單相非隔離型并網(wǎng)光伏逆變器研制

毛行奎，毛洪生，裴昌盛，張錦吉

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350108)

1 引言

光伏發(fā)電有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種發(fā)電形式。相對(duì)于離網(wǎng)型，并網(wǎng)型由于其負(fù)載為大容量的電網(wǎng)，正常工作時(shí)可以時(shí)時(shí)最大發(fā)揮太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換能力，有更低的成本和維護(hù)費(fèi)用，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)［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(jí)光伏逆變器能適應(yīng)輸入電壓，并能夠進(jìn)行MPPT，以提高光伏電池利用率，降低系統(tǒng)成本。光伏逆變器有單級(jí)式和多級(jí)式結(jié)構(gòu)，單級(jí)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(jí)式或者雙模式［5-6］工作的功率拓?fù)?。雙模式拓?fù)涑杀镜?，但控制相?duì)復(fù)雜，且只適用于非隔離型逆變器。論文以一個(gè)輸出功率為1.5kW，MPPT的電壓為150～500V并網(wǎng)逆變器為例，深入研究了單相非隔離型并網(wǎng)光伏逆變器系統(tǒng)方案、MPPT、并網(wǎng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，并研制出性能優(yōu)良的樣機(jī)。

2 系統(tǒng)方案與控制

2.1 系統(tǒng)方案

由于單相并網(wǎng)光伏逆變器 MPPT電壓范圍為150～500V，而并網(wǎng)的電網(wǎng)電壓為194～256V，逆變器主拓?fù)湫枰軐?shí)現(xiàn)升降壓，因此需要采用兩級(jí)功率電路結(jié)構(gòu)或者雙模式功率電路結(jié)構(gòu)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(biāo)、效率、成本等因素，樣機(jī)采用如圖1的基于雙 CPU系統(tǒng)方案。在系統(tǒng)方案中，并網(wǎng)逆變器功率電路采用準(zhǔn)兩級(jí)式電路拓?fù)?，由DC/DC和DC/AC兩部分構(gòu)成，即當(dāng)光伏電池電壓 Upv＜380V時(shí)，此時(shí)前級(jí)Boost升壓電路工作，把 Upv升壓并穩(wěn)壓到410V，再經(jīng)過(guò)DC/AC逆變并網(wǎng)，工作于兩級(jí)模式。當(dāng)Upv≥380V時(shí)，Boost電路不工作，此時(shí) Upv直接供電給DC/AC，然后并網(wǎng)，工作于單級(jí)模式。采用該方案不僅滿足寬輸入電壓范圍要求，且控制簡(jiǎn)單，提高系統(tǒng)效率。

對(duì)于控制部分，光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT、并網(wǎng)控制、孤島保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)由 DSP Freescale MC56F8323主控制器完成實(shí)現(xiàn)。對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控、顯示、人機(jī)界面等監(jiān)測(cè)、通信子模塊采用的是Freescale 8位單片機(jī) MC9S08JM60作為從控制器。監(jiān)測(cè)子模塊通過(guò) SPI跟 DSP MC56F8323通信，從MC56F8323獲得監(jiān)測(cè)需要的逆變器主電路一些指標(biāo)量用于LCD顯示，與上位PC機(jī)采用RS485通信。監(jiān)測(cè)子模塊還提供最大可達(dá)到10個(gè)光伏電池板電壓監(jiān)測(cè)的功能，通過(guò)該監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以容易區(qū)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(hù)工作量和成本。

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

并網(wǎng)逆變器主功率電路拓?fù)淙鐖D2所示，其中前級(jí)DC/DC采用Boost電路，DC/AC采用單相橋。由于主電路工作于準(zhǔn)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，為確保當(dāng) Upv≥380V，Boost電路不工作時(shí)光伏逆變器也能實(shí)現(xiàn)MPPT，所以逆變器MPPT放在后級(jí)DC/AC級(jí)實(shí)現(xiàn)，即在DC/AC級(jí)實(shí)現(xiàn)MPPT、并網(wǎng)控制和孤島保護(hù)等逆變器的三個(gè)核心控制，這樣不受限于 DC/DC級(jí)是否工作。

圖2 1.5kW光伏并網(wǎng)逆變器準(zhǔn)兩級(jí)主電路拓?fù)銯ig.2 Quasi-two-stage topology of 1.5kW single-phase PV grid-tied inverter

2.2 系統(tǒng)控制

在并網(wǎng)逆變器核心控制中，并網(wǎng)電流采用高性能的無(wú)差拍控制方法［7］，孤島保護(hù)采用有源頻率漂移法加過(guò)電壓、欠電壓方式實(shí)現(xiàn)［1］，MPPT采用一新型的改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。

系統(tǒng)中孤島保護(hù)和MPPT是通過(guò)改變并網(wǎng)或電感電流iL的頻率和幅值實(shí)現(xiàn)的。iL的無(wú)差拍控制方程，即逆變橋開(kāi)關(guān)管占空比D(k)為:

式中，第k個(gè)開(kāi)關(guān)周期電網(wǎng)電壓ˉUgrid(k)、逆變器母線電壓Udc(k)、iL(k)由采樣得到。開(kāi)關(guān)周期 Ts、電感L由設(shè)計(jì)確定。iref(k+1)為iL的跟蹤參考電流，其幅值由圖3的MPPT擾動(dòng)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(dòng)改變D對(duì)應(yīng)的頻率而改變。

圖3 改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法MPPT流程圖Fig.3 Flow-chart of improved P＆O MPPT with variable step

擾動(dòng)觀察法以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觀測(cè)參數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。但存在由于尋優(yōu)步長(zhǎng)固定而導(dǎo)致MPPT尋優(yōu)時(shí)振蕩的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的新型改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法不僅可以減小傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近存在的振蕩，且在穩(wěn)態(tài)情況下可達(dá)到無(wú)振蕩損耗，同時(shí)也適用于環(huán)境變化的場(chǎng)合。其控制過(guò)程為:給定一個(gè)擾動(dòng)，通過(guò)擾動(dòng)前后功率和電壓的變化決定下一個(gè)擾動(dòng)的方向和步長(zhǎng)。使其向最大功率點(diǎn)靠近，最終實(shí)現(xiàn)MPPT。改進(jìn)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的算法流程如圖3所示，即先設(shè)定逆變器并網(wǎng)參考電流 Iref、擾動(dòng)步長(zhǎng) step以及常數(shù) 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(dòng)步長(zhǎng)是否改變，如果 ΔP≥0，則步長(zhǎng)保持不變;反之當(dāng)ΔP＜0，將擾動(dòng)步長(zhǎng)減小。然后ΔP*ΔU的值決定了擾動(dòng)的方向，如果 ΔP*ΔU＞0，保持原擾動(dòng)方向;如果 ΔP*ΔU＜0，改變擾動(dòng)方向;如果ΔP*ΔU=0，則停止擾動(dòng)。如此循環(huán)，直到 step為零，最終實(shí)現(xiàn)MPPT。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，即檢測(cè)到ΔU發(fā)生變化，step賦初值，然后重復(fù)以上的步驟，從而可以適用于環(huán)境變化場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

輸出濾波電感要滿足

取直流母線電壓 Udc=410V;開(kāi)關(guān)頻率 fs=20kHz;電感電流紋波20%，則 ΔiLmax=1.3A。求得L≥3.9mH。實(shí)際應(yīng)用中，選用兩個(gè)濾波電感 L2=L3=2mH，兩電感同時(shí)構(gòu)成一個(gè)共模濾波器，具有更好EMI濾波效果。每個(gè)電感選用 High Flux磁芯CH467060，使用2個(gè)磁芯疊加繞制，匝數(shù)為105匝，選用線徑為1.2mm的漆包線。

無(wú)差拍控制效果對(duì)系統(tǒng)精確模型依賴性較強(qiáng)，當(dāng)理想模型與實(shí)際對(duì)象有些差異或者系統(tǒng)參數(shù)稍有變化時(shí)，其劇烈調(diào)節(jié)作用往往會(huì)使系統(tǒng)輸出電壓振蕩，脫離穩(wěn)定狀態(tài)。由于濾波電感是由High Flux磁芯繞制，其感值會(huì)隨著直流偏量變化而變化，如圖4所示。由于在一個(gè)工頻周期內(nèi)，電流值是由零到峰值變化的，電感感值也會(huì)隨之變化，故采用插值方法計(jì)算出不同直流偏量值時(shí)電感的感值，然后通過(guò)軟件對(duì)電感感值進(jìn)行補(bǔ)償，以滿足控制方式對(duì)系統(tǒng)模型精確度的要求。實(shí)驗(yàn)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(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 系統(tǒng)建模仿真

圖4 High Flux磁芯的電感系數(shù)AL對(duì)安匝NI曲線Fig.4 Inductance of AL vs.NI of High-Flux core

根據(jù)上述系統(tǒng)方案、控制以及設(shè)計(jì)，建立基于Matlab Simulink的1.5kW/230V單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，模型包含光伏電池、MPPT、孤島保護(hù)、無(wú)差拍并網(wǎng)控制以及Boost電路的峰值電流控制等5個(gè)模塊。模型主要參數(shù)為:光伏電池開(kāi)路電壓Uoc=262.6V，短路電流 Isc=7.86A，最大功率點(diǎn)電壓Um=204.4V，最大功率點(diǎn)電流 Im=7.34A，最大功率Pm=1500W。Boost變換器和全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)頻率均為20kHz。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可見(jiàn)，并網(wǎng)電流 iL不斷增大，輸出功率也不斷增大，當(dāng)逆變輸出電流保持不變時(shí)，系統(tǒng)輸出的功率達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)MPPT。當(dāng)取圖3中的cons=0.01時(shí)，MPPT精度為99.9%。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)電網(wǎng)在0.1s時(shí)刻斷電后，逆變器輸出頻率f不斷增大，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期檢測(cè)出頻率 f超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)50.5Hz，認(rèn)為發(fā)生孤島，隨即將逆變器與電網(wǎng)斷開(kāi)，停止逆變器工作，快速有效地防止了孤島效應(yīng)。在樣機(jī)中，孤島保護(hù)擾動(dòng)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(hù)仿真波形Fig.6 Anti-islanding protection simulation waveform based on Simulink

4 實(shí)驗(yàn)

樣機(jī)中，圖2功率電路主要器件參數(shù)為:T5選用兩個(gè)MOS管 STW25NM60N并聯(lián)，D5選用IXYS DSEI30-06A，C2選用3個(gè)470μF/500V的電解電容并聯(lián)，全橋電路的4個(gè)開(kāi)關(guān)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(wǎng)鎖相穩(wěn)定性和抗干擾能力，樣機(jī)采用帶滯環(huán)比較的過(guò)零檢測(cè)電路。

圖7(a)為樣機(jī)開(kāi)機(jī)波形。開(kāi)機(jī)時(shí)采用了軟啟動(dòng)控制。在鎖相完成后，先發(fā)出繼電器閉合信號(hào)使并網(wǎng)繼電器閉合，然后發(fā)出逆變驅(qū)動(dòng)開(kāi)通信號(hào)使逆變器并網(wǎng)工作，從而輸出并網(wǎng)電流，并網(wǎng)電流逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了開(kāi)機(jī)時(shí)瞬時(shí)大電流對(duì)系統(tǒng)沖擊帶來(lái)的破壞。

圖7(b)為樣機(jī)關(guān)機(jī)波形。關(guān)機(jī)時(shí)，先發(fā)出逆變驅(qū)動(dòng)關(guān)閉信號(hào)來(lái)使逆變器停止工作，間隔一定時(shí)間后再發(fā)出繼電器斷開(kāi)信號(hào)使并網(wǎng)繼電器斷開(kāi)，完成輸出濾波電感 L2、L3放電，從而使逆變器與電網(wǎng)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)安全關(guān)機(jī)。

圖7 開(kāi)機(jī)軟啟動(dòng)以及關(guān)機(jī)波形Fig.7 Key waveforms at turn-on and turn-off

圖8為樣機(jī)兩級(jí)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(wǎng)電壓230V時(shí)并網(wǎng)電壓與電流波形，可見(jiàn)并網(wǎng)電流波形正弦度良好，在額定載時(shí)僅為1.4%。當(dāng)功率電路工作于一級(jí) DC/AC模式時(shí)，并網(wǎng)電壓電流波形與兩級(jí)時(shí)基本一樣。圖9和圖10為樣機(jī)工作于兩級(jí)功率電路THD與效率，電流THD充分小于并網(wǎng)要求的額定載時(shí)5%規(guī)定，有較高效率。實(shí)驗(yàn)表明樣機(jī)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 兩級(jí)功率電路工作模式時(shí)并網(wǎng)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(wǎng)電流THD(%)Fig.9 Output current THD

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

5 結(jié)論

針對(duì)寬輸入光伏電池電壓的單相光伏并網(wǎng)逆變器，提出了一個(gè)采用準(zhǔn)兩級(jí)式主電路拓?fù)浜碗pCPU控制的系統(tǒng)方案。準(zhǔn)兩級(jí)式主電路拓?fù)浞桨覆粌H可以滿足寬輸入電壓要求，且控制簡(jiǎn)單。雙CPU結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)并網(wǎng)輸送電能的高質(zhì)量性和高可靠性，以及有良好的人機(jī)界面和通信功能。實(shí)驗(yàn)表明樣機(jī)性能優(yōu)良，運(yùn)行穩(wěn)定。

新的改進(jìn)變步長(zhǎng)MPPT擾動(dòng)觀察法，不僅減小了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近尋優(yōu)時(shí)存在的振蕩，而且通過(guò)檢測(cè)光伏電池板輸出電壓ΔU變化情況來(lái)重新尋優(yōu)，使新方法適用于環(huán)境變化的場(chǎng)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(wú)差拍電流控制對(duì)輸出濾波電感模型精度要求較高特點(diǎn)，克服粉芯類磁芯電感感值隨電流變化大的缺點(diǎn)，提高并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等(Zhao Zhengming，Liu Jianzheng，Sun Xiaoying，et al.).太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用(PV generation and its applications)［M］.北京:科學(xué)出版社(Beijing:Science Press)，2005.

［2］Soeren Baekhoej Kjaer，John K Pedersen，F(xiàn)rede Blaabjerg.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules［J］.IEEE Trans.on Industry Applications，2005，41(5):1292-1305.

［3］IEA International Energy Agency.Annual Report'2008 of Photovoltaic Power System Program［R］.2008.

［4］Ramon OCaceres，Ivo Barbi.A Boost DC-AC converter:analysis，design，and experimentation［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1999，14(1):134-141.

［5］Ogura K，Nishida T，Hiraki E，et al.Time-sharing Boost chopper cascaded dual mode single-phase sinewave inverter for solar photovoltaic power generation system［A］.Proceedings of IEEE PESC'2004［C］.Aachen，Germany，2004.4763-4767.

［6］Boost與Buck級(jí)聯(lián)的光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法(PV grid-tied inverter and its control with Boost and Buck cascade connection)［P］.中國(guó)發(fā)明專利(China Invention Patent)，200910181726.9，2009.

［7］Hung G K，Chang C C，Chen C L.Analysis and implementation of a delay-compensated deadbeat current controller for solar inverters［J］.IEE Proceedings of Circuits Devices and Systems，2001，148(5):279-286.