单相非隔离型并网光伏逆变器研制

毛行奎，毛洪生，裴昌盛，张锦吉

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350108)

1 引言

光伏发电有离网型和并网型两种发电形式。相对于离网型，并网型由于其负载为大容量的电网，正常工作时可以时时最大发挥太阳能电池的光电转换能力，有更低的成本和维护费用，为光伏发电系统的主要发展趋势［1-3］。由于光伏电池输出特性比较软，输出电压变化较大，这就要求后级光伏逆变器能适应输入电压，并能够进行MPPT，以提高光伏电池利用率，降低系统成本。光伏逆变器有单级式和多级式结构，单级式具有较高的效率和功率密度［4］，但较难满足宽输入电压要求，需要采用多级式或者双模式［5-6］工作的功率拓扑。双模式拓扑成本低，但控制相对复杂，且只适用于非隔离型逆变器。论文以一个输出功率为1.5kW，MPPT的电压为150～500V并网逆变器为例，深入研究了单相非隔离型并网光伏逆变器系统方案、MPPT、并网控制等关键技术，并研制出性能优良的样机。

2 系统方案与控制

2.1 系统方案

由于单相并网光伏逆变器 MPPT电压范围为150～500V，而并网的电网电压为194～256V，逆变器主拓扑需要能实现升降压，因此需要采用两级功率电路结构或者双模式功率电路结构才能满足这种输入电压和输出电压要求。综合考虑性能指标、效率、成本等因素，样机采用如图1的基于双 CPU系统方案。在系统方案中，并网逆变器功率电路采用准两级式电路拓扑，由DC/DC和DC/AC两部分构成，即当光伏电池电压 Upv＜380V时，此时前级Boost升压电路工作，把 Upv升压并稳压到410V，再经过DC/AC逆变并网，工作于两级模式。当Upv≥380V时，Boost电路不工作，此时 Upv直接供电给DC/AC，然后并网，工作于单级模式。采用该方案不仅满足宽输入电压范围要求，且控制简单，提高系统效率。

对于控制部分，光伏并网逆变器的MPPT、并网控制、孤岛保护等关键技术由 DSP Freescale MC56F8323主控制器完成实现。对于并网系统的监控、显示、人机界面等监测、通信子模块采用的是Freescale 8位单片机 MC9S08JM60作为从控制器。监测子模块通过 SPI跟 DSP MC56F8323通信，从MC56F8323获得监测需要的逆变器主电路一些指标量用于LCD显示，与上位PC机采用RS485通信。监测子模块还提供最大可达到10个光伏电池板电压监测的功能，通过该监测功能，当并网系统出现故障时可以容易区分判断是光伏电池板故障还是逆变器故障，从而减小逆变器的维护工作量和成本。

图1 1.5kW单相光伏并网逆变器系统框图Fig.1 System block diagram of 1.5kW single-phase PV Grid-tied inverter

并网逆变器主功率电路拓扑如图2所示，其中前级DC/DC采用Boost电路，DC/AC采用单相桥。由于主电路工作于准两级结构，为确保当 Upv≥380V，Boost电路不工作时光伏逆变器也能实现MPPT，所以逆变器MPPT放在后级DC/AC级实现，即在DC/AC级实现MPPT、并网控制和孤岛保护等逆变器的三个核心控制，这样不受限于 DC/DC级是否工作。

图2 1.5kW光伏并网逆变器准两级主电路拓扑Fig.2 Quasi-two-stage topology of 1.5kW single-phase PV grid-tied inverter

2.2 系统控制

在并网逆变器核心控制中，并网电流采用高性能的无差拍控制方法［7］，孤岛保护采用有源频率漂移法加过电压、欠电压方式实现［1］，MPPT采用一新型的改进变步长扰动观察法。

系统中孤岛保护和MPPT是通过改变并网或电感电流iL的频率和幅值实现的。iL的无差拍控制方程，即逆变桥开关管占空比D(k)为:

式中，第k个开关周期电网电压¯Ugrid(k)、逆变器母线电压Udc(k)、iL(k)由采样得到。开关周期 Ts、电感L由设计确定。iref(k+1)为iL的跟踪参考电流，其幅值由图3的MPPT扰动确定，即iL幅值随 iref变化而改变。iL的频率随有源频率漂移法微扰动改变D对应的频率而改变。

图3 改进变步长扰动观察法MPPT流程图Fig.3 Flow-chart of improved P＆O MPPT with variable step

扰动观察法以结构简单，观测参数较少等优点而应用广泛。但存在由于寻优步长固定而导致MPPT寻优时振荡的缺点。本系统采用的新型改进变步长扰动观察法不仅可以减小传统扰动观察法在最大功率点附近存在的振荡，且在稳态情况下可达到无振荡损耗，同时也适用于环境变化的场合。其控制过程为:给定一个扰动，通过扰动前后功率和电压的变化决定下一个扰动的方向和步长。使其向最大功率点靠近，最终实现MPPT。改进变步长扰动观察法的算法流程如图3所示，即先设定逆变器并网参考电流 Iref、扰动步长 step以及常数 cons等的初始值;接着采样光伏电池的电压电流，算出光伏电池输出功率变化量ΔP和电压变化量ΔU。ΔP决定了扰动步长是否改变，如果 ΔP≥0，则步长保持不变;反之当ΔP＜0，将扰动步长减小。然后ΔP*ΔU的值决定了扰动的方向，如果 ΔP*ΔU＞0，保持原扰动方向;如果 ΔP*ΔU＜0，改变扰动方向;如果ΔP*ΔU=0，则停止扰动。如此循环，直到 step为零，最终实现MPPT。当环境发生变化时，即检测到ΔU发生变化，step赋初值，然后重复以上的步骤，从而可以适用于环境变化场合。

3 系统设计与实现

3.1 关键参数设计

输出滤波电感要满足

取直流母线电压 Udc=410V;开关频率 fs=20kHz;电感电流纹波20%，则 ΔiLmax=1.3A。求得L≥3.9mH。实际应用中，选用两个滤波电感 L2=L3=2mH，两电感同时构成一个共模滤波器，具有更好EMI滤波效果。每个电感选用 High Flux磁芯CH467060，使用2个磁芯叠加绕制，匝数为105匝，选用线径为1.2mm的漆包线。

无差拍控制效果对系统精确模型依赖性较强，当理想模型与实际对象有些差异或者系统参数稍有变化时，其剧烈调节作用往往会使系统输出电压振荡，脱离稳定状态。由于滤波电感是由High Flux磁芯绕制，其感值会随着直流偏量变化而变化，如图4所示。由于在一个工频周期内，电流值是由零到峰值变化的，电感感值也会随之变化，故采用插值方法计算出不同直流偏量值时电感的感值，然后通过软件对电感感值进行补偿，以满足控制方式对系统模型精确度的要求。实验证明，采用这种插值方法可有效地保证控制模型中电感的精度，保证了系统稳定性。

3.2 系统建模仿真

图4 High Flux磁芯的电感系数AL对安匝NI曲线Fig.4 Inductance of AL vs.NI of High-Flux core

根据上述系统方案、控制以及设计，建立基于Matlab Simulink的1.5kW/230V单相光伏并网发电系统仿真模型，模型包含光伏电池、MPPT、孤岛保护、无差拍并网控制以及Boost电路的峰值电流控制等5个模块。模型主要参数为:光伏电池开路电压Uoc=262.6V，短路电流 Isc=7.86A，最大功率点电压Um=204.4V，最大功率点电流 Im=7.34A，最大功率Pm=1500W。Boost变换器和全桥逆变电路的开关频率均为20kHz。仿真结果如图5和图6所示。由图5可见，并网电流 iL不断增大，输出功率也不断增大，当逆变输出电流保持不变时，系统输出的功率达到最大，实现MPPT。当取图3中的cons=0.01时，MPPT精度为99.9%。由图6可见，当电网在0.1s时刻断电后，逆变器输出频率f不断增大，系统经过若干个周期检测出频率 f超出并网标准50.5Hz，认为发生孤岛，随即将逆变器与电网断开，停止逆变器工作，快速有效地防止了孤岛效应。在样机中，孤岛保护扰动频率定为0.1Hz。

图5 MPPT仿真波形Fig.5 MPPT simulation waveform based on Simulink

图6 孤岛保护仿真波形Fig.6 Anti-islanding protection simulation waveform based on Simulink

4 实验

样机中，图2功率电路主要器件参数为:T5选用两个MOS管 STW25NM60N并联，D5选用IXYS DSEI30-06A，C2选用3个470μF/500V的电解电容并联，全桥电路的4个开关管选用 IXYS的 IGBT IXGH30N60B2，逆变器电感电流采样选用霍尔传感器LEM的LA25-NP。为提高并网锁相稳定性和抗干扰能力，样机采用带滞环比较的过零检测电路。

图7(a)为样机开机波形。开机时采用了软启动控制。在锁相完成后，先发出继电器闭合信号使并网继电器闭合，然后发出逆变驱动开通信号使逆变器并网工作，从而输出并网电流，并网电流逐渐增大，从而实现软启动，避免了开机时瞬时大电流对系统冲击带来的破坏。

图7(b)为样机关机波形。关机时，先发出逆变驱动关闭信号来使逆变器停止工作，间隔一定时间后再发出继电器断开信号使并网继电器断开，完成输出滤波电感 L2、L3放电，从而使逆变器与电网断开，实现安全关机。

图7 开机软启动以及关机波形Fig.7 Key waveforms at turn-on and turn-off

图8为样机两级功率电路工作模式，且 Boost电路输入为直流电源360V，逆变母线电压410V，并网电压230V时并网电压与电流波形，可见并网电流波形正弦度良好，在额定载时仅为1.4%。当功率电路工作于一级 DC/AC模式时，并网电压电流波形与两级时基本一样。图9和图10为样机工作于两级功率电路THD与效率，电流THD充分小于并网要求的额定载时5%规定，有较高效率。实验表明样机性能优良，运行稳定。

图8 两级功率电路工作模式时并网电压与电流波形Fig.8 Grid-tied voltage and current of prototype at two-stage power converter mode

图9 并网电流THD(%)Fig.9 Output current THD

图10 逆变器整机效率(%)Fig.10 Inverter efficiency

5 结论

针对宽输入光伏电池电压的单相光伏并网逆变器，提出了一个采用准两级式主电路拓扑和双CPU控制的系统方案。准两级式主电路拓扑方案不仅可以满足宽输入电压要求，且控制简单。双CPU结构确保了系统并网输送电能的高质量性和高可靠性，以及有良好的人机界面和通信功能。实验表明样机性能优良，运行稳定。

新的改进变步长MPPT扰动观察法，不仅减小了传统扰动观察法在最大功率点附近寻优时存在的振荡，而且通过检测光伏电池板输出电压ΔU变化情况来重新寻优，使新方法适用于环境变化的场合。采用基于电感安匝特性曲线插值求电感的方法可以有效满足无差拍电流控制对输出滤波电感模型精度要求较高特点，克服粉芯类磁芯电感感值随电流变化大的缺点，提高并网的稳定性和可靠性。

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