單相小功率高頻并網(wǎng)逆變器的研制

孫峰芳， 馬 亮， 張 穎

（1.北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司 北京 100009；2.北京市光伏核心裝備工程研究中心 北京 102100）

隨著能源環(huán)境問題的日益突出，人們開始探索新的發(fā)電方式以應(yīng)對能源短缺的局面，可再生能源成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)，眾多可再生能源中，光伏發(fā)電具有無污染、能源質(zhì)量高、發(fā)電機(jī)動(dòng)靈活、容易建立分布式發(fā)電系統(tǒng)等特點(diǎn)[1-2]，近幾年，光伏并網(wǎng)發(fā)電得到迅猛發(fā)展。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器處于核心地位，文中詳細(xì)介紹了單相小功率高頻并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)，并對逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單相光伏并網(wǎng)逆變器常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器采用兩路直流輸入、單逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)省去了笨重的工頻變壓器，效率高、重量輕；加入了DC-DC BOOST電路用于提高直流輸入電壓，擴(kuò)大了光伏陣列的直流輸入電壓范圍（150V~450V），同時(shí)DCDC電路可以進(jìn)行MPPT控制，方便控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，另外由于具有2路DC-DC電路，可以獨(dú)立進(jìn)行MPPT控制，適合兩個(gè)不同傾斜面光伏陣列接入，即兩個(gè)光伏陣列可以具有不同的MPPT電壓，十分適合應(yīng)用于光伏建筑[3]。但和常規(guī)結(jié)構(gòu)不同的是，每路DC-DC電路都并聯(lián)一個(gè)跨接二極管，當(dāng)光伏陣列輸出電壓滿足逆變要求時(shí)，二極管可以旁路DC-DC電路，此時(shí)系統(tǒng)成為直接逆變系統(tǒng)，MPPT控制由后級DC-AC來實(shí)現(xiàn)。具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

從結(jié)構(gòu)上看，本文設(shè)計(jì)的光伏并網(wǎng)逆變器屬于兩級式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是光伏陣列的MPPT控制和逆變并網(wǎng)控制可以分開實(shí)現(xiàn)，控制起來相對簡單。前級由兩路DC-DC變換器組成，后級為單相DC-AC變換器。前級每路DC-DC變換器的輸入各連接一路獨(dú)立的光伏陣列，經(jīng)BOOST電路可以實(shí)現(xiàn)升壓作用和MPPT控制，升壓作用保證后級直流母線達(dá)到實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的電壓的幅值要求，MPPT控制保證光伏陣列的最大功率的輸出；兩路DC-DC輸出在母線處并為一路作為后級DC-AC變換器的輸入，直流電經(jīng)DC-AC變換器并入電網(wǎng)，后級DC-AC變換器主要用來穩(wěn)定直流母線電壓和并網(wǎng)電流的控制，保證并網(wǎng)電流與市電電網(wǎng)電壓的同頻同相，保證功率因數(shù)為1。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Boost電感的設(shè)計(jì)

Boost電感對于電路正常工作起著至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)要求使電路盡量工作在電流連續(xù)狀態(tài)下[4]。

Boost電路正常工作時(shí)，電感上電流與開關(guān)管漏源電壓如圖3所示。

其中，UDC為Boost電路輸出電壓，TS為開關(guān)周期，D為占空比，iLavg為電感電流平均值，ΔiL為電感電流的紋波，

圖1 單相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the single-phase photovoltaic grid-connected inverter

圖2 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of photovoltaic grid-connected inverter

圖3 Boost電路工作波形Fig.3 Waveform of Boost circuit

其中，uPV為Boost的輸入電壓。要求電路在10%負(fù)載情況下工作于連續(xù)電流情況下，紋波電流應(yīng)小于此時(shí)的平均電流。

即 ΔiL＜i10%

實(shí)際工作中，電感上的電流影響MPPT工作點(diǎn)，若電流的紋波過大，將直接導(dǎo)致工作點(diǎn)電壓的不穩(wěn)定，所以可根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)放大電感值。

2.2 母線支撐電容的設(shè)計(jì)

母線支撐電容是主回路中的重要環(huán)節(jié)，起到儲(chǔ)能與濾波的作用[5]，作為電池板電源與電網(wǎng)間能量交換的緩沖裝置，其設(shè)計(jì)與選型對逆變器工作性能及使用壽命有極其重要的影響。

一般而言，母線電容的選取主要考慮以下三點(diǎn)因素：1）電容的耐壓應(yīng)大于母線工作的正常最大電壓；2）電容的容量應(yīng)能使母線的電壓紋波滿足一定的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)要求小于2%的直流母線電壓；3）電容的額定紋波電流容量大于母線工作時(shí)的紋波電流[6-7]。

下面給出電容值的確定方法。

單相逆變器的母線電容電壓存在二倍工頻的分量，這是因?yàn)?，單相并網(wǎng)輸出功率為：

其中UDC為支撐電容上平均電壓。

3 軟件設(shè)計(jì)

程序采用循環(huán)+中斷的典型結(jié)構(gòu)，在主函數(shù)中完成系統(tǒng)寄存器及變量的初始化和通訊循環(huán)，通過配置一個(gè)16 kHz的PWM計(jì)數(shù)下溢中斷，中斷服務(wù)程序中執(zhí)行主要算法控制，包括AD采樣、MPPT、功率閉環(huán)控制、保護(hù)監(jiān)測與響應(yīng)等，為了保證并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相，應(yīng)用了軟件鎖相環(huán)技術(shù)。主函數(shù)流程圖如圖4所示，中斷函數(shù)流程圖如圖5所示。

圖4 主函數(shù)流程圖Fig.4 Flow chart of the main function

圖5 中斷函數(shù)流程圖Fig.5 Flow chart of the interrupt function

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，搭建了額定功率5 kW的光伏并網(wǎng)[8]逆變器。圖6給出了實(shí)驗(yàn)過程中的并網(wǎng)波形，輸出功率約為3 kW，CH4為并網(wǎng)電流波形，CH2為電網(wǎng)電壓波形，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)接近為1。

5 結(jié) 論

本文論述了單相小功率高頻并網(wǎng)逆變器的整體結(jié)構(gòu)，采用具有兩路直流輸入的高頻升壓不隔離結(jié)構(gòu)，控制芯片選用TMS320F28335，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)特性，保護(hù)完善，并網(wǎng)效率高，控制算法中加入了MPPT控制，通過實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)工作可靠，性能穩(wěn)定，輸出滿足并網(wǎng)要求。

圖6 逆變器實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 The experiment wave of inverter

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