单相光伏并网微型逆变器的研究

周敏敏

摘要：太阳能光伏并网微型逆变器作为优化光伏发电效率和更智能化的设备，现在已经得到了光大光伏电站的青睐，传统的光伏并网逆变器架构连接方式是通过组件串并联组成光伏阵列后连接大功率并网逆变器，存在当有阴影时组件和逆变器功率不匹配、工作温度高、寿命不长、监控能力有限等问题。光伏并网微型逆变器是为解决上述问题而提出来的。其独特的架构使太阳能光伏并网微型逆变器具有可以模块化设计、即插即用、安装方便、扩展方便的优点。

关键词：并网；微型逆变器；光伏；最大功率点追踪

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0210-02

一、整体设计

本文从硬件设计上提出更加贴合实际运用的硬件拓扑和参数设计，使整个系统更加稳定可靠，整个发电系统更加安全有效；从软件设计角度分析整个光伏并网微型逆变器的可行性，使设计在一个严谨可靠的计划中执行；最终，设计一套基于飞思卡尔MC56F8013的太阳能光伏并网微型逆变器，采用两级设计结构，前级采用上下交错反激电路，利用一个独立的SPWM波控制器实现升压和MPPT控制；后级采用正弦翻转电路，实现并网功能。并网微型逆变器的控制策略采用电流内环和电压外环的控制方式，实现对电网电压同频同相的跟踪。搭建了实验环境进行实验测试和实验结果分析，实验结果验证了设计的并网逆变器的可行性。

1.硬件设计。为实现光伏并网单相微型逆变器的宽范围电压输入，采用两级拓扑结构，前级采用上下交错反激拓扑结构，将太阳能光伏组件输出的低电压提升至逆变器逆变所需的直流高压，产生与电网同频同相的正弦半波，同时在前级中实现最大功率点跟踪，实现太阳能光伏系统的最大能量输出。后级采用全桥逆变电路，以两倍工频的开关频率折叠正弦半波，实现正弦半波到正弦全波的电路翻转，同时将逆变器输出的电能并入到电网中。光伏并网单相微型逆变器的设计参数为：电网电压范围：210 VAC～264 VAC；标称输出电压：230VAC；电网频率范围：47 ～53 Hz；标称输出频率：50HZ；输入电压范围：210 VAC～264 VAC；最大输出功率：185W；标称输出电流：0.8A；功率因数：>0.95；总谐波失真：<5%；最高效率：95%。

2.软件设计。整个光伏发电并网微型逆变器的系统算法框图如图1所示。

光伏并网微型逆变器前级反激电路中，反激开关管使用PWM波正弦调制，将光伏组件能量传送到并网逆变器的输出电容上，光伏并网微型逆变器的最终输出电流波形是通过电流控制环来控制的。

3.测试初始条件设置。太阳能光伏并网微型逆变器并网实验中，标准光伏组件，在标准测试条件（STC）：太阳能辐射通量1000W/m2，大气参数1.5，组件温度25℃下，JTM190-72M光伏组件电性能参数：峰值功率（Pmax）：190W；峰值工作电压（Vmpp）：36.5V；峰值工作电流（Impp）：5.2V；开路电压（Voc）：43.8V；短路电流（Isc）：5.83；组件效率：14.9%；功率偏差（正）：+5%。公共电网作为太阳能光伏发电系统的负载接入光伏并网微型逆变器的输出端。示波器探头的开关设定为1X。

4.测试结果及其分析。太阳能光伏并网微型逆变器并入公共电网后，在输出端可检测到交流电流和交流电压状况，这两个波形是经过缩放电路后的输出波形。检测到的输出交流电流如图2所示，电网电压检测结果如图3所示。

由波形可以看出光伏并网微型逆变器已能够实现逆变功能，但可以看到输出波形谐波较大。在电网跟随上输出电基本跟随电网。由电力质量分析仪得出逆变输出的电压THD值在3%左右，所以还是满足THD小于5%的要求。全桥逆变电路中，需要对反激变换后的正弦输出电流进行换相处理，使正弦半波转换成与电网同频同相的交流电，并入电网后，在处理波形是要注意零点出的畸形，较小畸形使得其并网动作对电网的影响降到最低。使用功率分析仪测得数据为：

输入功率W：101，123，146，158；

输出电压V：220.69，220.09，220.45，220.15；

输出电流A：0.403，0.548，0.599，0.653；

效率：0.880，0.892，0.904，0.910；

THD%：3.32，3.40，3.23，3.32。并网测试结果及存在的问题：①测试获得此光伏并网微型逆变器的效率为84%～93%，在PV板功率高时效率也较高，反之则较差，预期设计目标最大效率是95%，和设计目标存在一定距离。②在控制上MPPT效果比较理想，在PV板被遮挡出现阴影时，系统能快速跟踪，使得功率改变小。③在输出端的电流波形不够理想，电能质量分析仪显示THD在3%以上，在电流控制上还需要进一步研究以降低电流纹波，但是符合预期设计目标THD要控制在5%以内。④在负载平衡输出中可以看到两个控制信号差异较大，在软件的计算上需要进一步改进。

二、结语

本文选用电压型高频链微型逆变器进行电路设计，硬件电路包括主电路设计、驱动电路设计、保护电路设计、检测电路设计、辅助电源电路设计，并对变压器和关键器件进行选型。分析了光伏并网微型逆变器的软件整体架构，分析了DC/DC反激变换电路占空比D的构成部分，着重分析了逆变器的状态机部分，通过不同工作模式之间的切换，实现逆变器的正常工作，同时也分析锁相环程序，计算相位时加入了分数角累积的值，旨在将在一段时间内忽略的误差计入相位计算中，以此优化跟随效果。并对搭建出的硬件平台进行实验测试，包括并网后的电网电压，交错反激电流波形，驱动信号等测试。结果表明都能实现太阳能光伏并网微型逆变器的基本功能。endprint