一種基于dsPIC的新型反激逆變器的實現(xiàn)

陳萬里，王麗霞，王志剛，王照平

（黃河科技學院，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，其應用越來越廣泛。與風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，如能夠為單塊面板和整個系統(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)計了一種新型的單級并網(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)計符合EN61000－3－2、IEEE1547 標 準 和 美 國 國 家 電 氣 規(guī) 范（NEC）690等標準。

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（MPP）；二是將正弦電流注入電網(wǎng)。圖中微逆變器主要負責把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（Maximum Power Point，MPP）完成。MPP是PV模塊向負載提供最大能量時的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?？刂破骱退蟹答侂娐返妮o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

2.1 交錯反激式轉(zhuǎn)換器模塊

本設(shè)計微逆變器使用交錯反激式轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。交錯反激轉(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。反激MOSFET可由經(jīng)調(diào)制的高頻正弦PWM驅(qū)動，以在反激輸出電容上產(chǎn)生整流的正弦輸出電壓/電流。兩個反激轉(zhuǎn)換器的工作相位相差180°，以實現(xiàn)交錯運行。反激結(jié)構(gòu)有兩種工作模式。模式1：當反激MOSFET導通時，能量存儲在反激變壓器的初級。二極管（D1/D2）處于截止狀態(tài)，因為施加到該二極管上的電壓與變壓器次級繞組形成反向偏置。在此期間，反激變壓器像電感那樣工作，變壓器的初級電流（Ipri1/Ipri2）線性增大。負載電流由輸出電容提供。模式2：當反激MOSFET關(guān)斷時，施加在初級繞組上的電壓會反向，從而產(chǎn)生次級繞組的電壓，該電壓使輸出二極管（D1/D2）正向偏置。初級中存儲的能量會傳送到次級，這會使輸出電容充電并為負載提供電流。在此期間，輸出電壓會直接施加于變壓器次級繞組，進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MOSFET電壓箝位在安全值。當MOSFET關(guān)斷時，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MOSFET電流，從而產(chǎn)生二極管的次級二極管電流。經(jīng)調(diào)制的正弦次級二極管電流的平均值會在輸出電容上產(chǎn)生整流正弦電壓/電流。

圖2 交錯反激轉(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，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共同導通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會產(chǎn)生畸變。因此SCR以工頻進行開關(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)進行控制。反激MOSFET的正弦調(diào)制PWM信號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

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，便可計算出：

為了達到單位功率因數(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。瞬時整流輸出電壓應大于瞬時電網(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)計指標如下：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為當輸出二極管導通時，施加于變壓器初級的輸出反射電壓；Uleakage為因變壓器泄露磁化電感導致的泄露峰值電壓。

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。在滿負載條件下，預期的泄漏電壓峰值為30～35 V。因此，可計算出當Uinmax＝55 V時，MOSFET上的漏極到源極電壓，如公式（6）：

MOSFET應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導通時呈線性增大，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：

在交錯反激轉(zhuǎn)換器中，此電流將流入兩個 MOSFET。

因此，每個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，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。由實測結(jié)果可知該微型逆變器的主要指標達到：最大輸出功率為185 W，標稱輸出電壓為230 V，標稱輸出電流為0.8 A，輸出電壓范圍為180 VAC～264 VAC，標稱輸出頻率為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%。最大功率點追蹤為99.5%，最小效率＞0.8。

圖4 實測電網(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)計并實現(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)點是：輸出波形好、失真度低，對通信設(shè)備無干擾，噪聲也很低。此外，保護功能齊全，對電感性和電容性負載適應性強。而MOSFET功率器件的采用使得逆變器具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、線性好、過載能力強等特點。

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