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)起來形成電池陣列，進行集中發(fā)電^[1]，當存在局部陰影或碎礫等遮蔽太陽能電池板時，會因日照不均等因素導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)換直流從單一太陽能電池組件至交流電的裝置，即每個光伏電池模塊均配備一個逆變器及轉(zhuǎn)換器，每個組件均能進行電流的轉(zhuǎn)換^[3]，能夠在面板級實現(xiàn)最大功率點跟蹤，最近幾年，由于其獨特的優(yōu)勢，吸引了國內(nèi)外大部分專家的深入研究^[4]。

    反激式拓撲結(jié)構(gòu)因本身的結(jié)構(gòu)簡單，而且具有電氣隔離等優(yōu)勢，是微型逆變器現(xiàn)在最為廣泛應用的拓撲結(jié)構(gòu)。光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制目標是實現(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)的過程中，逆變器的輸出功率通常含有兩倍的工頻脈動，而MPPT的輸出功率一般為恒定值，導致兩者的瞬時功率不平衡，一般的解決方法是在光伏電池板兩端并聯(lián)一個電解電容來解決，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反激式微型逆變器的功率解耦電路,并且通過在MATLAB仿真平臺建立微型逆變器模型進行了仿真驗證，實驗表明，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，需要前級的DC-DC升壓電路來進行升壓，所以這部分使用具有電氣隔離、升壓、儲能的多重作用的反激變壓器^[5]，其匝比為1：n，開關管則使用MOSFET，反激變壓器副邊則產(chǎn)生正弦饅頭波；后級采用的是經(jīng)典的全橋逆變，將前級輸出的電流進行極性翻轉(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濾波對并網(wǎng)電流進行諧波濾除，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。

    在微型逆變器進行并網(wǎng)時，通過計算逆變器輸出側(cè)的功率可知，其瞬時功率是工業(yè)頻率的2倍，但是由最大功率點跟蹤控制策略可以得到功率應該是一個定值，所以，這就發(fā)生了瞬時功率與工業(yè)頻率未達到平衡，這種現(xiàn)象一般的解決方案是在光伏電池側(cè)并聯(lián)一個較大容量的電解電容來使光伏電池的輸出電壓可以更加平穩(wěn)，即實現(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，這樣就使整個光伏并網(wǎng)微型逆變器的壽命降低，進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，在整個光伏并網(wǎng)逆變過程中，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，如式(5)所示：

    一般情況下，解耦元件選擇電解電容，當P_pv大于P_ac時，將多出來的功率存儲在解耦電容里；當P_pv小于P_ac時，解耦電容通過放電來補充輸出所需要的功率。

    解耦電容和其電壓U_av、電壓紋波ΔV的關系如式(6)所示：

    設定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系，當電壓的紋波越來越大，相應的電容的值就要減小，但同時光伏電池轉(zhuǎn)換效率會相應降低，導致并網(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)一個大電容來進行解耦，適當?shù)丶右粋€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)一個解耦電路，當光伏電池輸出的能量過剩時，可以通過解耦電路對解耦電容進行充電，當光伏電池輸出的功率不能達到并網(wǎng)的要求時，解耦電容可以進行放電，并且將能量傳遞給變壓器副邊來補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，得到了大量應用，其中三端口中的一個端口用來實現(xiàn)MPPT,使光伏電池可以始終工作在最大功率點，一個端口用于實現(xiàn)功率解耦，另一個端口進行并網(wǎng)電流的控制^[6]。

    (3)兩級式功率解耦一般是前級采用Boost升壓電路，后級的全橋逆變電路實現(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]，若后級逆變電路使用有源嵌位軟開關技術，則能實現(xiàn)開關管的零電壓導通。

    由以上的分析可得，光伏電池側(cè)并聯(lián)一個解耦電路的方法結(jié)構(gòu)簡單，所使用的元器件較少，各個開關管所受電壓電流應力也相對較小，因此本文設計了在光伏電池側(cè)并聯(lián)一種改進型解耦電路的微型逆變器，拓撲結(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、開關管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撲結(jié)構(gòu)的電路分為兩個工作模式。

    模式1：微型逆變器的輸入功率P_pv大于其輸出功率P_ac，此時開關管S1、Sm導通，反激變壓器的原邊電流上升，存儲能量，解耦電路部分的電感也在不斷存儲能量；開關管Sm關斷后，反激變壓器原邊存儲的能量向副邊傳遞，經(jīng)過后級的全橋逆變進行極性翻轉(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，反激變壓器開關管Sm導通，反激變壓器的原邊電流繼續(xù)上升達到峰值，存儲能量；隨后開關管S2導通，此時功率解耦部分的解耦電容放電，二極管D1用來防止解耦電容向光伏組件充電；當開關管S2關斷時，反激變壓器存儲的能量向副邊傳遞，經(jīng)過后級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MPPT環(huán)節(jié)，輸出電壓參考信號和光伏電池板的電壓進行比較后，經(jīng)過PI控制來穩(wěn)定光伏板的輸入電壓，得到電流幅值的參考信號與經(jīng)過鎖相環(huán)得到的并網(wǎng)電壓的相位來使輸出電流與并網(wǎng)電壓同頻同相，再將調(diào)制波與三角波進行調(diào)制得到前級DC-DC升壓電路開關管的驅(qū)動信號。

3 仿真分析

    為了驗證所設計的功率解耦電路在微型逆變器中的實用性，在MATLAB軟件中的Simulink模塊中搭建了基于交錯反激拓撲的微型逆變器仿真模型，模型主要參數(shù)為：開關頻率 100 kHz、光伏電池板輸入電壓 40 V、兩個反激變壓器匝比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、原邊變壓器勵磁電感5 μH，仿真模型如圖5所示。

    在MATLAB軟件中對未加入功率解耦電路的微型逆變器仿真模型進行仿真，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很大，且有二次功率擾動；當加入功率解耦電路，得到的波形如圖7所示，可見，加入功率解耦電路后光伏電池的輸出紋波和擾動均有減小。如圖6、7所示微型逆變器的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓通過并網(wǎng)電流控制和鎖相環(huán)可以實現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，且通過計算并網(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現(xiàn)并網(wǎng)。

4 結(jié)論

    文在詳細介紹交錯反激式微型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)組成、工作過程及功率解耦的基本原理基礎上，對三類功率解耦電路做了簡單的對比分析，并提出了一種功率解耦電路，經(jīng)過在MATLAB軟件中搭建仿真模型進行仿真驗證，得出了本文提出的功率解耦電路在小功率場合可以有效地抑制二次功率擾動的問題，減少解耦電容容量，提高微型逆變器的壽命；控制策略也可以達到并網(wǎng)要求，并網(wǎng)電流有較小的畸變率。

參考文獻

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作者信息:

胡林靜，于士航

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