光伏系統(tǒng)的每一塊電池板都能在最大功率點(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， 維護簡單， 逆變效率高， 可靠性好等特點.

在微型逆變器中逐漸采用了反激式DC-DC變換器結構， 提高了能源利用效率. 采用隔離型反激式逆變器結構會有漏感現(xiàn)象發(fā)生， 通常采用有源鉗位電路來實現(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， 實際應用會比較復雜； DCM模式電流峰值大， RMS高； CCM 雖結構簡單， 效率高， 但穩(wěn)定性較差. 雖然CCM控制頻率低， 開關損耗小， 電流紋波少， 但在CCM工作模式下， 并網功率因素、 諧波畸變和并網電流輸出波形不理想， 為了提高這幾項參數(shù)， 本文提出了重復控制方法(repetitive controller， RC)[4].

在大多數(shù)的微逆設計中， DC控制電路部分的主控芯片都采用MPPT控制器實現(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)和電導增量法(Incremental Conductance， INC)[6].

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

1　有源鉗位反激式逆變電路

1.1　反激式逆變電路拓撲

高頻準單級反激逆變器的電路結構簡單， 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]. 反激式拓撲結構由于轉換效率高， 損耗小， 控制系統(tǒng)設計簡單， 逐漸成為光伏微型逆變器的常用拓撲[2].

圖 1　準單級反激式光伏微型逆變器拓撲Fig.1　Topology of Quasi-single-stage Microinverter

圖 1 所示為微型光伏逆變器反激式結構的拓撲. 由光伏組件、 交錯并聯(lián)準單級反激電路和全橋變換電路組成. MOSFET開關管組成的兩路開關分別控制兩路DC-DC變換器. 每一路的開關采用同一驅動控制信號， 頻率采用PWM調制， 實現(xiàn)高頻隔離、 MPP跟蹤. DC-DC變換電路采用高頻鏈環(huán)節(jié)來提高能源轉換效率， 后級全橋逆變電路由開關管VS1，VS2，QS1，QS2實現(xiàn)， 開關管控制信號頻率與電網信號頻率一致， 采用工頻控制， 實現(xiàn)反激輸出波形與電網電壓的同步反轉， 由饅頭波反轉為正弦波， 最后經由LC濾波電路匯入電網.

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換效率； 采用兩組控制開關， 對輸入電流進行分流， 降低了每個開關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)結構可使微逆只工作一路， 減小了開關損耗， 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重要因素[8]. 因此， 作為低成本、 簡結構、 易控制的準單級反激式逆變電路成為微逆設計的首選， 通過控制方法和結構的優(yōu)化來實現(xiàn)效率的最大化.

2　重復控制策略

利用內模控制原理， 重復控制技術在逆變器設計中可以消除周期干擾和減少輸出電壓和電流的諧波[9，10]. 內模數(shù)學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. 重復控制的傳遞函數(shù)公式為

當輸入信號以基波周期重復出現(xiàn)， 輸出對輸入信號的逐周期累加， 即使輸入衰減至零， 內模仍然會持續(xù)不斷地逐周期重復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)內部， 通過補償環(huán)節(jié)使系統(tǒng)穩(wěn)定， 可在一個周期內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輸出端電壓和電流的干擾， 提高電網質量.

圖 2　重復控制器框圖Fig.2　Diagram of repetitive controller

3　改進的MPPT算法

圖 3　改進的MPPT方法Fig.3　Flowchart of modified MPPT

恒定電壓法是指光伏陣列達到最大輸出功率時， 輸出電壓保持在一個穩(wěn)定的值. 根據(jù)經驗公式， 該值大約0.75～0.85 V[12]. 但是隨著光強和溫度的變化， 最大功率點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)內加入一個小的干擾， 觀察干擾對輸出電壓的影響， 計算輸出功率， 通過與上一時刻的功率進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合的方法實現(xiàn)最大功率點的跟蹤. 在逆變器啟動階段或者光強、 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經驗值附近， 再采用擾動觀察法進行判斷. 該方法流程如圖 3 所示.

4　實驗結果與分析

4.1　實驗參數(shù)選擇

本文設計了一臺250 W的實驗樣機. 實驗參數(shù)為： 并網電壓UAC=220 V； 并網頻率fac=50 Hz； 逆變電路開關頻率f=50 Hz； DC-DC開關頻率fs=125 kHz. 本實驗采用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. 在實驗樣機250 W的工作功率下， 測試了其靜態(tài)MPPT效率， 采集并網輸出電流和電壓波形.

4.2　實驗波形

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， 白長條表示當前跟蹤的點. 實驗結果顯示： 在低功率或滿功率時， MPPT都取得了較好的結果， 都可以跟蹤在最大功率點附近. 圖 7 是在光伏模擬器設備下， 模擬逆變器一天工作當中的功率曲線. 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是逆變器接入電網時所測輸出電網的并網波形，THD達到了預期效果，控制在5%以內.

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　論

本文介紹了交錯并聯(lián)反激式微型逆變器的設計、 控制策略及MPPT控制方法. 交錯并聯(lián)反激式結構降低了DC-DC變換的能源損耗, 采用改進的擾動觀察法， 提高了MPPT響應速度效率， 達到了99.5%. 采用重復控制方法， 很大程度上改善了逆變器并網電流的輸出質量， THD不超過5%； 在保證輸出波形質量的同時， 仍具有較高的轉換效率， 達到了約94%左右. 測試的結果驗證了實驗樣機投入實際生產的可行性.

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