一種基于dsPIC的新型反激逆變器的實(shí)現(xiàn)

陳萬里，王麗霞，王志剛，王照平

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

光伏PV（Photovoltaic也稱為太陽能微型逆變器）發(fā)電系統(tǒng)作為一種便捷和前景廣闊的可再生能源，其應(yīng)用越來越廣泛。與風(fēng)能等其他形式的可再生能源相比，PV能源系統(tǒng)具備許多優(yōu)勢，如能夠?yàn)閱螇K面板和整個(gè)系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率，更低的安裝成本等。因此采用微型逆變器的太陽能系統(tǒng)逐漸成為主要的發(fā)展方向之一。

1 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計(jì)了一種新型的單級(jí)并網(wǎng)太陽能（PV）微逆變器。采用反激式轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生與電網(wǎng)同相和同步的正弦電壓和電流。此微逆變器可以和如下參數(shù)的PV模塊連接：在25 VDC至45 VDC的輸入電壓范圍內(nèi)，可輸出最大220 W的功率，最大開路電壓為55 VDC。由于逆變器需要接入電網(wǎng)，因此本設(shè)計(jì)符合EN61000－3－2、IEEE1547 標(biāo) 準(zhǔn) 和 美 國 國 家 電 氣 規(guī) 范（NEC）690等標(biāo)準(zhǔn)。

如圖1所示，將太陽能微型逆變器模塊接入電網(wǎng)包含兩個(gè)主要工作：一是確保太陽能微型逆變器模塊工作于最大功率點(diǎn)（MPP）；二是將正弦電流注入電網(wǎng)。圖中微逆變器主要負(fù)責(zé)把PV電池板的輸出電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同相的正弦輸出電流和電壓。電壓轉(zhuǎn)化的過程必須在其最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）完成。MPP是PV模塊向負(fù)載提供最大能量時(shí)的PV輸出電壓。EMI/EMC濾波器主要用于抑制EMI/EMC噪聲，并在逆變器輸出和電網(wǎng)間提供阻抗。控制器和所有反饋電路的輔助電源由PV電池板電壓提供。并網(wǎng)太陽能微逆變器的關(guān)鍵要求是在受太陽能照射和環(huán)境溫度變化影響所導(dǎo)致的寬范圍的輸入電壓和輸入功率下提供高效率。而且，微逆變器必須高度可靠，即使用壽命長。

圖1 太陽能微逆變器原理框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 交錯(cuò)反激式轉(zhuǎn)換器模塊

本設(shè)計(jì)微逆變器使用交錯(cuò)反激式轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。交錯(cuò)反激轉(zhuǎn)換器可有效地減小通過大容量輸入電解電容的紋波電流的RMS，從而延長電容的壽命。交錯(cuò)反激還可減小輸出電流的紋波，從而降低輸出電流的THD（諧波失真）。來自PV模塊的直流輸入被饋送到反激初級(jí)。反激MOSFET可由經(jīng)調(diào)制的高頻正弦PWM驅(qū)動(dòng)，以在反激輸出電容上產(chǎn)生整流的正弦輸出電壓/電流。兩個(gè)反激轉(zhuǎn)換器的工作相位相差180°，以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)運(yùn)行。反激結(jié)構(gòu)有兩種工作模式。模式1：當(dāng)反激MOSFET導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在反激變壓器的初級(jí)。二極管（D1/D2）處于截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)槭┘拥皆摱O管上的電壓與變壓器次級(jí)繞組形成反向偏置。在此期間，反激變壓器像電感那樣工作，變壓器的初級(jí)電流（Ipri1/Ipri2）線性增大。負(fù)載電流由輸出電容提供。模式2：當(dāng)反激MOSFET關(guān)斷時(shí)，施加在初級(jí)繞組上的電壓會(huì)反向，從而產(chǎn)生次級(jí)繞組的電壓，該電壓使輸出二極管（D1/D2）正向偏置。初級(jí)中存儲(chǔ)的能量會(huì)傳送到次級(jí)，這會(huì)使輸出電容充電并為負(fù)載提供電流。在此期間，輸出電壓會(huì)直接施加于變壓器次級(jí)繞組，進(jìn)而使二極管電流線性減小。緩沖電路二極管、電容和有源箝位電路MOSFET以及電容用于將反激初級(jí)MOSFET電壓箝位在安全值。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，施加在漏極和源極之間的電壓（Uds）將是輸入電壓、箝位電壓和泄漏尖峰電壓（變壓器泄漏電感所致）三者之和。經(jīng)調(diào)制的正弦PWM產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的正弦初級(jí)MOSFET電流，從而產(chǎn)生二極管的次級(jí)二極管電流。經(jīng)調(diào)制的正弦次級(jí)二極管電流的平均值會(huì)在輸出電容上產(chǎn)生整流正弦電壓/電流。

圖2 交錯(cuò)反激轉(zhuǎn)換器原理框圖

2.2 SCR（可控硅）全橋整流模塊

SCR全橋用于將整流輸出電壓/電流轉(zhuǎn)換成正弦電壓/電流，如圖3所示。全橋逆變電路克服了傳統(tǒng)推挽電路的缺點(diǎn)，功率開關(guān)管Gate1和Gate2反相，相位互差180°，調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有能使Gate1和Gate2共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)產(chǎn)生畸變。因此SCR以工頻進(jìn)行開關(guān)。數(shù)字PLL用來保證逆變器的輸出與電網(wǎng)同步。MPPT控制輸出電流幅值/有效值。輸出電流的波形由電流控制環(huán)進(jìn)行控制。反激MOSFET的正弦調(diào)制PWM信號(hào)控制將能量傳送至逆變器的輸出電容。

圖3 SCR（可控硅）全橋整流框圖

3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 逆變器輸出電壓、電流

并網(wǎng)太陽能微型逆變器必須能從PV電池板獲取電流并將其以單位功率因數(shù)傳送到公用電網(wǎng)。在圖2和圖3的并網(wǎng)微型逆變器中，UAC是逆變器輸出的基波；UL是連接電感（EMI電感）上的壓降；Ugrid是公用電網(wǎng)的電壓波形。假設(shè)損耗可忽略，可以發(fā)現(xiàn)：UAC＝Ugrid＋UL，其中所有變量均是形式為u＝UeJΦ的向量。在此基礎(chǔ)上，便可計(jì)算出：

為了達(dá)到單位功率因數(shù)的條件，要求電流波形必須與公用電壓波形相同，其關(guān)鍵是逆變器電壓UAC，則由公式（1）得IAC：

3.2 變壓器匝數(shù)

反激逆變器需要能將寬范圍變化的輸入PV電池板電壓轉(zhuǎn)換為整流的高電壓交流。瞬時(shí)整流輸出電壓應(yīng)大于瞬時(shí)電網(wǎng)電壓，以便將正弦電流饋送到無窮大電壓源（即電網(wǎng)）。利用變壓器匝數(shù)比來將低直流電壓提升至高電壓。反激逆變器中使用的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：輸入電壓范圍：25～45 VDC；整流輸出電壓峰值范圍：120～210 V；連續(xù)功率：190 W；開關(guān)頻率：172 kHz。因此，反激轉(zhuǎn)換器應(yīng)該能夠?qū)⒆钚】捎肞V電壓（25 VDC）提升至最大峰值電網(wǎng)電壓（210 V）。此轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)為以最大62%的PWM占空比工作。反激轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓關(guān)系可由公式（3）表達(dá)如下：

式中，Urectified為逆變器輸出電壓；Uinmin為最小輸入電壓；N為變壓器匝數(shù)比；Dmax為反激MOSFET的最大占空比。

如果Uinmin為22 VDC，Urectified為210 V，且最大占空比為0.62，則變壓器的匝數(shù)比應(yīng)該為N＝6。

3.3 MOSFET的選擇

MOSFET的選擇，必須考慮以下因素：最大擊穿電壓、連續(xù)電流、峰值電流等。在反激配置中，施加于MOSFET的最大電壓可由公式（4）求得：

式中，Uds為施加于MOSFET漏極和源極之間的電壓；Uin為25～45 VDC的輸入電壓；Urectified為當(dāng)輸出二極管導(dǎo)通時(shí)，施加于變壓器初級(jí)的輸出反射電壓；Uleakage為因變壓器泄露磁化電感導(dǎo)致的泄露峰值電壓。

而最大輸出電壓將等于最大電網(wǎng)電壓的峰值，即210 V。最大電網(wǎng)電壓峰值時(shí)的最大反射電壓可由公式（5）求得：

泄漏電壓取決于變壓器的泄漏電感。在滿負(fù)載條件下，預(yù)期的泄漏電壓峰值為30～35 V。因此，可計(jì)算出當(dāng)Uinmax＝55 V時(shí)，MOSFET上的漏極到源極電壓，如公式（6）：

MOSFET應(yīng)該能在極端條件下處理最大連續(xù)電流和峰值電流。由于反激MOSFET的占空比為正弦調(diào)制，其電流也將為正弦曲線。在Uinmin處，最大輸入平均電流將為9 A。最大輸入電流將為9 A/Dmax，等于14.5 A。因此，正弦調(diào)制輸入電流的峰值將為14.5 A×1.414＝20.53 A。輸入電流在 MOSFET導(dǎo)通時(shí)呈線性增大，因此MOSFET電流在峰值電流之上，還有峰－峰紋波電流。最大峰－峰電流為輸入峰值電流的20%。因此，MOSFET上的峰值電流可由公式（7）求得：

在交錯(cuò)反激轉(zhuǎn)換器中，此電流將流入兩個(gè) MOSFET。

因此，每個(gè)MOSFET的最大峰值電流將約為11.5 A。

3.4 全橋晶閘管的選擇

全橋配置中使用的晶閘管可將逆變器的輸出電壓/電流（整流后）轉(zhuǎn)換為正弦電壓/電流。SCR的最大電網(wǎng)電壓將等于最大電網(wǎng)電壓峰值。同時(shí)，SCR中的平均電流和峰值電流將等于電網(wǎng)電流。這里選擇了Tecco Electronics的S8016N晶閘管。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖4所示是微型逆變器實(shí)測電網(wǎng)電壓和電流，其中幅度較大的是電網(wǎng)電壓，幅度較小的是電網(wǎng)電流；圖5所示是PV電池板的電壓紋波和電流紋波。由實(shí)測結(jié)果可知該微型逆變器的主要指標(biāo)達(dá)到：最大輸出功率為185 W，標(biāo)稱輸出電壓為230 V，標(biāo)稱輸出電流為0.8 A，輸出電壓范圍為180 VAC～264 VAC，標(biāo)稱輸出頻率為50 Hz，輸出頻率范圍為47 Hz～53 Hz，功率因數(shù)≥0.95，總諧波失真≤5%，效率：最大效率為95%。最大功率點(diǎn)追蹤為99.5%，最小效率＞0.8。

圖4 實(shí)測電網(wǎng)電壓和電流

圖5 PV電池板的電壓紋波和電流紋波

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型反激式逆變器。該逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波。正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出波形好、失真度低，對(duì)通信設(shè)備無干擾，噪聲也很低。此外，保護(hù)功能齊全，對(duì)電感性和電容性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。而MOSFET功率器件的采用使得逆變器具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、線性好、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

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