单相小功率高频并网逆变器的研制

孙峰芳， 马 亮， 张 颖

（1.北京京仪绿能电力系统工程有限公司 北京 100009；2.北京市光伏核心装备工程研究中心 北京 102100）

随着能源环境问题的日益突出，人们开始探索新的发电方式以应对能源短缺的局面，可再生能源成为人们的关注焦点，众多可再生能源中，光伏发电具有无污染、能源质量高、发电机动灵活、容易建立分布式发电系统等特点[1-2]，近几年，光伏并网发电得到迅猛发展。在光伏并网发电系统中，并网逆变器处于核心地位，文中详细介绍了单相小功率高频并网逆变器的设计，并对逆变器进行了实验验证。

1 单相光伏并网逆变器系统结构

单相光伏并网逆变器常用的拓扑结构有以下几种，如图1所示。

本文设计的光伏并网逆变器采用两路直流输入、单逆变系统结构，该结构省去了笨重的工频变压器，效率高、重量轻；加入了DC-DC BOOST电路用于提高直流输入电压，扩大了光伏阵列的直流输入电压范围（150V~450V），同时DCDC电路可以进行MPPT控制，方便控制系统的设计，另外由于具有2路DC-DC电路，可以独立进行MPPT控制，适合两个不同倾斜面光伏阵列接入，即两个光伏阵列可以具有不同的MPPT电压，十分适合应用于光伏建筑[3]。但和常规结构不同的是，每路DC-DC电路都并联一个跨接二极管，当光伏阵列输出电压满足逆变要求时，二极管可以旁路DC-DC电路，此时系统成为直接逆变系统，MPPT控制由后级DC-AC来实现。具体的结构框图如图2所示。

从结构上看，本文设计的光伏并网逆变器属于两级式结构，该结构最大的特点是光伏阵列的MPPT控制和逆变并网控制可以分开实现，控制起来相对简单。前级由两路DC-DC变换器组成，后级为单相DC-AC变换器。前级每路DC-DC变换器的输入各连接一路独立的光伏阵列，经BOOST电路可以实现升压作用和MPPT控制，升压作用保证后级直流母线达到实现并网的电压的幅值要求，MPPT控制保证光伏阵列的最大功率的输出；两路DC-DC输出在母线处并为一路作为后级DC-AC变换器的输入，直流电经DC-AC变换器并入电网，后级DC-AC变换器主要用来稳定直流母线电压和并网电流的控制，保证并网电流与市电电网电压的同频同相，保证功率因数为1。

2 硬件设计

2.1 Boost电感的设计

Boost电感对于电路正常工作起着至关重要的作用，设计要求使电路尽量工作在电流连续状态下[4]。

Boost电路正常工作时，电感上电流与开关管漏源电压如图3所示。

其中，UDC为Boost电路输出电压，TS为开关周期，D为占空比，iLavg为电感电流平均值，ΔiL为电感电流的纹波，

图1 单相光伏并网逆变器的拓扑结构Fig.1 Topology of the single-phase photovoltaic grid-connected inverter

图2 光伏并网逆变器结构框图Fig.2 Structure diagram of photovoltaic grid-connected inverter

图3 Boost电路工作波形Fig.3 Waveform of Boost circuit

其中，uPV为Boost的输入电压。要求电路在10%负载情况下工作于连续电流情况下，纹波电流应小于此时的平均电流。

即 ΔiL＜i10%

实际工作中，电感上的电流影响MPPT工作点，若电流的纹波过大，将直接导致工作点电压的不稳定，所以可根据实际需要适当放大电感值。

2.2 母线支撑电容的设计

母线支撑电容是主回路中的重要环节，起到储能与滤波的作用[5]，作为电池板电源与电网间能量交换的缓冲装置，其设计与选型对逆变器工作性能及使用寿命有极其重要的影响。

一般而言，母线电容的选取主要考虑以下三点因素：1）电容的耐压应大于母线工作的正常最大电压；2）电容的容量应能使母线的电压纹波满足一定的设计要求，本文设计要求小于2%的直流母线电压；3）电容的额定纹波电流容量大于母线工作时的纹波电流[6-7]。

下面给出电容值的确定方法。

单相逆变器的母线电容电压存在二倍工频的分量，这是因为，单相并网输出功率为：

其中UDC为支撑电容上平均电压。

3 软件设计

程序采用循环+中断的典型结构，在主函数中完成系统寄存器及变量的初始化和通讯循环，通过配置一个16 kHz的PWM计数下溢中断，中断服务程序中执行主要算法控制，包括AD采样、MPPT、功率闭环控制、保护监测与响应等，为了保证并网电流与电网电压的同频同相，应用了软件锁相环技术。主函数流程图如图4所示，中断函数流程图如图5所示。

图4 主函数流程图Fig.4 Flow chart of the main function

图5 中断函数流程图Fig.5 Flow chart of the interrupt function

4 实验结果

根据以上设计方案，搭建了额定功率5 kW的光伏并网[8]逆变器。图6给出了实验过程中的并网波形，输出功率约为3 kW，CH4为并网电流波形，CH2为电网电压波形，并网电流与电网电压同频同相，功率因数接近为1。

5 结 论

本文论述了单相小功率高频并网逆变器的整体结构，采用具有两路直流输入的高频升压不隔离结构，控制芯片选用TMS320F28335，系统具有很好的动态特性，保护完善，并网效率高，控制算法中加入了MPPT控制，通过实验证明系统工作可靠，性能稳定，输出满足并网要求。

图6 逆变器实验波形Fig.6 The experiment wave of inverter

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