光伏并网微逆变器的设计

赵春柳，孙成正

安徽财贸职业学院电子信息系，安徽合肥，230601



光伏并网微逆变器的设计

赵春柳，孙成正

安徽财贸职业学院电子信息系，安徽合肥，230601

给出了基于全桥LLC结构的单相光伏并网逆变器，避免了传统基于交错反激互补结构的光伏并网单相微逆变器功率限制，并且其功率很容易放大；全桥LLC变换器变压器的磁集成技术的使用，使LLC变换器的结构更加紧凑。通过仿真,验证了全桥LLC变换器的开关管零电压开通和整流二极管的零电流关断特性及单相并网逆变器的准PR控制的有效性。

LLC；微逆变器；比例谐振；MPPT

随着化石能源利用的日渐枯萎，可再生能源以其可再生性、环保等优点日益得到开发和利用，基于此，太阳能光伏发电也得到长足发展。目前，光伏发电系统日益向两个方向发展：集中式并网发电系统和微逆变器并网(单相)发电系统。集中式并网发电系统及其逆变器现已成熟，得到了广泛应用；而微逆变器领域的发展受到成本及技术方面的制约，发展相对较慢。目前，微逆变器在拓扑结构上主要以交错反激为主[1-3]。微逆变器受拓扑结构的约束，其额定功率一般均在300 W以下，由于采用两个反激式变压器结构，在高压情况下，其变换效率很难得到较大幅度提高。

本文给出了微逆变器的全桥LLC变换，在结构上只用一个磁集成式变压器，通过仿真分析，此种结构的变换效率得到了提高，同时也很容易突破交错反激互补结构微逆变器的功率限额。

1 微逆变器的拓扑结构

1.1 微逆变器的整体结构

微逆变器的整体结构分为两个部分：全桥LLC变换器，在升压的同时实现MPPT控制；单相全桥逆变器，采用单极性控制策略，在实现并网的同时对直流侧电压进行控制(图1)。

图1 全桥LLC单相逆变器的结构

1.2 全桥LLC变换器结构及控制1.2.1 全桥LLC变换器拓扑结构及参数设计

全桥LLC变换器拓扑结构如图2所示，其主要特点是将变压器与谐振电感集成在一起，利用变压器的漏感代替谐振电感，变换器的结构更加紧凑。该变换器具有MOSFET工作在零电压开通及高频整流二极管工作在零电压关断的特点，可有效减少变换器的损耗，提高变换效率。

图2 全桥LLC变换器拓扑结构

为了适应微逆变器的高升压比，全桥LLC变换器的高频输出采用了倍压整流结构。按照文献[4-6]给出的LLC变换器参数设计方法，在变换器额定功率315 W、k=Lm/Lr=5、运行电压范围22～48 V及谐振频率fr=120 kHz参数条件下，计算可得:

Lm=10.5 μH，Lr=2.08 μH

L1=L2=5 μH，Cr=0.99 μH

Np=5，Ns=28

1.2.2 全桥LLC及MPPT的控制

LLC有别于传统的PWM控制，占空比为0.5。为降低设计难度，满足工作原理可行性验证的需要，全桥LLC变换器对光伏电池的MPPT控制采用扰动观测法，采取恒定LLC变换器周期变化因子。这种处理的优点在于光伏电池高压低电流段PFM频率较高，恒定周期变化因子可以使变换器快速跟踪光伏电池的MPP点；在接近MPP点时，变换器的PFM的频率较低，可满足MPPT高效跟踪。

1.3 单相全桥逆变器的拓扑结构及控制

1.3.1 单相全桥逆变器的拓扑结构

单相全桥逆变器的拓扑结构如图3所示。为提高变换器的效率，采用单极性PWM调制方式；同时，可有效降低并网电流的谐波含量[7]。

逆变器输出滤波器与共模电感组合在一起，L3=L4=6 mH。

图3 单相全桥逆变器的拓扑结构

1.3.2 单相全桥逆变器的控制

基于准PR控制，引入电网电压的前馈控制[8-10]，其控制策略如图4所示。

图4 单相全桥逆变器的PR控制策略

单相并网逆变器功率波动频率为电网频率的2倍，为降低直流侧电压波动的影响，将直流侧电压延迟0.005 s(功率波动半个周期)后再与原电压信号相加取平均值。比例谐振控制器采用准PR，其传递函数如式1所示。

(1)

2 仿真波形分析

微逆变器仿真时，电容参数为C1=10μF，C2=C3=470μF。为了加快仿真速度，重点分析其稳态特性，C1初始电压设定为46V，C2和C3初始电压设定为190V，即直流侧电压控制为380V。

2.1 全桥LLC变换器MPPT控制波形

全桥LLC变换器MPPT控制波形如图5所示。受到扰动观测法的精度限制及PFM周期扰动因子的选择影响，光伏电池输出功率及端电压的振荡比较明显，但仍能反映控制策略的有效性。

图5 MPPT控制波形

2.2 全桥LLC变换器性能参数仿真波形

LLC变换器的最大的特点是变换器侧开关管工作在零电压开通状态，高频整流二极管工作在零电流关断状态，有效降低变换器的损耗，由图6和图7可以看出其工作状态的特点。

图6 LLC变换器侧开关管零电压开通波形

图7 LLC变换器侧整流二极管零电流关断波形

2.3 并网电流的仿真波形

为了更好地观测微逆变器的输出电流与电网电压相位之间的关系，取电网电压幅值1/100，直流电压控制在380 V。直流侧电压及电网电压与输出电流波形如图8所示，可以看出输出电流与电网电压相位同步，即工作在单位功率因数状态，直流侧电压在380 V处波动且波动幅值较小。

图8 微逆变器直流侧电压及输出电流波形

3 结束语

本文提出了基于全桥LLC结构单相光伏并网微逆变器，相比交错互补反激式结构的单相光伏并网微逆变器在功率上更具灵活性，同时给出了LLC参数设计方法及准PR逆变器控制策略，通过仿真验证了其可行性。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.04.029

2014-12-15

安徽省高等学校省级自然科学研究重点项目“基于局部影音遮蔽下光伏阵列及多峰值MPPT算法研究”(KJ2014A007)。

赵春柳(1979-)，安徽怀远人，在读博士，讲师，主要研究方向：可再生能源及分布式发电。

TM464;TM615

A

1673-2006(2015)04-0102-04