单相光伏并网微型逆变器设计

Abstract :A photovoltaic (PV )grid ⁃connected microinverter suitable for a single PV module and the topological structure mainly consists of interleaved flyback converter ,full ⁃bridge inversion circuit and LC filter circuit.The working principle and realization conditions of flyback converter is analyzed ;the digital signal controller is adopted to realize soft switching control of the interleaved flyback inverter ,reduce the switching loss of power devices and improve the conversion efficiency of electrical

energy of inverter ;the improved perturbation and observation (P &O )method based on variable step size is employed to resolve the conflict between tracking velocity and control precision.The prototype test is conducted to verify that the single ⁃stage grid ⁃connected PV microinverter has the following advantages :small volume ,low output harmonic content ,high power density and good electromagnetic compatibility (EMC ),etc.

Key words :distributed generation ;PV module ;PV grid ⁃connected inverter ;flyback converter ;full ⁃bridge inversion circuit ;LC filter circuit ;digital signal controller ;maximum power point tracking (MPPT )

摘

要:设计一种适用于单个光伏组件的光伏并

网微型逆变器,拓扑结构主要包括交错并联反激变换器、全桥反转电路和LC 滤波电路。分析反激逆变器的工作原理和实现条件;采用数字信号控制器实现交

错并联反激逆变器的软开关控制,可减小功率器件开关损耗,提高逆变器电能转换效率;改进的变步长扰动观察法,解决跟踪速度与控制精度之间的矛盾。通过样机实验验证设计的单级式光伏并网微型逆变器具有体积小、输出谐波含量低、功率密度高和电磁兼容性好等优点。

关键词:分布式发电;光伏组件;光伏并网逆变器;反激变换器;全桥反转电路;LC 滤波电路;数字信号控制器;最大功率点跟踪

中图分类号:TM464

文献标识码:A

doi :10.3969/j.issn.1003-8493.2018.10.009

0引言

随着传统能源的日益枯竭,环境污染的加剧,促进了新能源的快速发展,其中光伏发电是新能源应用领域的重要形式之一[1]。

传统的组串式光伏发电系统是由多个光伏组件构

成的光伏阵列产生高压直流电,再经过光伏并网逆变器转换为交流电并入电网,当部分光伏组件被遮挡时,会引起光伏组件的热斑效应,降低整个光伏发电系统的效率,并且这种逆变器体积较大,还要为系统散热增加风扇[2,3]。分布式光伏并网发电是每块光伏组件连接一个光伏并网微型逆变器组成的光伏发电系统,独立的最大功率点跟踪可降低由于光伏组件和逆

Design of Single ⁃phase Photovoltaic Grid ⁃connected Microinverter

JI Deming (Zhejiang Envertech (Shanghai )Corporation Limited ,Shanghai 201100,China )

REN Yifeng LI Xin (School of Electrical and Control Engineering ,

North University of China ,Taiyuan 030051,China )

汲德明(浙江恩沃新能源科技(上海)有限公司,上海市201100)任一峰

李昕(中北大学电气与控制工程学院,太原市

030051)

单相光伏并网微型逆变器设计

*:中北大学研究生科技立项项目,项目名称:非隔离双向充放电储能装置设计,项目编号:20171473。

作者信息

汲德明,男,浙江恩沃新能源科技(上海)有限公司,工程师。任一峰,男,中北大学电气与控制工程学院,教授,副院长。李昕,男,中北大学电气与控制工程学院。

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BUILDING

ELECTRICITY

图1光伏并网逆变器拓扑结构

Fig.1

Topological structure of PV grid ⁃connected inverter

变器功率不匹配而产生的功率损耗,采用单级交错并联反激变换器减小了变压器和滤波器的体积,适合在建筑物屋顶建立小型光伏发电系统[4,5]。

反激变换器具有开关器件较少、控制方式简单、

体积小和成本低等优点,在中小功率的开关电源中得到广泛应用,因此反激变换器适用于小功率的光伏并网微型逆变器[6,7]。采用数字信号控制器(Digital Signal Control ,DSC )结合软件锁相环(Soft Phase Locked Loop ,SPLL )技术可将电网电压钳位,当反

激变换器工作在断续电流模式(Discontinuous Current Mode ,DCM )或临界电流模式(Boundary Current Mode ,BCM )时,光伏并网逆变器呈现电流源特性,向电网输送电能,这种电流开环控制方式能进一步减小逆变器的体积和降低硬件电路成本,成为当前光伏并网微型逆变器研究的热点之一[8]。

以NXP 公司的32位浮点型DSC 为控制核心,

设计了一套额定功率为300W 的光伏并网微型逆变器,最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ,MPPT )算法和SPLL 均由DSC 实现。通过MPPT 可计算逆变器并网功率的基准值;SPLL 可实现逆变器输出电流对电网电压幅值和电角度的跟踪;根据并网功率、电网电压幅值和电角度,由DSC 进行实时运算,可得到反激变换器功率开关管的开关周期和占空比,从而实现逆变器并网功率的控制。最后通过样机试验证明本文设计的光伏并网微型逆变器符合GB /T 30427-2013《并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法》的并网标准[15]。

1系统拓扑结构和控制策略

1.1拓扑结构

本文设计的光伏并网微型逆变器拓扑结构如图1所示。其中,PV 为光伏组件,C in 为解耦电容,N P1、N S1及N P2、N S2分别为反激变压器T 1和T 2的初级、次级绕组,Q 1、Q 2分别为T 1、T 2的主开关管,D 1、D 2及C 1、C 2分别为交错并联反激变换器的输出端整流二极管和滤波电容,QS 1、QS 2、QS 3和QS 4组成了全桥反转电路,L f 和C f 组成了LC 滤波电路,AC 为电网。光伏电池板经过铝电解电容滤波后将直流电送给交错反激变换器,输出包络线为正弦半波的“馒头波”,经过整流二极管并滤波后为平滑的正弦半波,

再送往工频的全桥反转电路,经过LC 滤波电路后转换为与电网同频同相的正弦交流电。

反激变换器输出的峰值功率等于并网逆变器输出的峰值功率,将反激变换器采用交错并联方式能成倍减小变压器的峰值功率,从而减小变压器的体积和磁芯损耗[9,

10]

。这种拓扑还能使变压器次级等效开关频率成倍

提高,减小了滤波器的体积和输出电流的高频纹波[11]。1.2系统控制原理

为了提高功率密度、减小变压器体积,将两个相位相差180°的反激变换器1和反激变换器2进行交错并联,在高频PWM 驱动信号下交错导通[11]。反激变换器主开关管Q 1、Q 2的开关频率与占空比是由检测到的反激变压器初级输入电压和次级输出电压、初级输入电流和次级输出电流经过模数转换为数字信号由DSC 再结合MPPT 算法得到。

交错并网反激式光伏并网微型逆变器主要工作波形如图2所示。反激变换器次级输出电压是包络线为正弦半波的高频“馒头波”U S ,经过整流二极管D 和滤波电路以后输出为平滑的正弦半波U D ,再送往由QS 1~QS 4组成的全桥反转电路,由互补的电网电压工频PWM

波

将正弦半波反转为正弦波,最后经过LC 滤波器后,即可得到符合并网要求的工频正

图2光伏并网逆变器的关键波形Fig.2Key waveform of PV grid ⁃

connected inverter