獨立光伏逆變器研究進展

張佳祺，秦嶺，王亞芳，胡茂，孔笑笑

(南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通226019)

獨立光伏逆變器研究進展

張佳祺，秦嶺，王亞芳，胡茂，孔笑笑

(南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南通226019)

光伏逆變器是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的主體，其性能直接決定了整個系統(tǒng)能否長期、可靠、高效運行，因此成為各國學(xué)者的研究熱點。主要從提高可靠性、簡化拓撲以及優(yōu)化控制策略等方面對獨立光伏逆變器的研究現(xiàn)狀和成果進行回顧?？蔀檠芯咳藛T確定獨立光伏逆變器的具體研究方向提供一定參考。

獨立光伏發(fā)電；逆變器；高增益；多端口；控制策略

隨著能源危機和環(huán)境污染的日漸加劇，光伏發(fā)電技術(shù)受到各國政府和企業(yè)的廣泛關(guān)注。光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與公共電網(wǎng)相聯(lián)接，可分為獨立運行和并網(wǎng)運行兩種類型。其中，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)在解決偏遠山區(qū)和無電網(wǎng)地區(qū)的供電問題方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此應(yīng)用非常廣泛。

圖1給出了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖1中，陰影部分為獨立光伏逆變器?？梢姽夥孀兤魇仟毩⒐夥l(fā)電系統(tǒng)的主體，其可靠性、效率、成本、體積和質(zhì)量等因素直接決定了整個系統(tǒng)的性能，因此成為各國學(xué)者的研究熱點。本文主要從提高可靠性、簡化拓撲以及優(yōu)化控制策略等方面對近年來獨立光伏逆變器的研究現(xiàn)狀和成果進行介紹。

1 提高蓄電池使用壽命

由于光伏電池的輸出功率受光強和環(huán)境溫度的影響變化很大，因此獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能，如圖1所示。蓄電池價格昂貴，其成本在整個獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中占很大比重。為此，研究人員提出了各種控制策略和新型拓撲，來努力提高蓄電池的使用壽命。

眾所周知，蓄電池的過充或者過放會導(dǎo)致使用壽命的急劇下降。在蓄電池充滿電時，啟用備用死負荷可以有效防止蓄電池過充，但是造成極大的能量浪費。文獻[1]提出：在蓄電池沒有充滿時，光伏電池輸出最大功率；蓄電池滿電時，系統(tǒng)脫離MPPT模式，進入直流母線電壓控制模式，這樣可以有效防止蓄電池過充，提高蓄電池的壽命。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

此外，由于光強和負載需求的間歇性特性，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池需要在充電和放電兩種狀態(tài)下頻繁的快速切換，以滿足功率守恒的要求；而且，逆變器輸出瞬時功率中含有二倍工頻分量，而MPPT控制下光伏電池的輸出功率恒定，這兩者的瞬時功率不平衡，也會導(dǎo)致蓄電池頻繁的充放電。頻繁、快速的大電流充放電同樣會縮短了蓄電池的使用壽命。

在逆變器直流側(cè)并聯(lián)大容量電解電容，可以緩解瞬時功率不匹配的問題，對蓄電池起到一定的保護作用。但是，電解電容壽命較短，這嚴重影響了逆變器的整體壽命。超級電容的出現(xiàn)帶來了新的解決思路。超級電容能夠在短時間內(nèi)提供或吸納很大的功率，且充放電次數(shù)可達50萬次，非常適合頻繁的充放電。因此，圖2所示的蓄電池和超級電容混合儲能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)可以有效延長電池壽命。

2 多端口逆變器

由圖2可見，獨立光伏逆變器具有三個以上端口：光伏端口、儲能裝置端口(蓄電池和超級電容)、負載端口，每個端口都連接1個變換器，因此系統(tǒng)體積、質(zhì)量較大，且存在開關(guān)元件多，效率低等缺點。

圖2 蓄電池和超級電容混合儲能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)集成度且能滿足低花費、高可靠性的要求，文獻[2]構(gòu)建了以雙繞組逆變電路和雙向電池充放電電路為主體的新型三端口光伏逆變器。其具有元器件少、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，然而兩個高頻變壓器的存在并沒有實現(xiàn)負載端與電池端、光伏端的隔離，反而導(dǎo)致了系統(tǒng)效率降低。文獻[3]提出的三端口光伏逆變器如圖3所示?？梢姡淝凹塂C-DC環(huán)節(jié)為改進型PWM半橋變換器，而后級采用周波變換器。該逆變器通過不對稱控制實現(xiàn)了S1-S3的ZVS，而周波變換器工作在工頻下，因而整個系統(tǒng)效率很高。

圖3 基于改進型半橋變換器的三端口獨立光伏逆變器

七開關(guān)混合儲能單相獨立光伏逆變器，如圖4所示。圖4中，DC-AC部分和DC-DC部分共享開關(guān)管S2和S5，相較于傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)，變換器級數(shù)和開關(guān)管數(shù)目都大為減少。

圖4 四端口獨立光伏逆變器

3 高增益逆變器

3.1 多級式高增益逆變器

交流用電設(shè)備供電電壓為220 V市電，這就要求逆變環(huán)節(jié)直流側(cè)電壓在360～400 V之間，而光伏電池模塊和蓄電池的輸出電壓均較低(<48 V)。將太陽電池模塊或者蓄電池多個串聯(lián)，可以抬高直流電壓，但這帶來了系統(tǒng)安全性降低、多峰效應(yīng)、蓄電池組均壓控制難以實現(xiàn)等諸多問題。較為合理的方案是設(shè)計高增益逆變器來獲得較高的直流電壓。

高增益逆變器可分為多級式和單級式兩類。多級式高增益逆變器可以分為兩個組成部分：前級為高增益DC-DC變換器，其完成光伏電池電壓到直流鏈電壓的泵升；后級為逆變橋，其實現(xiàn)傳統(tǒng)的無源逆變器功能。

已見報道的高增益DC-DC變換技術(shù)主要分為：(1)多個Boost變換器級聯(lián)或交錯并聯(lián)[4]；(2)采用升壓式高頻隔離變壓器[5]；(3)采用二極管和電容的電壓舉升單元、開關(guān)電容或電壓乘法單元[6]；(4)采用耦合電感[7]。采用多變換器級聯(lián)或升壓式高頻隔離變壓器，可有效提高直流增益，但增加了系統(tǒng)的級數(shù)，導(dǎo)致效率嚴重下降。基于二極管和電容的倍壓電路增益有限，需要采用多個開關(guān)電容單元才能獲得更高升壓增益，這增加了電路復(fù)雜度和成本。而基于耦合電感的高升壓增益DC-DC變換器的輸入電流紋波較大，且耦合電感的漏感導(dǎo)致很大的電壓尖峰。

3.2 單級式高增益逆變器

多級逆變器結(jié)構(gòu)清晰，控制簡單，但元器件數(shù)量較多，且效率隨著變換級數(shù)的增加迅速降低。為了降低成本并提高效率，眾多學(xué)者把研究目光投向單級式高增益逆變器。

Z源逆變器的交流輸出電壓幅值可高于直流輸入電壓，因此可歸為單級式高增益逆變器[8]。然而，Z源逆變器通過控制橋臂直通零矢量來調(diào)節(jié)母線電壓，升壓范圍有限，過大的直通占空比會減小調(diào)制比和輸出電壓幅值。文獻[9]提出一種耦合電感單級升壓逆變器，其在常規(guī)逆變器的輸入端引入一個耦合電感升壓網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。該逆變器通過設(shè)計合理的耦合電感匝比和控制逆變橋臂直通占空比來實現(xiàn)高升壓，且輸出電壓變化范圍大。

圖5 耦合電感單級升壓逆變器

此外，將升壓變換器與全橋型逆變器進行集成，也可以得到單級式高增益逆變器。Buck-Boost集成全橋型逆變器，如圖6所示。該逆變器同樣可以顯著提高電壓增益，且具有效率高和結(jié)構(gòu)簡潔的特點。進一步總結(jié)單相集成逆變器的5種拓撲：Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta、Sepic逆變器。

圖6 Buck-Boost集成全橋型逆變器

Slobodan Cuk和R.W.Erickson依據(jù)推挽電路的原理，提出了雙Cuk組合式逆變器[10]。與此類似，研究人員還相繼提出了雙Buck-Boost逆變器[11]、雙Boost逆變器[12]。這類逆變器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，其輸出電壓是由兩個相差180°含直流偏置正弦電壓疊加而成，且具有升壓特性，非常適合光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖7 組合DC/DC逆變器結(jié)構(gòu)

4 多電平逆變器

與傳統(tǒng)的二電平逆變器相比，多電平逆變器降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力，提高了輸出波形質(zhì)量，具有THD小、EM I低、效率高的特點，能夠很好地滿足光伏發(fā)電的要求，因此成為國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界研究和應(yīng)用的熱點。目前，多電平逆變器有二極管鉗位(NPC)[13]、飛跨電容、H橋級聯(lián)[14]等結(jié)構(gòu)，其普遍存在使用器件過多，控制和驅(qū)動電路復(fù)雜等問題。

5 控制策略

5.1 蓄電池充電

常用的蓄電池充電方法有恒流充電、恒壓充電、3階段充電等方法。其中，3階段充電方法綜合恒流充電法與恒壓充電法的優(yōu)點，更適合于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。但是，該充電方法下系統(tǒng)長時間工作在欠充狀態(tài)，導(dǎo)致蓄電池的活性降低，直接影響蓄電池的充電效率與工作壽命[15]。

文獻[16]提出一種基于放電脈沖的3階段充電法。這種方法能夠與光伏電池MPPT控制有效的協(xié)調(diào)，使兩者處于最佳工作狀態(tài)，有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，而且能夠提高蓄電池的充電速度。此外，在充電過程中實時地采集電池電壓、電流、溫度等信號，實時監(jiān)控電池荷電狀態(tài)，應(yīng)用智能控制算法(如模糊控制)進行優(yōu)化控制，使充電電流始終保持在可接受電流附近，可以大大縮短充電時間而不對蓄電池本體造成損害。

5.2 逆變器控制

獨立光伏逆變器通常采用輸出電壓平均值(或有效值)、輸出電壓瞬時值和電感電流瞬時值多環(huán)控制結(jié)構(gòu)，且一般采用PID控制器進行校正。該控制方法易于實現(xiàn)具有較強的抗短路能力，但是帶寬有限，難以同時滿足穩(wěn)態(tài)精度和快速性要求，導(dǎo)致在非線性負載下輸出電壓波形容易畸變。電容電流控制技術(shù)具有良好的外特性和非線性負載能力，能夠很好地解決上述缺點，但是短路保護能力不足[17]。為了使逆變器獲得更快的響應(yīng)速度和跟蹤精度，有必要進一步優(yōu)化控制策略。近些年來，隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合控制、滑膜控制、模糊控制等非線性控制技術(shù)在獨立光伏逆變器中得到應(yīng)用。研究表明，基于這些控制方法的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)可以具有穩(wěn)暫態(tài)性能好、可靠性高的優(yōu)點。

5.3 能量管理

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)使用蓄電池和超級電容來存放和調(diào)節(jié)電能。為了維持發(fā)電與用電平衡，保證系統(tǒng)工作正常，系統(tǒng)需要在MPPT模式、穩(wěn)壓模式、限流模式之間頻繁地切換[18]。由于各工作模式的控制方式有所區(qū)別，就需要能量管理控制器對各工作模式分別控制。協(xié)調(diào)控制以及能量管理是目前應(yīng)用中的熱點問題，直接影響?yīng)毩⒐夥l(fā)電系統(tǒng)的成本、壽命周期和效率等，但目前還沒有較成熟的方法。文獻[19]提出一種集PV輸出功率、蓄電池充放電與負載功率獲取控制于一體的統(tǒng)一能量控制策略，實現(xiàn)系統(tǒng)能量平滑流動，簡化了控制算法，降低了控制器的成本。文獻[20]提出一種將儲能系統(tǒng)總負荷功率濾波后，采用電流滯環(huán)控制蓄電池的充放電、超級電容提供差值功率的新型能量管理方案，以優(yōu)化對混合儲能系統(tǒng)的管理。文獻[21]提出了一種混合儲能功率控制方法，其基于二級低通濾波，并根據(jù)頻譜圖確定濾波時間常數(shù)，結(jié)合超級電容和電池各自的儲能特點，設(shè)置電池充放電功率限值，對濾波輸出功率進行修正。

6 結(jié)論

本文從簡化系統(tǒng)拓撲、優(yōu)化系統(tǒng)控制、提高系統(tǒng)可靠性的角度，對獨立光伏逆變器的研究現(xiàn)狀進行了簡單介紹。本文有助于研究人員大致了解獨立光伏逆變器的研究熱點和進展，為確定科研方向提供一定參考。

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Review of stand-alone photovoltaic inverter

ZHANG Jia-qi，QIN Ling，WANG Ya-fang，HU Mao，KONG Xiao-xiao
(SchoolofElectrical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China)

Photovoltaic(PV)inverter is the main part of stand-alone PV generation system，and its performance directly determ ine the reliability，efficiency and lifetime of the whole system.Therefore，itbecomes hotspotwhich scholars research on.From the aspects of im proving reliability，simp lifying topology and optim izing control strategy，the difficulties in the research area of stand-alone PV inverters were introduced，and the progresses were reviewed. Itprovides a guideline for researchers to selectpossible research orientation in future.

stand-alone photovoltaic generation;inverter;high gain;multiple ports;controlstrategy

TM 914

A

1002-087X(2016)07-1532-04

2015-12-05

國家自然科學(xué)基金項目(51207075)；南通市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(GY12015007)

張佳祺(1989—)，男，江蘇省人，碩士生，主要研究方向為高增益獨立光伏逆變技術(shù)。