单相双级式光伏并网逆变器

单相双级式光伏并网逆变器

张厚升，赵艳雷

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

摘要：分析了单相双级式光伏并网系统的工作原理，使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线，并对其可行性进行了理论分析。提出了一种改进的变步长占空比扰动法，提高了系统的快速性和高效性。详细分析了以DSP 为核心的单相光伏并网逆变器的并网策略，设计了并网逆变器的电压、电流双闭环控制系统。其中外环为直流电压控制，控制并网逆变器直流输入端电压稳定；内环为并网电流控制，控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相。在锁相跟踪控制中，提出了一种软硬件相结合的改进方法，可有效提高跟踪锁相的精度。实验结果表明所设计的并网逆变器能够实现最大功率点跟踪，并能实现输出电流精确跟踪电网电压，功率因数可达0.998。

关键词：太阳能电池；最大功率点跟踪；并网逆变器；锁相环；双闭环控制；DSP 中图分类号：TM 615文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2010）08－0095－05收稿日期：2009－11－30；修回日期：2010－0

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电力自动化设备

Electric Power Automation Equipment

Vol．30No .8Aug.2010

第30卷第8期2010年8月

T R

L

L 2

太阳能图1DSP 控制的单相双级式光伏并网系统

Fig.1Single -phase double -stage photovoltaic grid -connected inverter controlled by DSP

L 1

太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一［1］。太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展［2］。此外，高性能的数字信号处理器（DSP ）的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本文在此背景下，对太阳能并网发电系统中的核心部分即最大功率点跟踪MPPT （Maximum Power Point Tracking ）和并网控制策略进行了较为深入的研究。

太阳能电池是一种非线性电源，而且输出电能受光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池能够最大效率地将太阳能转化为电能，需要对其进行MPPT ［3-4］。然而由于光照强度、环境温度等条件的不可控，变化周期长，在太阳能电池系统中研究MPPT 控制有众多不便［5-6］，而且直接使用太阳能电池进行实验存在时间长、费用高等缺点。如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性，使其在实验室环境下也能方便、快捷地进行实验研究，同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率的输出是本文要解决的一个问题。同时，为了实现逆变器输出电流与

电网电压完全同相，达到功率因数为1的目的，文中分析了光伏并网逆变器的控制方式及其电压、电流双闭环控制的原理，同时对改进的同步锁相环进行了分析，最后给出了实验结果。

1单相双级式光伏并网系统

图1为所设计的以TMS320LF2407型DSP 为控制核心的双级式光伏并网系统。系统由光伏阵列、DC ／DC 变换环节、DC ／AC 逆变环节、隔离变压器以及负载（电网）组成。其中，DC ／DC 变换环节完成光伏阵列的MPPT 控制，而DC ／AC 环节完成直流到交流的逆变，对于并网系统而言，还要完成系统的并网运行。前级DC ／DC 变换器采用Boost 升压电路，由开关管V T1、二极管V D1、电感L 1、电容C 1组成。在开关管V T1导通时，二极管V D1反偏，太阳能电池阵列向电感L 1存储电能，电感电流逐渐增加；当开关管V T1关断时，二极管V D1导通，由电感L 1和电池阵列共同提供能量，向电容C 1充电，电感电流逐渐减小。直流母线电压U o 、电池阵列输出电流I i 的调节，只要根据输入电压调节开关管V T1的占空比d 即可完成。后级

第30卷

电力自动化设备

DC ／AC 逆变器采用全桥逆变，功率器件V T2～V T5组成逆变桥，V D2~V D5是对应的反向并联二极管，起反向续流的作用。主电路采用工频变压器T R 来保证逆

变电压和电网电压的匹配，并且使得电网电压和发电系统相互隔离［7］。

在光伏并网系统中，太阳能电池板输出额定电压为50~100V 的直流电，通过DC ／DC 变换器转换为400V 的直流电，然后经过DC ／AC 逆变器得到220V ／50Hz 的交流电，保证了并网电流与电网电压的同频、同相。为了便于实现MPPT 的控制方案，采用同一块控制芯片TMS320LF2407A （简称F2407）进行协调控制，这不仅可以保证并网系统的可靠运行，而且还能提供高品质的并网电流。

2

太阳能电池的特性及其模拟实现电路

2.1

太阳能电池的特性

太阳能板由很多的太阳能电池板组成，而每一个太阳能电池都是一个P -N 截面的半导体，并且直接将光能转换成电能输出，因此可以假设太阳能板经由光照射之后，自己产生一独立电流源供给负载。太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响［8］，如图2所示，图中MPP 为太阳能电池最大功率点。

由图2可见，当太阳能电池的输出电压或电流最大时，其输出功率均很小。在一定的光照强度和环境温度下，只有使其工作在特定的电压（电流）下，才能输出最大功率。故太阳能电池可等效为一个电压随光照强度、环境温度变化且等效内阻随外接负载电阻变化的电压源。为提高太阳能电池的利用效率，应使其工作在最大功率点。

2.2

太阳能电池特性的模拟实现电路

在实验室环境下，直接使用太阳能电池进行实验存在着时间长、费用高等缺点。为了方便、可靠地对太阳能电池进行MPPT 实验，可使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线［5］。实验电路如图3所示。图中虚线框内为模拟的太阳能电池，它由一个直流电源U s 和一个可变电阻R 1组成，电压U i 就是模拟太阳能电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路，其中DC ／DC 变换器选用Boost 变换器。从变换电路看，DC ／DC 变换器常采用的基本电路有Buck 和Boost 电路，但Buck 电路的输入电流不连续。对光伏发电系统而言，如果光伏阵列的输出电流不连续，将损失一部分能量。同时，多数光伏阵列的输出电压较低，而大多数负载都需在较高电压等级上工作，因此具有电压提升功能和输入电流能连续工作的Boost 电路更适合作为双级式光伏系统的MPPT 控制器。

图3中U i 和U o 是变换器的输入电压和输出电压，I i 是平均输入电流，R 2是负载。设d 是变换器的占空比，假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程中无功率损耗［4］，由Boost 电路输入／输出的电压关系可知：

U o =U i ／（1－d ）

（1）U i I i =U 2o ／R 2

（2）令

R eq =U i ／I i

（3）由式（1）~（3）可得：R eq =（1－d ）2R 2。可将Boost 变换器和负载看作是一个等效可变电阻R eq ，其大小随占空比d 和负载R 2变化而变化。如果用P 表示模拟太阳能电池的输出功率，对于整个系统有

P =U i U s ／（R 1＋R eq ），U i =R eq U s ／R 1＋R eq

（4）由式（4）可以得到模拟太阳能电池的输出功率关系式：

P =-U 2i ／R 1+U s U i ／R 1

（5）当U i =U s ／2时，有最大功率输出：

P max =U 2s ／（4R 1）

（6）根据式（5）绘制出模拟太阳能电池的P-U 曲线，如图4所示。该曲线与太阳能电池的P-U 曲线特性相似，说明使用本方法代替太阳能电池进行试验是可行的。

543210

5

1015

202530354045U ／V

I ／A （a ）输出电压-电流特性曲线

MPP

1000W ／m 2800W ／m 2600W ／m 2400W ／m 2200W ／m 2

150

10050

5

1015

202530354045U ／V

P ／W

（b ）输出电压-功率特性曲线

MPP

1000W ／m 2800W ／m 2

6

00W ／m 2

400W ／m 2200W ／m 2

图2典型太阳能电池板的输出特性曲线

Fig.2Output characteristic curves of

typical photovoltaic module

+

-R 1

U s

+-I i

V D

L 1V T1

C 1+-R 2

U o

太阳能电池模拟器

DC ／DC 变换器

隔离、驱动

PWM

PI

-

+MPPT

U i I i

图3基于Boost 变换器的光伏电池

最大功率跟踪模拟器

Fig.3MPPT simulator for PV module

based on Boost converter

U i