0 引言

    光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的集中式發(fā)電，是將許多緊密相連的太陽(yáng)能電池板分組串聯(lián)，再將不同的串聯(lián)電池組并聯(lián)起來(lái)形成電池陣列，進(jìn)行集中發(fā)電^[1]，當(dāng)存在局部陰影或碎礫等遮蔽太陽(yáng)能電池板時(shí)，會(huì)因日照不均等因素導(dǎo)致光伏電池板輸出功率下降，光伏發(fā)電系統(tǒng)整體的輸出功率也會(huì)大幅度降低^[2]。光伏微型逆變器是一種轉(zhuǎn)換直流從單一太陽(yáng)能電池組件至交流電的裝置，即每個(gè)光伏電池模塊均配備一個(gè)逆變器及轉(zhuǎn)換器，每個(gè)組件均能進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)換^[3]，能夠在面板級(jí)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，最近幾年，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，吸引了國(guó)內(nèi)外大部分專家的深入研究^[4]。

    反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因本身的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有電氣隔離等優(yōu)勢(shì)，是微型逆變器現(xiàn)在最為廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)輸出電流和并網(wǎng)電壓同頻同相、功率因數(shù)接近為1，在光伏并網(wǎng)的過(guò)程中，逆變器的輸出功率通常含有兩倍的工頻脈動(dòng)，而MPPT的輸出功率一般為恒定值，導(dǎo)致兩者的瞬時(shí)功率不平衡，一般的解決方法是在光伏電池板兩端并聯(lián)一個(gè)電解電容來(lái)解決，但是解耦電容的壽命有限，使之成為了影響微型逆變器壽命的最大因素。

    本文提出了一種交錯(cuò)反激式微型逆變器的功率解耦電路,并且通過(guò)在MATLAB仿真平臺(tái)建立微型逆變器模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，該功率解耦電路可以有效地降低解耦電容的紋波，減小電解電容值。

1 反激式微型逆變器的功率解耦電路

1.1 反激式微型逆變器

    反激型光伏并網(wǎng)微型逆變器輸入端接光伏電池板，由于光伏電池板輸出電壓較低，需要前級(jí)的DC-DC升壓電路來(lái)進(jìn)行升壓，所以這部分使用具有電氣隔離、升壓、儲(chǔ)能的多重作用的反激變壓器^[5]，其匝比為1：n，開(kāi)關(guān)管則使用MOSFET，反激變壓器副邊則產(chǎn)生正弦饅頭波；后級(jí)采用的是經(jīng)典的全橋逆變，將前級(jí)輸出的電流進(jìn)行極性翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相的并網(wǎng)電流；并在并網(wǎng)側(cè)使用LC濾波對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波濾除，使總諧波的畸變率滿足并網(wǎng)要求，即THD<5%。反激式微型逆變器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    在微型逆變器進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，通過(guò)計(jì)算逆變器輸出側(cè)的功率可知，其瞬時(shí)功率是工業(yè)頻率的2倍，但是由最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略可以得到功率應(yīng)該是一個(gè)定值，所以，這就發(fā)生了瞬時(shí)功率與工業(yè)頻率未達(dá)到平衡，這種現(xiàn)象一般的解決方案是在光伏電池側(cè)并聯(lián)一個(gè)較大容量的電解電容來(lái)使光伏電池的輸出電壓可以更加平穩(wěn)，即實(shí)現(xiàn)功率解耦。但是，并聯(lián)的電解電容的壽命卻低于光伏電池的壽命，這樣就使整個(gè)光伏并網(wǎng)微型逆變器的壽命降低，進(jìn)而使微型逆變器的效率大大降低。為了提高微型逆變器的壽命和效率，功率解耦電路的研究越來(lái)越重要。

1.2 微型逆變器功率解耦基本原理

    如圖1所示反激式微型逆變器結(jié)構(gòu)，其中I_ac為并網(wǎng)電流值，U_ac為并網(wǎng)電壓值，在整個(gè)光伏并網(wǎng)逆變過(guò)程中，光伏電池的輸出功率P_pv始終為一定值，如式(1)所示：

    因P_ac1=P_pv，所以，解耦功率就是余下2倍的工頻脈動(dòng)，如式(5)所示：

    一般情況下，解耦元件選擇電解電容，當(dāng)P_pv大于P_ac時(shí)，將多出來(lái)的功率存儲(chǔ)在解耦電容里；當(dāng)P_pv小于P_ac時(shí)，解耦電容通過(guò)放電來(lái)補(bǔ)充輸出所需要的功率。

    解耦電容和其電壓U_av、電壓紋波ΔV的關(guān)系如式(6)所示：

    設(shè)定P_pv=120 W、U_pv=36 V，電網(wǎng)的頻率是50 Hz，由式(7)和式(8)可得U_av、ΔV、C_d之間的關(guān)系，如圖2所示。

    在光伏電池側(cè)的解耦電容的值的選取與平均電容電壓和其電壓的紋波大小有很大關(guān)系，當(dāng)電壓的紋波越來(lái)越大，相應(yīng)的電容的值就要減小，但同時(shí)光伏電池轉(zhuǎn)換效率會(huì)相應(yīng)降低，導(dǎo)致并網(wǎng)電流的諧波變大，所以為了提高逆變系統(tǒng)的整體效率，就需要在光伏電池側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容來(lái)進(jìn)行解耦，適當(dāng)?shù)丶右粋€(gè)功率解耦電路即可減小解耦電容的容量。

1.3 微型逆變器功率解耦電路的研究

    目前逆變器使用的功率解耦電路主要有三種：

    (1)光伏電池側(cè)解耦，即在光伏電池的輸出側(cè)并聯(lián)一個(gè)解耦電路，當(dāng)光伏電池輸出的能量過(guò)剩時(shí)，可以通過(guò)解耦電路對(duì)解耦電容進(jìn)行充電，當(dāng)光伏電池輸出的功率不能達(dá)到并網(wǎng)的要求時(shí)，解耦電容可以進(jìn)行放電，并且將能量傳遞給變壓器副邊來(lái)補(bǔ)充光伏電池缺少的功率^[5]。

    (2)三端口功率解耦電路因其所需元器件數(shù)量較少、體積較小，得到了大量應(yīng)用，其中三端口中的一個(gè)端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT,使光伏電池可以始終工作在最大功率點(diǎn)，一個(gè)端口用于實(shí)現(xiàn)功率解耦，另一個(gè)端口進(jìn)行并網(wǎng)電流的控制^[6]。

    (3)兩級(jí)式功率解耦一般是前級(jí)采用Boost升壓電路，后級(jí)的全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制，其中Boost升壓電路使光伏電池的輸出電壓紋波減小^[7]，若后級(jí)逆變電路使用有源嵌位軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，則能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。

    由以上的分析可得，光伏電池側(cè)并聯(lián)一個(gè)解耦電路的方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所使用的元器件較少，各個(gè)開(kāi)關(guān)管所受電壓電流應(yīng)力也相對(duì)較小，因此本文設(shè)計(jì)了在光伏電池側(cè)并聯(lián)一種改進(jìn)型解耦電路的微型逆變器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中功率解耦部分如圖3所示，主要包括阻流、續(xù)流二極管D1和D2、開(kāi)關(guān)管S1、S2、電感L_h和電解電容C_o，且根據(jù)光伏電池的輸出功率可將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路分為兩個(gè)工作模式。

    模式1：微型逆變器的輸入功率P_pv大于其輸出功率P_ac，此時(shí)開(kāi)關(guān)管S1、Sm導(dǎo)通，反激變壓器的原邊電流上升，存儲(chǔ)能量，解耦電路部分的電感也在不斷存儲(chǔ)能量；開(kāi)關(guān)管Sm關(guān)斷后，反激變壓器原邊存儲(chǔ)的能量向副邊傳遞，經(jīng)過(guò)后級(jí)的全橋逆變進(jìn)行極性翻轉(zhuǎn)濾波器濾波后饋送給電網(wǎng)。

    模式2：微型逆變器的輸入功率P_pv小于其輸出功率P_ac，反激變壓器開(kāi)關(guān)管Sm導(dǎo)通，反激變壓器的原邊電流繼續(xù)上升達(dá)到峰值，存儲(chǔ)能量；隨后開(kāi)關(guān)管S2導(dǎo)通，此時(shí)功率解耦部分的解耦電容放電，二極管D1用來(lái)防止解耦電容向光伏組件充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷時(shí)，反激變壓器存儲(chǔ)的能量向副邊傳遞，經(jīng)過(guò)后級(jí)的逆變電路輸送到電網(wǎng)。

2 帶功率解耦電路的微型逆變器系統(tǒng)控制策略

    本文將反激式微型逆變器的工作模式選定在斷續(xù)模式。系統(tǒng)的控制框圖如圖4所示，光伏電池板的輸出電壓和輸出電流經(jīng)過(guò)MPPT環(huán)節(jié)，輸出電壓參考信號(hào)和光伏電池板的電壓進(jìn)行比較后，經(jīng)過(guò)PI控制來(lái)穩(wěn)定光伏板的輸入電壓，得到電流幅值的參考信號(hào)與經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)得到的并網(wǎng)電壓的相位來(lái)使輸出電流與并網(wǎng)電壓同頻同相，再將調(diào)制波與三角波進(jìn)行調(diào)制得到前級(jí)DC-DC升壓電路開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 仿真分析

    為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的功率解耦電路在微型逆變器中的實(shí)用性，在MATLAB軟件中的Simulink模塊中搭建了基于交錯(cuò)反激拓?fù)涞奈⑿湍孀兤鞣抡婺Ｐ停Ｐ椭饕獏?shù)為：開(kāi)關(guān)頻率 100 kHz、光伏電池板輸入電壓 40 V、兩個(gè)反激變壓器匝比1：6、LC濾波器電感4 mH、LC濾波器電容0.3 μF、電網(wǎng)頻率50 Hz，功率解耦電路的主要參數(shù)為解耦電容35 μF、電感460 μH、原邊變壓器勵(lì)磁電感5 μH，仿真模型如圖5所示。

    在MATLAB軟件中對(duì)未加入功率解耦電路的微型逆變器仿真模型進(jìn)行仿真，得到的波形如圖6所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)光伏電池的輸出功率波動(dòng)很大，且有二次功率擾動(dòng)；當(dāng)加入功率解耦電路，得到的波形如圖7所示，可見(jiàn)，加入功率解耦電路后光伏電池的輸出紋波和擾動(dòng)均有減小。如圖6、7所示微型逆變器的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓通過(guò)并網(wǎng)電流控制和鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，且通過(guò)計(jì)算并網(wǎng)電流的總諧波畸變率可得THD為1.96%，如圖8所示，滿足并網(wǎng)要求，微型逆變器可以較好的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

4 結(jié)論

    文在詳細(xì)介紹交錯(cuò)反激式微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成、工作過(guò)程及功率解耦的基本原理基礎(chǔ)上，對(duì)三類功率解耦電路做了簡(jiǎn)單的對(duì)比分析，并提出了一種功率解耦電路，經(jīng)過(guò)在MATLAB軟件中搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出了本文提出的功率解耦電路在小功率場(chǎng)合可以有效地抑制二次功率擾動(dòng)的問(wèn)題，減少解耦電容容量，提高微型逆變器的壽命；控制策略也可以達(dá)到并網(wǎng)要求，并網(wǎng)電流有較小的畸變率。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙杰，胡學(xué)龍.微型光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2013(7)：1-8.

[2] 高文祥，王明渝，王立健，等.光伏微型逆變器研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012(21)：147-155.

[3] 李朵.一種應(yīng)用于光伏并網(wǎng)微型逆變器的功率解耦技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[4] MENESES D，GARC?魱A O，ALOU P，et al.Forward microinverter with primary-parallel secondary-series multicore transformer[C]//2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition-APEC 2014，F(xiàn)ort Worth，TX，2014：2965-2971.

[5] 胡海兵，王萬(wàn)寶，吳紅飛，等.具有功率解耦功能的三端口反激式單級(jí)光伏微型逆變器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013(12)：47-54，185.

[6] 王曉.帶功率解耦微型光伏逆變器研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[7] 孫玉巍.交錯(cuò)反激式光伏并網(wǎng)微逆變器研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

作者信息:

胡林靜，于士航

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010080）