LLC光伏并網(wǎng)諧振變換器的研究

趙修瑞，李鍇，李又豐

（黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150027）

0 引言

本文研究和開發(fā)了一種多串結(jié)構(gòu)的大型光伏系統(tǒng)，并提出了一種基于積分控制的集成比例積分控制器的方法，每個串具有獨立的MPPT控制器[1]，還具有模塊化結(jié)構(gòu)。因此，通過并聯(lián)LLC諧振DC/DC變換器出輸，光伏系統(tǒng)可以很容易地擴(kuò)展到更高數(shù)量的串，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。這種LLC半橋電路不僅能夠吸取串聯(lián)諧振還可以隔離直流，并且能夠利用并聯(lián)諧振減小濾波電容、電流脈動小的特點，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，LLC型半橋電路是一種應(yīng)用比較理想的DC-DC變換模型。

圖1 分布式NPC光伏逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 LLC諧振變換器隔離升壓電路研究

1.1 光伏陣列與MPPT算法

光伏模塊可以使用電壓控制的電流源來建模，電壓取決于溫度和太陽輻射的功率。根據(jù)[2]，模型的數(shù)學(xué)方程為：

其中Ipv和i0分別是光伏和二極管飽和電流。Ns是串聯(lián)電池的數(shù)量，k為玻爾茲曼常數(shù)t1，T（開爾文）是二極管pn結(jié)的溫度，Q2是電子電荷。Rs和 Rsh是模塊的等效串聯(lián)和并聯(lián)電阻，a是二極管常數(shù)因子。

為了使誤差最小化，用PI控制器與這種方法相結(jié)合，如圖2所示。在最大功率點，輸出功率對光伏陣列輸出電壓的導(dǎo)數(shù)為零。

圖2 LLC半橋諧振變換器及MPPT控制器

比例積分（PI）控制器將誤差（dI/dV+I/V）降至最低，其輸出通過壓控振蕩器，這是因為在LLC諧振變換器中，控制器通過改變開關(guān)頻率而不是占空比來穩(wěn)定輸出。

1.2 LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器

諧振半橋轉(zhuǎn)換器電路配置如圖3所示，場效應(yīng)晶體管功率開關(guān)產(chǎn)生雙極方波電壓，并且應(yīng)該能夠在高頻下工作。需要注意的是，兩個連續(xù)轉(zhuǎn)換之間需要一個小的死區(qū)時間，以防止實現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換（ZVS）的交叉導(dǎo)通時間。

圖3 MPPT控制器原理框圖

該電路呈現(xiàn)兩種不同的諧振頻率:

對于電路設(shè)計，使用基本諧波近似（FHA）方法[4]。這種方法在接近諧振頻率fr1時產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。在這種方法中，只考慮電壓和電流的基本分量。FHA方法可以用來找到DC電壓增益，或電壓傳遞函數(shù)。

可以按如下方式計算等效負(fù)載電阻（Req）：

其中Ro是實際的DC側(cè)負(fù)載電阻。電路的品質(zhì)因數(shù)可以定義為:

諧振轉(zhuǎn)換器的DC電壓增益與歸一化開關(guān)頻率之間的關(guān)系可以表示為:

其中電感比Ln和歸一化開關(guān)頻率fn在（7）和（8）中定義。

2 仿真分析

在MATLAB/simulink仿真軟件中，搭建光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，參數(shù)如下：

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

最終通過鎖相和電壓電流控制，逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相位，維持單位功率因數(shù)運(yùn)行，且THD=2.46%＜5%，可以實現(xiàn)并網(wǎng)，輸出較為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，波形如圖4所示。

圖4 正常運(yùn)行逆變器輸出電壓

3 結(jié)語

本文對三電平光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了分析和設(shè)計，分別對光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、LLC半橋諧振變換器電路進(jìn)行了研究。采用的LLC半橋諧振變換器電路不僅能夠吸取串聯(lián)諧振還可以隔離直流；提出了了一種集成PI控制器的增量電導(dǎo)法，用于提取最大功率。采用了將三電平逆變器的數(shù)學(xué)模型建立在不同的坐標(biāo)系下，采用SVPWM調(diào)制策略。最終達(dá)到良好并網(wǎng)效果。