淺論單相雙級式光伏并網逆變器

摘 要：單相雙級式光伏并網系統就是用直流電和可變電阻來模擬太陽能電池的輸出特性曲線，根據其工作原理來分析理論上的可行性，并進一步提出改進的變步長占空比擾動法，這樣能有效提高快速性還有高效性。逆變器是以DSP為核心的并網策略，設計有并網逆變器電壓、電流雙閉環控制系統。雙環中的外環是直流電來控制的，直流輸入更加穩定。而內環則是并網電流控制的，輸出電流與電網電壓頻率相同，相位也相同。現在還有一種有效跟蹤鎖相精度的軟硬件組合的改進方法。而根據實驗的結果，能發現并網逆變器可以最大功率進行點跟蹤，還可以使輸出電流的精確跟蹤電網電壓。

關鍵詞：單相雙級式光伏并網逆變器；最大功率點跟蹤；鎖相環

太陽能是目前來說最清潔、規模最大、前景最好的可再生能源之一，太陽能光伏利用是很重要的發展走勢。另外，高性能數字信號處理器（DSP）也使得一些控制策略能應用與光伏并網逆變器。而對太陽能并網的發電系統重要部分就是最大功率點跟蹤MPPT（Maximum Power Point Traching）還有并網控制策略來進行一個更為深入的研究。

1 單箱雙極式光伏并網系統

為了讓太陽能電池實現最大化的效率，能將太陽能轉化成電能，就必須對其進行MPPT。其中，光照強度、環境溫度等都是不可控的條件，并且變化周期比較長，因此對MPPT的控制有很多不便之處。怎樣能模擬太陽能電池的輸出特性，能夠使其簡化研究中一些過程，還要控制其工作點來實現大功率輸出是現在需要解決的一個問題。

以TMS320LF2407為例，由光伏陣列，DC/AC逆變環節，DC/DC變換環節，隔離變壓器還有負載構成系統。DC/DC用來完成光伏陣列MPPT控制，DC/AC完成直流逆變為交流。隨后還要完成系統并網運行。Boost升壓電路用在前級DC/DC中，由二極管，開關管，電感和電容所組成。當開關通時，二極管反偏，陣列向電感儲存一定的電能，電感電流增大。開關關閉時，二極管導通，電感和陣列一起供給能量給電容，電感電流變小。電池陣列輸出電流，要根據輸入的電壓開關所占空比。后級DC/AC逆變器用了全橋逆變，能夠反向續流。可以在主電路配有工頻變壓器來保障與電網電壓的匹配，并且和發電系統隔離開。

在整個系統里，太陽能電池可以輸出額定50～100V的直流電壓，并通過DC/DC轉換成400V的直流電，再通過DC/AC得到220V的交流電，這樣和電網電壓就同頻同相了。

2 太陽能電池特征和模擬電路

太陽能板是由許多電池板組成的，每個電池都是P-N截面的半導體，可以直接轉換光能。當其電池輸出電壓最大的時候，功率很小，在特定光強和環境溫度下，必須使其在特定電壓或者電流之下才可以輸出最大功率。

對太陽能電池進行MPPT實驗，用直流電和可變電阻模擬其輸出特性的曲線，電壓來模擬太陽能電池輸出電壓，設置功率變換電路，DC/DC變換器用Boost變換器。對光伏發電系統來說，如果陣列輸出電流不能連續，就會造成能量的部分損失。并且，大多光伏陣列輸出電壓比較低，而負載則需要在較高電壓下工作，所以需要電壓提升和輸入電流要連續工作的Boost電路才能完成這個光伏系統的MPPT控制器。

3 MPPT和變換器的控制

可以用一種變步長的占空比擾動法來實現此項MPPT的功能，其工作原理為：對太陽能電池在不同工作地點進行檢測其輸出功率，然后對比，找出其確定日照與溫度條件下輸出最大功率的時候所相對的占空比。方法有兩種：

3.1 讓電池在某個確定占空比工作，檢測輸出功率，以定步長L1擾動PWM信號的占空比。將輸出功率鉛華和擾動前的進行對比，如果值變大，表示擾動的方向無誤，如果值減小，則把反方向L1為步長再次擾動。直到功率得出最大值。

3.2 設置一個功率Px作為一個起始值，然后選擇較小的步長L2，搜索的方法與1相同，直到找出最大值（最大功率點）。以此類推，等到步長減小為最小單位的時候則可以找到最大功率點Py。

此外需要注意，如果Pn=Pn-1，就是二者是最先搜出的最大功率點，需要停止搜索，然后進行下一輪。與傳統占空比擾動法比起來不同之處為，每當找到最大功率點Pm之后，不能進行擾動了，則是要停止。這樣可以避免浪費能源，提高系統的效率。

在擾動停止之后，檢測系統輸出功率然后和Pm進行比對，若相同則是最大功率點，不同則繼續尋找。

4 實現并網控制

4.1 電流控制

為了保證系統能夠正常和穩定的運行，首先要采用調整逆變器輸出電壓大小還有相位控制系統有功和無功的輸出問題，用鎖相控制技術來與市電進行同步。但是又因為鎖相回路響應慢，這樣就不容易精確控制其輸出電壓了。因此要采用電流控制，先要控制逆變器的輸出電流，跟蹤電網的電壓，使其相同。這樣可以保持系統功率因數是1，可以和電壓源并聯運行。這個方法是運用較多，控制方法也比較簡單的。

4.2 電壓電流雙閉環控制

讓其逆變器輸出的電流跟蹤電網電壓，保證頻率和相位與其一致。太陽能光伏并網系統用雙閉環控制策略，雙閉環的外環是直流電壓控制的，這樣能控制并網逆變器直流輸入端的電容電壓更穩定。內環則是并網電流控制的，這樣能控制并網逆變器的輸出電流還有電網電壓能夠相同一致。外環電壓值為MPPT輸出值，反饋值是陣列輸出電壓值，二者間進行誤差調節。

4.3 實現同步鎖相環

同步鎖相環可以保證并網電流和電壓嚴格同頻和同相，因此在發電系統中是非常重要的。其功能是調節逆變器來輸出電流，讓其與電網電壓慢慢達到同步鎖定的狀態，這個系統中的鎖相控制的環節是由硬件和軟件的部分來實現的。

進行這個過程的同時，需要F2407來采集電網電壓信號的準確相位，并要有硬件電路的輔助，把電網正弦波的電壓信號進行過濾，然后轉成同步的方波信號，它們具有相同過零點，也就是所謂的過零點產生脈沖躍變。方波信號輸入F2407的外部中斷口后，捕捉電網電壓的過零點。在檢測到有同步信號時候便產生同步中斷。然后指針復位。再把PI調節，得到電流指令，與正弦表指針相對的數據相乘即可。

5 結束語

本文中的有輸出隔離變壓器的單箱雙極式光伏并網逆變器，可以適應寬范圍的直流輸入電壓，較低開關的頻率之下能用調制方式改善并網電流的波形，可以使電流總畸變率小于3%，能夠有效減少開關的損耗，提高工作效率。其控制電路的芯片采用的是TI公司的TMS320LF2407A，前級DC/DC變換器可以實現MPPT，后級DC/AC逆變環節可以讓輸出電流和電網的電壓相同頻率、相位，還能得到單位功率因數。這種變換器還能改進變步長占空比擾動觀察法，集成了傳統擾動法的優點還能在不同的尋優階段用不同步長進行最大速度跟蹤系統的最大功率點，提高了系統的快速還有高效性。在擾動到步長比特定值小了之后，保持當前點的穩定，這樣可以減少因擾動帶來的功率損耗，還可以進一步接近理論上最大功率點。后級逆變器用的是全橋逆變電路，其利用電流、電壓雙閉環控制來達到同電網電壓頻率、相位一樣的電流。在整個實驗中，該工作系統的穩定性較好，性能更可靠。

參考文獻

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