基于SiC器件的两级光伏并网逆变器设计

陆 田， 潘 健， 王小平

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

基于SiC器件的两级光伏并网逆变器设计

陆 田， 潘 健， 王小平

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

采用高性能的DSP作为控制芯片，将SiC应用于1 kW两级非隔离光伏并网逆变器中，控制策略采用双闭环控制，直流电压环采用PI控制，交流电流环采用预测型无差拍控制。基于Matlab/Simulink进行仿真分析，并制作了一台1 kW的实验样机，仿真和实验结果表明样机有良好的动态特性。

碳化硅； 光伏逆变器； 无差拍控制

作为光伏并网发电系统的核心，光伏逆变器性能将直接影响电能质量，因此采用新型器件研制高频、高效、高功率密度的并网逆变器具有广泛的应用前景和重要的现实意义。

SiC功率器件具有高开关频率、低导通电阻、耐高温等优点，采用SiC器件的光伏并网逆变器能减小逆变器的体积，提高系统转换效率[1]。本设计采用SiCMOSFET，实现具有两级非隔离结构的光伏并网发电系统。前级采用Boost变换器，根据太阳能电池板的伏安特性调节Boost变换器的占空比，实现最大功率跟踪控制(MPPT)。后级采用双闭环结构，电压环采用PI控制，电流环采用预测型无差拍控制[2]。通过Matlab仿真分析和样机测试，验证了预测型无差拍控制使并网电流和电网电压同频同相，提高了系统输出电能的质量。

1 光伏并网逆变器原理

光伏并网发电系统结构见图1，系统包括光伏电池阵列、Boost升压变换、全桥逆变、LC滤波、负载、电网等[3]。

图 1 系统结构框图

前级DC/DC变换将光伏阵列的直流电压升高为逆变并网需要的直流母线电压，提高太阳能电池的转换效率，对光伏阵列最大功率点跟踪。后级DC/AC将Boost变换输出的直流母线电压逆变为与电网电压同频同相的交流电，经滤波后实现并网。

2 主电路设计

在白天正常工作时，太阳能阵列电池输出电压100-160 V，逆变器额定功率1 kW,最大输入电流为10 A，逆变输出220 VAC，频率50 Hz，DC/DC和DC/AC中碳化硅开关管开关频率设计为50 kHz。图2为单相并网逆变器并网拓扑结构[4]。太阳能光伏阵列输出电压经Boost变换器升压，经C2解耦后逆变输送电网。

图 2 单相并网逆变器并网拓扑结构

2.1Boost变换器

在稳态工作时，根据一个开关周期内，电感L1上的电流秒伏平衡有

(1)

当输出最大负载时，应保持电路工作在电流连续模式，电感电流连续的临界条件为IO>ΔI，其中IO为Boost输出电流，ΔI为纹波电流，有

(2)

在电感电流连续模式下，需要电容值

C>IODT/ΔI

(3)

当额定功率为1000W时，带入式(2)(3)计算得电感值L1为574μH，电容值C2为1049μF，考虑一定的裕量，电感值选为800μH，电容用4个470μF的电解电容并联。

2.2 单相全桥逆变

2.3LC低通滤波

本设计采用LC低通滤波器，根据稳态运行时电网电压电流矢量关系，采用SPWM控制，滤波电感的最大值

(4)

当电流处于峰值时，为了抑制逆变器桥侧电流谐波

(5)

式中Udc为直流母线电压，Ugrid为电网电压，T为开关管周期，ΔImax为并网电流纹波最大值。

当SiC开关管开关频率为50kHz时，选择滤波器截止频率(1/10～1/20)fc，

(6)

带入公式(5)计算电感值为1.84mH，电容值为2.67μF，考虑一定的裕量，电感值选用2mH，电容选用3μF。

3 光伏并网逆变器控制策略

本文采用直流母线电压外环及并网电流内环的双闭环控制策略，控制框图见图3。电压外环为输出电压瞬时值控制，采用经典PI控制，输出为内环的参考值，电流环采用电流预测无差拍控制，预测无差拍控制电流是在每个开关周期内，采样并网逆变器的输出电流，并且预测下一周期开始时刻并网输出电流的参考值，根据电流差计算出开关器件当前的开关时间。在光伏并网系统中，每个开关周期并网电流不断跟踪参考电流[5]。

图 3 电压外环电流内环控制框图

根据基尔霍夫电压定律得

(7)

通过前向欧拉逼近代替电流导数

(8)

将式(7)、(8)带入并离散化，

(9)

式中Ts为碳化硅开关周期，L为滤波电感，Udc为直流母线电压，Ugrid为电网电压，i(k)为第k时刻采样的并网电流，R为线路等效电阻。

将(3)带入(6)得：

通过对当前时刻电流的测量和下时刻电流的预测，就能获得开关管的占空比D(k)从而实现电流的预测无差拍控制。

4 仿真验证及实验结果分析

4.1 并网逆变仿真分析

根据以上理论分析计算，在MATLAB/Simulink里搭建仿真模型，实验参数为：额定功率1kW，直流母线电压400V，滤波电感2mH，滤波电容3μF，死区时间2.2μs

当并网逆变正常工作时，图4a为并网电流和电网电压波形，电网电压和并网电流同频同相，应用powergui对逆变输出并网电流进行FFT分析(图4b)，并网电流的总谐波失真THD为1.6%，各次谐波均小于1%。

(a)逆变器输出电流和电网电压

(b)逆变并网电流FFT分析图 4 并网波形及FFT分析

4.2 系统实验

为了验证方案的可行性，根据上述仿真分析，设计样机进行试验，试验并网电流波形见图5，并网电流波形质量良好，系统有很好的动态特性。

图 5 并网电压和电流波形

5 结论

本设计采用新型碳化硅功率器件并以TI公司的DSP为核心设计了两级非隔离光伏并网逆变器，采用预测型无差拍控制，仿真和样机测试结果表明，并网电流很好的跟踪电网电压，且并网电流谐波含量少，系统动态特性快，样机运行稳定，达到并网目的。

[1] 张玉明,汤晓燕,宋庆文. 碳化硅功率器件研究现状[J]. 新材料产业，2015(10):55-59.

[2] 杨勇,阮毅,叶斌英,汤燕燕.三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法[J]. 中国电机工程学报， 2013(33):23-26.

[3] 金鑫,袁越,傅质馨.基于无差拍功率控制的光伏逆变器控制策略[J]. 电源技术， 2013(4):77-81.

[4] 刘胜荣,杨苹,肖莹,等.两级式光伏并网逆变器的无差拍控制算法研究[J]. 电力系统保护与控制， 2010(8) :24-33.

[5]FriedliT,RoundS,KolarJW.Designandperformanceofa200-khzall-sicjfetcurrentdc-linkback-to-backconverter[J].IEEETransactionsonIndustryApplications, 2009, 45(5): 1868-1878.

[责任编校： 张岩芳]

Two Levels of Photovoltaic Grid Inverter based on SiC

LU Tian，PAN Jian ，WANG Xiaoping

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This design adopts the high performance DSP as control chip, the application of SiC for 1 kW two-stage unfenced two levels of photovoltaic (PV) grid inverter, Double close-loop control method has been applied in the system, DC voltage loop regulated by PI regulator, and AC current loop controlled by prediction model with no beat. Based on Matlab/Simulink simulation analysis, it has produced a 1 kW prototype. Simulation and the experimental results show that the prototype has a good dynamic characteristic.

SiC; PV Inverter; dead-beat control

2016-03-29

湖北省大学生创新创业训练计划项目(201410500027)

陆 田(1988-)， 男， 湖北仙桃人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为太阳能光伏

1003-4684(2017)02-0062-03

TM615

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