一种新型PV AC Module的研究

胡 茂，秦 岭,，谢少军，罗 松，候虚虚

（1.南通大学电气工程学院，南通 226019；2.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

一种新型PV AC Module的研究

胡 茂1，秦 岭1,2，谢少军2，罗 松1，候虚虚1

（1.南通大学电气工程学院，南通 226019；2.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）

为了解决传统的两级式光伏交流模块PV AC module存在的结构复杂、成本高、效率低等问题，提出了一种新型PV AC module。该AC module的前级为传统的Boost变换器，完成光伏组件的最大功率点跟踪和光伏接口电压的泵升；后级采用高增益集成式逆变器，实现直流母线电压的泵升和并网发电功能。分析了PV AC module的系统结构，工作原理及控制策略，并通过一套250 W/40 kHz的样机仿真模型，验证了方案的可行性与理论分析的正确性。研究结果表明：该新型PV AC module具有结构简洁、控制简单、成本低、效率高等优点。

光伏发电；光伏交流模块PV AC module；升压；直流增益

光伏交流模块（PV AC module）将小容量高增益并网逆变器（微逆变器）和单个光伏组件集成在一起作为独立模块，使每个光伏组件均运行在各自的最大功率点，从而消除了部分阴影遮蔽导致的热斑现象和多峰效应，提高了能量转化效率和可靠性；且模块化设计增强了系统的冗余性和可扩展性，适合批量化生产。因此，PV AC module受到了国内外学者广泛关注，并已成为屋顶光伏发电领域的研究热点[1-5]。

目前，PV AC module方案大都采用两级式结构，而控制方式大致可以分为以下两类：第1类，前级DC/DC变换器通过PWM控制实现光伏电池的最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）和直流升压，后级为传统的PWM全桥逆变器，主要完成并网逆变的功能[6-8]；第2类，前级采用隔离型DC/DC变换器（如反激变换器等），可实现MPPT控制和直流升压外，还可产生与电网电压同频同相的正弦半波化（馒头波）的输出电感电流；后级为周波变换器（如半桥逆变器、全桥逆变器等），其将前级输出电感电流的正弦半波整流波形展开（逆变）为工频纯正弦波形[9-11]。尽管控制方式不同，但这两类PV AC module具有共同的特点，即后级均为降压型逆变器，因此前级DC-DC变换器必须采用高频升压变压器、开关电容单元或耦合电感等手段实现光伏组件电压的高倍泵升（直流增益在10以上），而这给变换器带来了结构复杂、成本较高、效率低等一系列缺点，从而严重制约了PV AC module性能的进一步提升[12]。

为此，本文提出了一种新型的PV AC module，其前级为传统的Boost变换器，后级采用高增益集成式并网逆变器。该架构具有器件数量少、效率高、结构简洁、控制方便和易于集成等优点。本文分析了该PV AC module的系统结构、工作原理和控制策略，通过250 W/40 kHz的样机仿真验证了该方案的可行性。

1 新型PV AC module的系统架构

图1 PV AC module的系统架构Fig.1 Configuration of the proposed PV AC module

图1 为本文提出的PV AC module的系统架构，由光伏组件、前置电容式Boost光伏接口变换器和高增益集成式并网逆变器3个基本单元构成。光伏接口变换器主要完成光伏组件的最大功率点跟踪MPPT和光伏接口电压的泵升，而高增益集成式并网逆变器实现直流母线电压的泵升和并网发电功能。该新型PV AC module架构具有结构简洁、效率高、控制方便、易于集成等优点。

对本文提出的PV AC module和其他PV AC module进行了比较，结果如表1所示。由于文献[6-8]仅对前级DC/DC变换器进行分析，并未给出后级逆变的具体电路，为了统一比较分析，此处将其后级均看作传统全桥或H6桥结构。由表1可以看出，本文提出的AC module在结构简洁度和系统效率等方面均具有一定优势。

表1 PV AC module与其他模型的比较Tab.1 Comparison between the proposed PV AC module and conventional ones

2 高增益集成式并网逆变器

2.1 工作原理

AC module中后级高增益集成式并网逆变器采用单极倍频正弦波脉宽调制 SPWM（sine-wave pulse-width modulation），其在一个开关周期内的开关时序如表2所示。结合该开关时序，可分析得出电路的工作原理和特性。

表2 开关时序Tab.2 Switching sequences

为了简化分析，假设逆变器工作已经达到稳态，并符合以下条件：①开关管、二极管、电感和电容均为理想元件；②并网电流在一个开关周期内基本恒定，逆变器的输出看成联接一个电流为Ig的恒流源；③输入电压Uin恒定，可等效为恒压源；④电容C2足够大，其端电压UC2近似为恒定，故可等效为恒压源；⑤n点的电位为0。

由于逆变器在正弦调制波的正、负半波内的工作过程基本相似，故此处仅以正半波为例进行分析。基于上述假设，该高增益逆变器在一个开关周期内的工作可分成若干个模态，每个工作模态对应的等效电路如图2所示。

图2 模态等效电路Fig.2 Equivalent circuit of modals

此外，由于瞬时输出功率中含有2倍工频分量，故该逆变器的升压电感电流iL1中也相应含有2倍工频分量，如图3所示，逆变器对应的工作模态可以细分为两种情况。可以看出，AB时间段内升压电感L1始终处于电流连续状态CCM（continuous conduction mode），而BC时间段内处于电感电流断续状态 DCM（discontinuous conduction mode）。 由分析可知：逆变器工作在AB时间段时共有4个工作模态，依次如图 2（a）、（b）、（a）、（c）；当其工作在 BC时间段时共有 8个工作模态，依次如图 2（a）、（d）、（e）、（a）、（f）、（g），其中图 2（a）所示等效电路在CCM和DCM时均有出现，故不再赘述。各模态具体的工作过程，在此不再重复。

图3 升压电感电流波形示意Fig.3 Sketch waveforms of iL1

2.2 逆变器直流增益分析

根据三角载波信号的幅值点位置，可将正弦调制波半个周期均分为N/2（N=fc/fr为载波比）个相等的时间段。图4给出了在调制波正半周内两个任意连续时间段内的调制信号ur、载波信号uc、uAB和iL1的局部示意。图中，（k-1）Ts为第k个时段的起点时刻，kTs为终点时刻，Ts为三角载波周期，和分别为该时段内uc的两个过零点处所对应的相位角。

图4 ur、uc、uAB和 iL1的局部示意Fig.4 Sketch map of ur,uc,uABand iL1

结合图2和图4，分别对调制波正半周内升压电感电流的上升量和下降量求和，可得

在半个工频周期内升压电感电流总上升量等于总下降量，即ΔI+=ΔI-，可得电容电压方程为

式中：M为逆变器的调制比，M=Urm/Ucm=U1m/Udc，其中Urm为正弦调制波幅值，Ucm为三角载波幅值,Udc=Uin+UC2为逆变器直流母线电压，U1m为逆变器输出电压基波幅值；ΔT为iL1=0的时间总和，如图3（b）所示，图中ΔT'为BC段时间。

令 k=ΔT/ΔT'，则有

化简可得

通过图3（a）所示的几何方法可以求解得到近似解析式为

式中，Po为输出功率。 结合式（5）和式（6），可得逆变器增益为

图5 给出了 Uin=80 V，k=0.2，T=0.02 s，L1=2 mH时，G与Po、M的三维关系曲面。由图可以看出，直流增益G随着M的增大或Po的减小而逐渐增大。

图5 G、Po和M三者关系Fig.5 Relationships among G,Poand M

3 控制策略

图6给出了本文提出的PV AC module的控制策略。图中，系统前级光伏接口变换器工作于MPPT模式；后级逆变器部分采用直流输入电压、直流母线电压和并网电流三闭环控制。

图6 PV AC module控制策略Fig.6 Control strategy of the PV AC module

图7 给出了具体的控制框图。图7（a）为前级光伏接口变换器的 MPPT控制框图，图中，Gud（s）为接口变换器输入电压upv（s）对占空比 d（s）的传递函数，Gc（s）为 PI调节器的传递函数，参数为 kP=1，kI=1 000。图7（b）所示为高增益集成式并网逆变器的闭环控制框图，图中，kPWM是逆变器输出对调制器输入的传递函数；Z1（s）为直流母线电压 udc（s）对并网电流 ig（s）的传递函数，Z2（s）为储能电容电压 uC2（s）对输入电流iin（s）的传递函数。逆变器3个控制环均采用PI调节器，控制器参数分别为：kP1=1，kI1=1 000；kP2=1，kI2=80；kP=1，kiI=100 000。

图7 PV AC module控制框图Fig.7 Control block diagrams of the PV AC module

4 仿真验证

为了验证本文所提PV AC module的可行性及其理论分析的正确性，采用仿真软件搭建了系统仿真电路模型。具体电路参数分别见表3和表4。

图8为72节光伏电池的仿真模型，图中，光伏电池的主要参数设置如下：PN结温度27℃，PN结反向饱和电流Io=10-9A，少数载流子寿命τn=1 μs，串联电阻Rs=0.8 Ω，并联电阻Rsh=500 Ω。

图9给出了不同光电流Isc时该仿真模型的P-V曲线。由图可以看出，当Isc=10 A时，Pmpp=256.8 W，Umpp=33 V。

由于前级光伏接口变换器当占空比在0.6～0.7范围内时，变换效率较高，二者之间的关系如图10所示。结合图9所示的光伏电池MPP电压范围，可将接口变换器的输出电压设定为80 V。图11给出了逆变器的效率仿真曲线，可以看出，其最高效率可达98%。

表3 前置电容式Boost变换器电路参数Tab.3 Parameters of the boost converter with input capacitor

表4 逆变器电路参数Tab.4 Parameters of the proposed inverter

图8 光伏电池仿真电路Fig.8 Simulation circuit of the PV cells

图9 不同光电流下的P-V曲线（t=27℃）Fig.9 P-V curves with different photocurrent（t=27℃）

图12为PV AC module的系统仿真波形。图12（a）为输入电压uin、母线电压udc和光伏组件输出电压upv的波形。可以看出，光伏接口变换器输入电压稳在33 V，逆变器输入电压稳在80 V，直流母线电压为444 V。可知，该逆变器实现了直流电压泵升（直流增益G≈5.55），与理论分析吻合。图12（b）为升压电感电流iL1、并网电压、电流ug和ig及输入电流Lin波形。由图可以看出，并网电流很好地跟踪了电网电压。

图10 Boost变换器变换效率与占空比关系Fig.10 Relationship between the Boost converter’s efficiency and duty cycle

图11 不同输出功率下逆变器效率曲线Fig.11 Efficiency curve in different output power

图12 PV AC module仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of PV AC module

5 结语

本文提出了一种新型PV AC module，其前级为前置电容式Boost变换器，后级为高增益集成式并网逆变器，通过两级电压泵升实现了光伏组件的并网发电。本文分析了该系统的架构、工作原理和控制策略，并通过250 W/40 kHz的样机仿真验证了方案的可行性。研究结果表明，该新型PV AC module具有器件数量少、效率高、结构简洁、控制方便和易于集成等优点，有较好的应用前景。

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Research on a Novel PV AC Module

HU Mao1,QIN Lin1,2,XIE Shaojun2,LUO Song1,HOU Xuxu1
（1.School of Electrical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China;2.College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

In order to slove the problem of complex sturture,high cost and low efficiency in conventional two-stage PV AC module,a novel PV AC module is proposed in this paper.In this AC module,boost converter with an input capacitor is taken as the front stage to achieve the PV panel’s maximum power point tracking（MPPT） and boost the PV interface voltage.The post-stage is a high step-up integrated inverter which can both raise DC link voltage and feed the power to grid at the same time.Firstly,the system’s structure,operation principle and control strategy of the proposed PV AC module are discussed in detail.Then,the feasibility and the validity of the theoretical analysis have been verified by the simulation results of a 250 W/40 kHz prototype.The simulation investigations show that the AC module has the advantages of simple structure,easy control,low cost and high efficiency.

photovoltaic power generation;PV AC module;step-up;dc gain

胡茂

胡茂（1990-），男，硕士研究生，研究方向：逆变器的拓扑与控制，E-mail：humao_1990@163.com。

秦岭（1977-），男，通信作者，副教授，硕士生导师，研究方向：新能源发电和先进储能技术，E-mail：qin.l@ntu.edu.cn。

谢少军（1968-），男，教授，博士生导师，研究方向：功率电子变换技术和航空电源，E-mail：eeac@nuaa.edu.cn。

罗松（1990-），男，硕士研究生，研究方向：新能源发电技术，E-mail：89081392@qq.com。

候虚虚（1993-），男，硕士研究生，研究方向：光伏并网逆变器相关控制，E-mail：347675598@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.105

TM615

A

2015-12-11

国家自然科学基金资助项目（51207075，514770 77）；江苏省高校自然科学研究基金资助项目（15KJB470013）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51207075,51477077）;Collegiate Natural Science Fund of Jiangsu Province （15KJB470013）