新型光伏并網逆變器拓撲電路與控制策略解析

南京國電南自電網自動化有限公司 江 晨

為了能有效實現光伏并網、把太陽能轉化成電能，一定要處理好兩個基本環節：一是光伏陣列與DC-DC 變換器，其宗旨在于獲得更多的太陽能，進而使光伏陣列處于最佳的工作狀態，達到最大功率點追蹤MPPT 并提升輸出的直流電壓值；二是DC-AC 變換器，其運行目的是把光伏陣列生成的直流電轉變成大多數負荷所需的交流電，其輸出電流相位和電網電壓等同，幅值在電網電流之上，且具有更高的單位功率因數。由此可見DC-AC、DC-DC 變換器均有各自的控制目標和方法，兩部分的耦合不夠緊密，故建議分開設計光伏系統的控制過程。

1 雙Boost DC-AC 變換器的拓撲結構

1.1 電路結構

圖1是雙Boost DC-AC 變換器的基本電路拓撲[1]。兩組結構等同且對稱分布，輸入端實現并聯，不僅有原Boost 變換器提升電壓的屬性，采用以上組合方式后也生成一種新功能，即調整占空比后負載上獲得的正弦交流波瞬時檢測值明顯高于直流輸入電壓。

圖1 變換器的基本拓撲

因兩組Boost 電路結構上實現了絕對對稱，應用的開關管IGBT S1-S4不管是材料還是性能參數均完全相同，左、右兩組Boost 變換器直流偏置也無差異，唯一的不同是，若左側開關管S1、S2驅動電壓呈正弦規律改變且受到初相位0°正弦波參考量的調節控制時，要求右側的單組開關管S3、S4驅動電壓的正弦波參考量和前者的相位差一定是180°，反之也如此。不論是電容C1還是C2，其輸出電壓均伴隨各自的參考電壓值改變而變化。在本電路內，因電感L1、L2內電流不會發生突變，故而選擇L1—L2作為續流支路，供電負載用R 表示[2]。

1.2 工作過程

電路實際運行時會存在“死區”時間，并且感應電流應是連貫的。假定流入直流電源的電感電流iL1是正、流出直流電源的電流iL2是負。在直流穩壓穩定的狀況下，可依照真實的開關管驅動波形細分成不同時段開展分析，圖2（a）是開關管觸發脈沖[3]。

圖2 變換器觸發脈沖和等效電路

[t0～t1]時段。S2、S3導通，基于假定的電感電流方向，iL1、iL2分別由D1、D4轉移到S2、S3，等效電路圖是圖2（b）；[t1～t2]時段（死區）。因電感電流方向不會突變，故而在關斷S2、S3時，iL1、iL2分別轉移到D1、D4續流；[t2～t3]時段。iL1、iL2依然分別通過D1、D4流動，此時盡管Vg4、Vg1是高電平，但其所調控的兩個開關管無法即刻導通。等效電路見圖2（c）；[t3～t4]時段。iL1、iL2分別通過D1、D4實現續流，圖2（c）是其等效電路；t3后又重復進行以上工作過程，只有當iL1、iL2電流方向出現變化后，S1、S4方能在開關信號作用下實現導通與關斷動作，在這樣的情境下S2、S3始終能維持關斷狀態，iL1、iL2電流從D2、D3轉移至S4、S1，圖2（c）是其等效電路。

觀察圖1，發現跨接于u1與u2兩端的負載直流偏置互為抵除，交流分量正弦波互差180°進而相減疊加，可按照下式計算逆變器的負載端電壓u0[4]：

綜合如上分析，盡管負載的任一端均出現單個直流偏置電壓，但兩側偏置數值等同，兩端電壓分別是正負交變的正弦波電壓，計算差值，其直流電壓是零，交流分量幅值明顯增加，為單側的二倍。通過分析以上公式，雙Boost DC-AC 變換器的輸出電壓有正負交變的特點，故而逆變器左右兩部分的電流能實現雙向流通。

1.3 電路的參數設計

電感L1、L2：結合電路工作過程分析，逆變電路內電感L1、L2作用不僅是存儲能量，還可作為輸出濾波電感，故而設計時應著重考慮如上兩個因素。結合既往研究所得結論，在Boost 電路內，當將開關管占空比d 調控在0～0.845范圍時，假定L1=L2=L，可結合以下公式選擇L：，式中，Udc是直流側電壓，對于光伏陣列假定該值是75V；η 是電流的紋波，取值25%；負載輸出功率PRL為4kW；開關管頻率fs 是5kHz；Ts=1/fs，為200μs，代入上式計算取L=0.18mH。

電容C1、C2：可按照輸出濾波器的原則設計。結合既往研究所得結論，針對電容和電感所組成的低通濾波器，大于其諧振頻率的高次諧波將會按照40dB/十倍頻進行衰減，C1=C2=C，按照如下公式選擇電容[5]：C=1/L(2πfN×15)2，fN為基波頻率、對應值是50Hz，最后求出C ≈7.5μF。

2 最大功率跟蹤技術

2.1 跟蹤原理

分析光伏陣列電流電壓及功率電壓各自的變化規律，不難發現I-U、P-U 形成了非線性關系，伴隨著日照與環境溫度等客觀因素的改變，最大功率點會出現一定變化。在日照時段中系統始終會存在輸出功率最大點，為獲得最高的功率輸出，一定要確保光伏陣列與負載之間的高匹配度。追蹤控制最大功率的宗旨[6]：結合地勢特征、光照強度、氣溫，采用適宜的控制方法，將光伏陣列的效率充分發揮出來。伴隨日照強度、氣溫的改變光伏陣列會出現一定改變，其輸出功率也動態改變，故一定要實時追蹤系統的作業狀態，有針對性整頓作業條件，使負載獲得最大輸出功率。

2.2 常用的跟蹤方法

恒定電壓跟蹤。若太陽能電池板電壓在設備出廠時的理想范圍運作，那么此時電壓值所處功率—電壓特性曲線上的點位一定是最大功率點。采用適當的方法將電池陣列在這個固定電壓值上運作，就能初步完成最大功率的追蹤任務；擾動觀測法。將一個擾動電壓施加給電池陣列輸出端的電壓，進而使陣列輸出功率出現增減，根據輸出功率的改變去判斷電壓擾動方向是否精準。

電導增量法。功率-電壓曲線是一個單峰型曲線，如果采用功率對電壓求導數，能夠發現輸出功率最大點便是導數是零的點，因此可應用適宜的方法探尋到導數是零的點位，這樣便能確定輸出的最大功率點。具體控制方法如下：在導數為零或接近零的區域，基本上能保持控制電壓恒定不變。圖3是電導增量法原理圖[7]，和以上兩種控制方法相比優點有：物理概念的清晰度較高，當光伏陣列系統的光照強度出現改變時，負載獲得的輸出電壓也能以穩定的方式伴隨其發生改變，電壓波動帶來的影響顯著低于觀察法。但這種策略自身也存在著不足，在跟蹤電壓變化過程中算法的執行過程相對較復雜，模數轉換時會耗用較高的時間成本，對處理器運算控制性能要求較高，以上操作難度偏大。

圖3 電導增量法原理圖

3 結語

本文建議將全新的雙Boost DC-AC 變換器用在光伏發電系統建設領域中，其最大的特點是有效解決了傳統光伏陣列直流輸出電壓的問題，并集成了升壓、逆變兩大功能，重點研究了該電路的構成、主要工作過程及參數設計原則，探究適用于調控該電路運行狀態的策略，即最大功率追蹤技術，以供同行參考。