LLC光伏并网谐振变换器的研究

赵修瑞，李锴，李又丰

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150027）

0 引言

本文研究和开发了一种多串结构的大型光伏系统，并提出了一种基于积分控制的集成比例积分控制器的方法，每个串具有独立的MPPT控制器[1]，还具有模块化结构。因此，通过并联LLC谐振DC/DC变换器出输，光伏系统可以很容易地扩展到更高数量的串，系统拓扑图如图1所示。这种LLC半桥电路不仅能够吸取串联谐振还可以隔离直流，并且能够利用并联谐振减小滤波电容、电流脉动小的特点，经过对比发现，LLC型半桥电路是一种应用比较理想的DC-DC变换模型。

图1 分布式NPC光伏逆变系统拓扑结构

1 LLC谐振变换器隔离升压电路研究

1.1 光伏阵列与MPPT算法

光伏模块可以使用电压控制的电流源来建模，电压取决于温度和太阳辐射的功率。根据[2]，模型的数学方程为：

其中Ipv和i0分别是光伏和二极管饱和电流。Ns是串联电池的数量，k为玻尔兹曼常数t1，T（开尔文）是二极管pn结的温度，Q2是电子电荷。Rs和 Rsh是模块的等效串联和并联电阻，a是二极管常数因子。

为了使误差最小化，用PI控制器与这种方法相结合，如图2所示。在最大功率点，输出功率对光伏阵列输出电压的导数为零。

图2 LLC半桥谐振变换器及MPPT控制器

比例积分（PI）控制器将误差（dI/dV+I/V）降至最低，其输出通过压控振荡器，这是因为在LLC谐振变换器中，控制器通过改变开关频率而不是占空比来稳定输出。

1.2 LLC谐振DC/DC转换器

谐振半桥转换器电路配置如图3所示，场效应晶体管功率开关产生双极方波电压，并且应该能够在高频下工作。需要注意的是，两个连续转换之间需要一个小的死区时间，以防止实现零电压转换（ZVS）的交叉导通时间。

图3 MPPT控制器原理框图

该电路呈现两种不同的谐振频率:

对于电路设计，使用基本谐波近似（FHA）方法[4]。这种方法在接近谐振频率fr1时产生令人满意的结果。在这种方法中，只考虑电压和电流的基本分量。FHA方法可以用来找到DC电压增益，或电压传递函数。

可以按如下方式计算等效负载电阻（Req）：

其中Ro是实际的DC侧负载电阻。电路的品质因数可以定义为:

谐振转换器的DC电压增益与归一化开关频率之间的关系可以表示为:

其中电感比Ln和归一化开关频率fn在（7）和（8）中定义。

2 仿真分析

在MATLAB/simulink仿真软件中，搭建光伏并网逆变系统，参数如下：

表1 系统仿真参数

最终通过锁相和电压电流控制，逆变器输出电流与电网电压同频同相位，维持单位功率因数运行，且THD=2.46%＜5%，可以实现并网，输出较为标准正弦波，波形如图4所示。

图4 正常运行逆变器输出电压

3 结语

本文对三电平光伏并网逆变器进行了分析和设计，分别对光伏并网拓扑结构、LLC半桥谐振变换器电路进行了研究。采用的LLC半桥谐振变换器电路不仅能够吸取串联谐振还可以隔离直流；提出了了一种集成PI控制器的增量电导法，用于提取最大功率。采用了将三电平逆变器的数学模型建立在不同的坐标系下，采用SVPWM调制策略。最终达到良好并网效果。