單相非隔離型并網光伏逆變器研制

毛行奎，毛洪生，裴昌盛，張錦吉

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州350108)

1 引言

光伏發電有離網型和并網型兩種發電形式。相對于離網型，并網型由于其負載為大容量的電網，正常工作時可以時時最大發揮太陽能電池的光電轉換能力，有更低的成本和維護費用，為光伏發電系統的主要發展趨勢［1-3］。由于光伏電池輸出特性比較軟，輸出電壓變化較大，這就要求后級光伏逆變器能適應輸入電壓，并能夠進行MPPT，以提高光伏電池利用率，降低系統成本。光伏逆變器有單級式和多級式結構，單級式具有較高的效率和功率密度［4］，但較難滿足寬輸入電壓要求，需要采用多級式或者雙模式［5-6］工作的功率拓撲。雙模式拓撲成本低，但控制相對復雜，且只適用于非隔離型逆變器。論文以一個輸出功率為1.5kW，MPPT的電壓為150～500V并網逆變器為例，深入研究了單相非隔離型并網光伏逆變器系統方案、MPPT、并網控制等關鍵技術，并研制出性能優良的樣機。

2 系統方案與控制

2.1 系統方案

由于單相并網光伏逆變器 MPPT電壓范圍為150～500V，而并網的電網電壓為194～256V，逆變器主拓撲需要能實現升降壓，因此需要采用兩級功率電路結構或者雙模式功率電路結構才能滿足這種輸入電壓和輸出電壓要求。綜合考慮性能指標、效率、成本等因素，樣機采用如圖1的基于雙 CPU系統方案。在系統方案中，并網逆變器功率電路采用準兩級式電路拓撲，由DC/DC和DC/AC兩部分構成，即當光伏電池電壓 Upv＜380V時，此時前級Boost升壓電路工作，把 Upv升壓并穩壓到410V，再經過DC/AC逆變并網，工作于兩級模式。當Upv≥380V時，Boost電路不工作，此時 Upv直接供電給DC/AC，然后并網，工作于單級模式。采用該方案不僅滿足寬輸入電壓范圍要求，且控制簡單，提高系統效率。

對于控制部分，光伏并網逆變器的MPPT、并網控制、孤島保護等關鍵技術由 DSP Freescale MC56F8323主控制器完成實現。對于并網系統的監控、顯示、人機界面等監測、通信子模塊采用的是Freescale 8位單片機 MC9S08JM60作為從控制器。監測子模塊通過 SPI跟 DSP MC56F8323通信，從MC56F8323獲得監測需要的逆變器主電路一些指標量用于LCD顯示，與上位PC機采用RS485通信。監測子模塊還提供最大可達到10個光伏電池板電壓監測的功能，通過該監測功能，當并網系統出現故障時可以容易區分判斷是光伏電池板故障還是逆變器故障，從而減小逆變器的維護工作量和成本。

圖1 1.5kW單相光伏并網逆變器系統框圖Fig.1 System block diagram of 1.5kW single-phase PV Grid-tied inverter

并網逆變器主功率電路拓撲如圖2所示，其中前級DC/DC采用Boost電路，DC/AC采用單相橋。由于主電路工作于準兩級結構，為確保當 Upv≥380V，Boost電路不工作時光伏逆變器也能實現MPPT，所以逆變器MPPT放在后級DC/AC級實現，即在DC/AC級實現MPPT、并網控制和孤島保護等逆變器的三個核心控制，這樣不受限于 DC/DC級是否工作。

圖2 1.5kW光伏并網逆變器準兩級主電路拓撲Fig.2 Quasi-two-stage topology of 1.5kW single-phase PV grid-tied inverter

2.2 系統控制

在并網逆變器核心控制中，并網電流采用高性能的無差拍控制方法［7］，孤島保護采用有源頻率漂移法加過電壓、欠電壓方式實現［1］，MPPT采用一新型的改進變步長擾動觀察法。

系統中孤島保護和MPPT是通過改變并網或電感電流iL的頻率和幅值實現的。iL的無差拍控制方程，即逆變橋開關管占空比D(k)為:

式中，第k個開關周期電網電壓ˉUgrid(k)、逆變器母線電壓Udc(k)、iL(k)由采樣得到。開關周期 Ts、電感L由設計確定。iref(k+1)為iL的跟蹤參考電流，其幅值由圖3的MPPT擾動確定，即iL幅值隨 iref變化而改變。iL的頻率隨有源頻率漂移法微擾動改變D對應的頻率而改變。

圖3 改進變步長擾動觀察法MPPT流程圖Fig.3 Flow-chart of improved P＆O MPPT with variable step

擾動觀察法以結構簡單，觀測參數較少等優點而應用廣泛。但存在由于尋優步長固定而導致MPPT尋優時振蕩的缺點。本系統采用的新型改進變步長擾動觀察法不僅可以減小傳統擾動觀察法在最大功率點附近存在的振蕩，且在穩態情況下可達到無振蕩損耗，同時也適用于環境變化的場合。其控制過程為:給定一個擾動，通過擾動前后功率和電壓的變化決定下一個擾動的方向和步長。使其向最大功率點靠近，最終實現MPPT。改進變步長擾動觀察法的算法流程如圖3所示，即先設定逆變器并網參考電流 Iref、擾動步長 step以及常數 cons等的初始值;接著采樣光伏電池的電壓電流，算出光伏電池輸出功率變化量ΔP和電壓變化量ΔU。ΔP決定了擾動步長是否改變，如果 ΔP≥0，則步長保持不變;反之當ΔP＜0，將擾動步長減小。然后ΔP*ΔU的值決定了擾動的方向，如果 ΔP*ΔU＞0，保持原擾動方向;如果 ΔP*ΔU＜0，改變擾動方向;如果ΔP*ΔU=0，則停止擾動。如此循環，直到 step為零，最終實現MPPT。當環境發生變化時，即檢測到ΔU發生變化，step賦初值，然后重復以上的步驟，從而可以適用于環境變化場合。

3 系統設計與實現

3.1 關鍵參數設計

輸出濾波電感要滿足

取直流母線電壓 Udc=410V;開關頻率 fs=20kHz;電感電流紋波20%，則 ΔiLmax=1.3A。求得L≥3.9mH。實際應用中，選用兩個濾波電感 L2=L3=2mH，兩電感同時構成一個共模濾波器，具有更好EMI濾波效果。每個電感選用 High Flux磁芯CH467060，使用2個磁芯疊加繞制，匝數為105匝，選用線徑為1.2mm的漆包線。

無差拍控制效果對系統精確模型依賴性較強，當理想模型與實際對象有些差異或者系統參數稍有變化時，其劇烈調節作用往往會使系統輸出電壓振蕩，脫離穩定狀態。由于濾波電感是由High Flux磁芯繞制，其感值會隨著直流偏量變化而變化，如圖4所示。由于在一個工頻周期內，電流值是由零到峰值變化的，電感感值也會隨之變化，故采用插值方法計算出不同直流偏量值時電感的感值，然后通過軟件對電感感值進行補償，以滿足控制方式對系統模型精確度的要求。實驗證明，采用這種插值方法可有效地保證控制模型中電感的精度，保證了系統穩定性。

3.2 系統建模仿真

圖4 High Flux磁芯的電感系數AL對安匝NI曲線Fig.4 Inductance of AL vs.NI of High-Flux core

根據上述系統方案、控制以及設計，建立基于Matlab Simulink的1.5kW/230V單相光伏并網發電系統仿真模型，模型包含光伏電池、MPPT、孤島保護、無差拍并網控制以及Boost電路的峰值電流控制等5個模塊。模型主要參數為:光伏電池開路電壓Uoc=262.6V，短路電流 Isc=7.86A，最大功率點電壓Um=204.4V，最大功率點電流 Im=7.34A，最大功率Pm=1500W。Boost變換器和全橋逆變電路的開關頻率均為20kHz。仿真結果如圖5和圖6所示。由圖5可見，并網電流 iL不斷增大，輸出功率也不斷增大，當逆變輸出電流保持不變時，系統輸出的功率達到最大，實現MPPT。當取圖3中的cons=0.01時，MPPT精度為99.9%。由圖6可見，當電網在0.1s時刻斷電后，逆變器輸出頻率f不斷增大，系統經過若干個周期檢測出頻率 f超出并網標準50.5Hz，認為發生孤島，隨即將逆變器與電網斷開，停止逆變器工作，快速有效地防止了孤島效應。在樣機中，孤島保護擾動頻率定為0.1Hz。

圖5 MPPT仿真波形Fig.5 MPPT simulation waveform based on Simulink

圖6 孤島保護仿真波形Fig.6 Anti-islanding protection simulation waveform based on Simulink

4 實驗

樣機中，圖2功率電路主要器件參數為:T5選用兩個MOS管 STW25NM60N并聯，D5選用IXYS DSEI30-06A，C2選用3個470μF/500V的電解電容并聯，全橋電路的4個開關管選用 IXYS的 IGBT IXGH30N60B2，逆變器電感電流采樣選用霍爾傳感器LEM的LA25-NP。為提高并網鎖相穩定性和抗干擾能力，樣機采用帶滯環比較的過零檢測電路。

圖7(a)為樣機開機波形。開機時采用了軟啟動控制。在鎖相完成后，先發出繼電器閉合信號使并網繼電器閉合，然后發出逆變驅動開通信號使逆變器并網工作，從而輸出并網電流，并網電流逐漸增大，從而實現軟啟動，避免了開機時瞬時大電流對系統沖擊帶來的破壞。

圖7(b)為樣機關機波形。關機時，先發出逆變驅動關閉信號來使逆變器停止工作，間隔一定時間后再發出繼電器斷開信號使并網繼電器斷開，完成輸出濾波電感 L2、L3放電，從而使逆變器與電網斷開，實現安全關機。

圖7 開機軟啟動以及關機波形Fig.7 Key waveforms at turn-on and turn-off

圖8為樣機兩級功率電路工作模式，且 Boost電路輸入為直流電源360V，逆變母線電壓410V，并網電壓230V時并網電壓與電流波形，可見并網電流波形正弦度良好，在額定載時僅為1.4%。當功率電路工作于一級 DC/AC模式時，并網電壓電流波形與兩級時基本一樣。圖9和圖10為樣機工作于兩級功率電路THD與效率，電流THD充分小于并網要求的額定載時5%規定，有較高效率。實驗表明樣機性能優良，運行穩定。

圖8 兩級功率電路工作模式時并網電壓與電流波形Fig.8 Grid-tied voltage and current of prototype at two-stage power converter mode

圖9 并網電流THD(%)Fig.9 Output current THD

圖10 逆變器整機效率(%)Fig.10 Inverter efficiency

5 結論

針對寬輸入光伏電池電壓的單相光伏并網逆變器，提出了一個采用準兩級式主電路拓撲和雙CPU控制的系統方案。準兩級式主電路拓撲方案不僅可以滿足寬輸入電壓要求，且控制簡單。雙CPU結構確保了系統并網輸送電能的高質量性和高可靠性，以及有良好的人機界面和通信功能。實驗表明樣機性能優良，運行穩定。

新的改進變步長MPPT擾動觀察法，不僅減小了傳統擾動觀察法在最大功率點附近尋優時存在的振蕩，而且通過檢測光伏電池板輸出電壓ΔU變化情況來重新尋優，使新方法適用于環境變化的場合。采用基于電感安匝特性曲線插值求電感的方法可以有效滿足無差拍電流控制對輸出濾波電感模型精度要求較高特點，克服粉芯類磁芯電感感值隨電流變化大的缺點，提高并網的穩定性和可靠性。

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