基于Simplorer/Matlab的交错反激微功率光伏并网逆变器研究

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

1 引言

目前光伏并网发电系统架构可分为集中式、串式和交流模块式[1]。相比于集中式和串式，交流模块式具有抗阴影能力强、即插即用、光伏电池板利用率高等优点，已得到广泛应用[2]。微功率光伏并网逆变器(PVMI)是交流模块式光伏发电架构的关键设备之一。PVMI由单块光伏电池板输入，输入电压低，输出电压高，单机功率小，因此拓扑结构必须同时实现升压和逆变，且应具有电气隔离。反激变换器具有升压和高频隔离功能，且拓扑简单、开关器件少、控制简单、成本低，是当前PVMI的主流拓扑[3-4]。

为了提高逆变器的功率等级以满足PVMI的功率需求，采用两路反激并联的交错反激逆变器结构[5-7]。本文研究了交错反激微功率光伏并网逆变器(简称交错反激PVMI)的工作原理及并网电流控制方法。通过PExprt软件对反激变压器进行建模，导入Simplorer软件中搭建的主电路模型，结合Matlab/Simulink环境下的控制电路模型进行仿真。最后通过实验验证理论分析的正确性和仿真方法的可行性。

2 交错反激PVMI工作原理分析

交错反激PVMI拓扑如图1所示，两路反激变换器并联，经工频极性反转桥和滤波器后接入电网。

图1 交错反激PVMI拓扑

图2 交错反激PVMI工作原理波形

3 并网电流控制

反激变换器是隔离型Buck-boost变换器，因而可通过Buck-boost变换器推导出稳态下占空比与并网电流的关系式，如图3所示。

Buck-boost变换器电感电流iL与输出电流io的关系如下：

iL=io/(1-D),VL=sL·IL

(1)

图3 Buck-boost变换器

引入闭环控制的电流增益G，G是控制环PI调节器部分的系数Kp和Ki，即G=Kp+Ki/s，则：

VL=G·(ILred-IL)

(2)

结合式(1)、(2)可得：

VL=G(Ioref-Io)/(1-D)

(3)

Buck-boost变换器有：

VL=VinD-Vo(1-D),Vo=VinD/(1-D)

(4)

联立式(3)、(4)可得占空比D与输出电流Io的关系式为：

(5)

对于反激变换器，需加入变压器匝比n，定义变压器匝比n=Vo(1-D)/(VinD)，则反激变换器占空比D与输出电流Io的关系式为：

(6)

通过采样输出电压Vo，输入电压Vin和并网电流Io，选择合适的PI参数，根据式(6)即可控制并网电流Io跟踪参考电流ioref，从而使并网电流io呈正弦波。

4 Simplorer、PExprt与Matlab联合仿真

利用Simplorer、PExprt与Matlab的联合仿真分析交错反激PVMI的工作原理[8]。仿真参数如下：输入电压22～36V，并网电压220V/50Hz，最大输出功率220W，开关频率100kHz，变压器原副边变比6:42，励磁电感29.64H。

在PExprt软件中对设计好的反激变压器进行建模，经仿真生成Simplorer软件所能使用的SML网表，再将网表导入Simplorer软件中就能创建出如图4所示的变压器模型。Simplorer软件中的主电路模型与Matlab/Simulink平台中的控制电路模型[9-12]分别如图5和图6所示。图7所示左边为Simplorer软件中的Simulink连接部件，右边的AnsoftSFunction为Matlab/Simulink中用于实现Simulink与Simplorer的连接。

图8和图9所示分别为30V输入电压下仿真得到的并网电压电流波形和原副边电流仿真波形。从图中可以看出，并网电流和电网电压同频同相，原副边电流在半个电网周期内均呈正弦包络线波形，仿真结果与理论分析一致。

图4 Simplorer变压器模型

图5 Simplorer主电路模型

图6 Matlab/Simulink控制电路仿真模型

图7 Simplorer、Simulink连接部件

图8 Simplorer中并网电压电流波形

5 实验验证

根据第3节中的仿真参数设计了一台交错反激PVMI实验样机，下面给出输入电压30V满载时的实验波形。图10为并网电压电流实验波形，测得此时并网电流的THD值为4.41%。图11为两路反激原边电流ip1、ip2实验波形，从图中可以看出一个电网周期内ip1、ip2近似为正弦双半波，且两路反激较好地实现了均流控制。图12为30V输入电压不同负载下样机的效率曲线图，样机的峰值效率为93.6%。

图9 Simplorer中原副边电流仿真波形

图10 并网电流与电网电压实验波形

图11 两路反激原边电流实验波形

6 结论

本文介绍了交错反激PVMI的工作原理及其并网电流控制策略；介绍了通过联合PExprt、Simplorer和Matlab/Simulink三款软件对交错反激PVMI电路进行仿真的方法；最后通过实验验证了理论分析的正确性和仿真方法的可行性。