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季曉春1,王建華2,嵇保健3,蔡守平1
(1. 安科瑞電氣股份有限公司,上海 201801;
2. 東南大學(xué),電氣工程學(xué)院,江蘇 南京210096;
3. 南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210000;)
Interleaved Flyback Photovoltaic Grid-connected Micro Inverter
JI Xiaochun 1,WEI Shaochong 2,WANG Jianhua3,JI Baojian2,
CAI Shouping1
(1. Acrel Co., Ltd, Shanghai 201801, China;
2. School of Automation & Electrical Engineering, Nanjing University of Technology,
Nanjing Jiangsu 210009, China;
3.School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China;)
摘要:獨(dú)立光伏組件的微型逆變器能有效克服傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)存在的陰影問(wèn)題。詳盡介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器的設(shè)計(jì)、分析及其控制策略。該微型逆變器基于高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)了初、次級(jí)電氣隔離,解決了漏電流問(wèn)題;采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的電壓開關(guān)(ZVS);采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)zui大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問(wèn)題。220W樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案及控制策略的可行性,整機(jī)MPPT效率為99.5%,zui率達(dá)到95%。
關(guān)鍵詞:微逆變器;高頻環(huán)節(jié);zui大功率點(diǎn)跟蹤
Abstract:To overcome the traditional photovoltaic systems have low overall output power caused by the partial mask, proposed a single PV module for a single micro-inverter topology and its control strategies. Using single-stage interleaved flyback converter, In order to overcome problem of flyback transformer primary side leakage,using Active block circuit to absorb the leakage inductance energy, achieving a zero-voltage switching tube switch, increases machine efficiency. Gives a system based on digital signal processor control process, the system uses a variable step size perturbation and observation method to achieve the maximum power point tracking, making each photovoltaic panels working on the maximum power point. Build a experiment prototype to verify the topology and control strategy is feasible solutions.
Keywords: Micro inverter;Flyback;DCM mode;MPPT
1 引言
傳統(tǒng)集中式、組串式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)光伏電池板的串并聯(lián),在有效提高母線電壓后,供給并網(wǎng)逆變器將電能輸送到電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)換效率高,尤其適合于日照較好的電站系統(tǒng)。但在東部城鄉(xiāng)地區(qū),云層及建筑物、樹木遮擋,以及單塊電池板發(fā)生故障等因素,將嚴(yán)重降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電量。配備在每個(gè)光伏組件后面的微型逆變器,通過(guò)對(duì)各組件的獨(dú)立控制使其工作在zui大功率點(diǎn),大大提高了系統(tǒng)抗局部陰影的能力,以及整體發(fā)電量。盡管其成本相對(duì)較高,但模塊化架構(gòu)、高可靠性、高發(fā)電量、安裝方便等點(diǎn)使其為目前分布式光伏發(fā)電的個(gè)重要方向。
在此詳盡介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器設(shè)計(jì)、分析及控制策略。高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了微逆變輸入輸出電壓大升壓比匹配,同時(shí)初次級(jí)電氣隔離解決不了不隔離系統(tǒng)漏電流問(wèn)題;而且基于有源箝位技術(shù)吸收漏感能量,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。系統(tǒng)控制框圖及流程表明采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法能實(shí)現(xiàn)MPPT,輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問(wèn)題。
2 主電路拓?fù)?/STRONG>
2.1 拓?fù)溥x擇
準(zhǔn)單級(jí)式反激逆變器僅有級(jí)的功率變換[4],拓?fù)浜?jiǎn)單,尤其適合低成本應(yīng)用場(chǎng)合的要求。在斷續(xù)模式(DCM)及臨界連續(xù)模式(BCM)下,其呈現(xiàn)電流源特性,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,市目前光伏微逆變器的理想拓?fù)?。由于反激變換器輸出功率有限,在微逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,這里采取如圖1所示交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù):將兩路反激變換器輸入并聯(lián),輸出并聯(lián),原邊的主管交錯(cuò)180度導(dǎo)通以減小輸入輸出電流紋波,同時(shí)公用組輸出極性翻轉(zhuǎn)橋;考慮到反激變壓器漏感的存在,進(jìn)步采取有源鉗位技術(shù)回收漏感,并實(shí)現(xiàn)了主管和輔助管的ZVS,有效減小開關(guān)損耗,提高了電路效率。
圖1 交錯(cuò)并聯(lián)反激型微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
此時(shí)光伏組件經(jīng)過(guò)反激變換器主開關(guān)SPWM高頻調(diào)制,得到包絡(luò)線為單極性工頻正弦半波的輸出電流。交流側(cè)的工頻換向橋驅(qū)動(dòng)時(shí)序跟蹤電網(wǎng)電壓,將前面的單極性工頻正弦半波翻轉(zhuǎn)為正弦波并網(wǎng)電流,與電網(wǎng)電壓同頻同相。
2.2工作模式分析
根據(jù)變壓器的磁通是否連續(xù),可將反激變換器的工作模式分為電感電流連續(xù)模式(CCM)、DCM及BCM 3種。CCM模式下反激逆變器相對(duì)穩(wěn)定性較差,需要妥善處理。目前主流的反激逆變器以DCM及BCM為主,但由于在BCM模式下,需要采用變頻控制,計(jì)算和控制都較為復(fù)雜,因此這里采用DCM。相對(duì)BCM及CCM,DCM的點(diǎn)是恒頻工作,控制簡(jiǎn)單,且了次級(jí)二極管反向恢復(fù)問(wèn)題;缺點(diǎn)是相比CCM此時(shí)勵(lì)磁電感較小,器件峰值電流應(yīng)力較大。
為確保變換器工作在DCM,需其初級(jí)電感Lp即勵(lì)磁電感小于臨界連續(xù)電感值。定義工頻周期Tgrid是高頻開關(guān)周期的2k倍,定義dp為zui大占空比,由于輸入電流大小和占空比成正比,因此每個(gè)開關(guān)周期的占空比也是正弦脈絡(luò)dpsin(iπ/k),則變壓器原邊電流idc的平均值為:
3 控制系統(tǒng)
3.1控制框圖
準(zhǔn)單級(jí)式微逆變器需同時(shí)完成MPPT、鎖相、孤島檢測(cè)和入網(wǎng)電流控制[5][6]。如圖2所示,通過(guò)MPPT計(jì)算提供得到的并網(wǎng)電流的基準(zhǔn)幅值Io大小,從而確保光伏組件以zui大功率向電網(wǎng)傳輸能量。鎖相提供并網(wǎng)電流的相位信息,確保入網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。孤島檢測(cè)是并網(wǎng)逆變器所必須具備的功能,在電網(wǎng)異常情況下關(guān)閉逆變器,確保人員和設(shè)備的。入網(wǎng)電流控制是并網(wǎng)逆變器的核心控制部分,這里通過(guò)采樣輸出電流閉環(huán)控制,確保了高質(zhì)量的并網(wǎng)電流(理論上在DCM下,開環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)電流源并網(wǎng),但其并網(wǎng)電流總諧波含量相對(duì)較高)。
圖2 控制系統(tǒng)
3.2準(zhǔn)單級(jí)式系統(tǒng)MPPT及直流母線電壓控制
MPPT是通過(guò)相應(yīng)的算法,不斷調(diào)整并網(wǎng)電流基準(zhǔn),調(diào)整逆變器輸出功率,從而調(diào)節(jié)光伏組件的輸出功率,使得光伏組件輸出功率zui大。
擾動(dòng)觀察法原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),是MPPT算法中zui常用的方法之。其算法原理是當(dāng)前次的輸出功率與前次的輸出功率作比較,假設(shè)P(k+1)>P(k),那么將光伏輸出電壓基準(zhǔn)繼續(xù)向著這次變化的相同的方向進(jìn)行擾動(dòng);反之,若輸出功率變小,則在下個(gè)周期改變擾動(dòng)的方向,如此進(jìn)行反復(fù)擾動(dòng)、比較直至光伏系統(tǒng)輸出功率達(dá)到zui大。算法流程如圖3所示。擾動(dòng)觀察法步長(zhǎng)的大小決定了算法跟蹤的速度和系統(tǒng)在zui高處附近來(lái)回振蕩的幅度,因此,本文采取種變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法[7],具體方式當(dāng)功率較每小時(shí),擾動(dòng)值C取值加大;當(dāng)功率較大后,適當(dāng)減小擾動(dòng)值C的取值。
圖3擾動(dòng)觀察法算法流程
在準(zhǔn)單級(jí)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中,單純的MPPT 環(huán)無(wú)法保證很好的動(dòng)態(tài)性能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)生外界條件突變或者程序誤判斷時(shí),直流母線電壓會(huì)劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示,在原有的控制基礎(chǔ)上加個(gè)輸入電壓環(huán),防止在MPPT 誤判斷時(shí)直流母線電壓的劇烈震蕩,可以有效防止母線電壓的崩潰,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證上述交錯(cuò)并聯(lián)準(zhǔn)單級(jí)高頻環(huán)節(jié)光伏并網(wǎng)微逆變器方案,在實(shí)驗(yàn)室完成了基于DSP28035控制的220W微逆變器樣機(jī)研制。前級(jí)直流輸入電壓Vpv=35VDC,并網(wǎng)電壓Vo=220VAC,電網(wǎng)頻率fac=50Hz, 主管V1開關(guān)頻率fs=135Khz,濾波電感L1=1mH,光伏組件及交流電網(wǎng)采用光伏模擬器及交流電源模擬。圖4a,b分別為輕載與滿載時(shí)并網(wǎng)電流io的輸出波形,可見(jiàn)io與ug同頻同相,且io波形質(zhì)量都較好;由圖5c可見(jiàn),V1在開通與關(guān)閉前,漏源極電壓為,實(shí)現(xiàn)了V1的ZVS;圖4e給出了變壓器初級(jí)電壓up、次級(jí)電壓us和電流is,ug的波形,驗(yàn)證了工頻翻轉(zhuǎn)橋的可行性。
(a) 輕載輸出
(b) 滿載輸出
(c) 主開關(guān)管波形
(d) 箝位管波形
(e) 變壓器原副邊電壓波形
圖4 實(shí)驗(yàn)波形
圖5給出光伏模擬器測(cè)試的MPPT效果,MPPT效率為99.5%。
圖5 I-U和P-U曲線
圖6a效率測(cè)試曲線進(jìn)步表明微逆變器整機(jī)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均達(dá)到了較高的效率,滿載zui大效率達(dá)到了94%,圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測(cè)試結(jié)果,zui率為95%,并網(wǎng)電流THD小雨1.5%,驗(yàn)證了微逆變器方案的可行性。
圖6 效率曲線及THD測(cè)試
5 結(jié)論
介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器設(shè)計(jì)、分析及控制策略。該微型逆變器具有以下特點(diǎn):基于高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)了初次級(jí)電氣隔離,解決了不隔離系統(tǒng)漏電流問(wèn)題;采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量,實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的電壓開關(guān),減小開關(guān)損耗;采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)zui大功率點(diǎn)跟蹤,基于輸入電壓前饋方法解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問(wèn)題;220W樣機(jī)整機(jī)zui大功率跟蹤效率為99.5%,滿載zui率達(dá)到94%。不考慮輔助電源時(shí),zui率為95%,并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于1.5%。
文章來(lái)源:《電力電子技術(shù)》2014年第6期
參考文獻(xiàn)