微型光伏并网逆变器的设计与仿真研究

文/雷杨松 边敦新 路莲，山东理工大学电气与电子工程学院

光伏并网发电技术已成为新能源领域的研究热点。光伏并网微逆变器能够独立实现单块光伏电池板的最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT），克服传统集中式逆变器能源利用率低的缺点，且基于反激变换器的单相并网微逆变器又因其结构简单、成本低、可靠性高而备受关注。反激式微逆变器工作模式分为电流断续模式（discontinuous conduction mode，DCM）和电流连续模式（continuous conduction mode，CCM），相比DCM 模式，运行于CCM 模式时反激式微逆变器电流应力小，开关频率低，效率较高。将交错技术运用于反激式微逆变器，可有效提高光伏电池板的利用率，降低系统损耗，减小电流纹波。因此CCM 交错反激式微逆变器具有广泛的应用前景和研究价值。

1 微型光伏并网逆变器的概述

随着传统能源的日益枯竭，环境污染的加剧，促进了新能源的快速发展，其中光伏发电是新能源应用领域的重要形式之一。传统的组串式光伏发电系统是由多个光伏组件构成的光伏阵列产生高压直流电。再经过光伏并网逆变器转换为交流电并入电网。当部分光伏组件被遮挡时，会引起光伏组件的热斑效应，降低整个光伏发电系统的效率，并且这种逆变器体积较大，还要为系统散热增加风扇。分布式光伏并网发电是每块光伏组件连接一个光伏并网微型逆变器组成的光伏发电系统，独立的最大功率点跟踪可降低由于光伏组件和逆变器功率不匹配而产生的功率损耗，采用单级交错并联反激变换器减小了变压器和滤波器的体积，适合在建筑物屋顶建立小型光伏发电系统。基于此，本文将针对微型光伏并网逆变器的设计与仿真进行研究。

光伏并网逆变器是应用在太阳能光伏并网发电领域的专用逆变器，它不仅是一个电力变换装置，还具备一定的控制功能，负责控制光伏发电系统的启动与停机、电压调节、光伏电池最大功率点跟踪、反孤岛保护、电能质量调整等。光伏并网逆变器的性能决定着整个光伏并网系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素，它是并网系统能量转换的核心部件。光伏并网逆变器的分类方式有多种，通常为按功率等级和隔离方式分类。

逆变器是指将直流电转换为交流电的电力电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当应用于交流负载时，逆变器是很重要的设备。它可使得转换后的交流电的电压频率与电力系统向负载提供的交流电的电压、频率一致。尽管光伏发电系统的输出受太阳电池的温度、日照强度的影响，但逆变器可使太阳电池的出力最大。同时，逆变器还可以抑制高次谐波的电流。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。

2 微型光伏并网逆变器的电路与控制原理

2.1 系统控制原理

为了提高功率密度、减小变压器体积，将两个相位相差180o的反激变换器1 和反激变换器2 进行交错并联，在高频PWM 驱动信号下交错导通。反激变换器主开关管Q1、Q2 的开关频率与占空比是由检测到的反激变压器初级输入电压和次级输出电压、初级输入电流和次级输出电流经过模数转换为数字信号由DSC 再结合M PPT 算法得到。

图1 交错反激式微逆变器拓扑结构图

交错并网反激式光伏并网微型光伏并网逆变器主要工作波形如图2所示。

图2 光伏并网逆变器的关键波形

反激变换器次级输出电压是包络线为正弦半波的高频“馒头波”Us，经过整流二极管D 和滤波电路以后输出为平滑的正弦半波UD，再送往由QS1～QS4 组成的全桥反转电路。由互补的电网电压工频PWM 波将正弦半波反转为正弦波，最后经过LC 滤波器后。即可得到符合并网要求的工频正弦交流电流IG。其中，全桥反转电路的4 个开关管为MOSFET 管，当检测到的电网电压为正时，QS1/QS3 导通，当电网电压为负时，QS2/QS4 导通，由于MOSFET管的导通与关断仅在电网电压换向时进行，因此QS1～QS4 的开关损耗很小。

2.2 微逆变器控制算法分析

逆变器输出电流峰值和电网电压峰值分别用IOP和Uαc表示，则逆变器输出峰值功率POP的表达式为：

设光伏组件输出电压为UPV，电网电压角频率为Gω，由于光伏并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，因此光伏并网逆变器的瞬时输出功率POUT可表示为：

由于光伏并网逆变器是一个向电网做功的电流源，因此逆变器选择工作在临界电流模式（BCM），故必须满足如下两个条件：①反激变压器的励磁时间和去磁时间之和等于开关周期TS；②在每个开关周期内，反激变换器输出的平均功率Paverage需满足下式的逆变器瞬时输出功率：

设反激变压器的MOS 开关管占空比为D，电网电压为UG，反激变压器初级和次级匝数比n=NP/NS，则在临界电流模式（BCM）的第①条件下以及反激变压器的伏秒平衡可得：通过变换可得占空比D的表达式：

设LP为反激变压器初级绕组电感量，则在每个开关周期内反激变压器初级电流峰值ISP可表示为：

在每个开关周期内，单路反激变压器的能量转换表达式为：

本文设计的光伏逆变器由两路交错反激变换器构成，因此逆变器输入和输出能量表达式为：

可得开关周期ST表达式为：

3 微逆变器硬件系统分析

硬件平台是关系整个监控系统正常运行的基础，硬件结构的合理与否直接影响到系统输出功率的大小、运行状态的优劣。由于微逆变器需要体积小，功率不高且可靠性高的特点，决定了主拓扑选用带有源钳位的交错反激电路和全桥电路。

图3为微型光伏逆变器的系统框图。硬件部分主要由四部分构成，分别是主拓扑电路、信号调理电路、主芯片及其控制电路、通信电路。主拓扑由输入滤波电路、交错反激电路、工频逆变电路、EMI电路组成，实现从光伏板的直流电输入到输出交流电流并入电网。微型光伏逆变器采用，dsPIC33FJ16GS504 为主控芯片，并且通过驱动电路实现主拓扑的控制。主芯片与WIFI 模块通过串口方式连接，将采集到的光伏发电状态信息发送到WIFI 模块串口端。口端接收到实时信息并通过WIFI 内部转换，以TCP 数据包形式经无线路由器发送到数据库。

图3 硬件平台系统图

4 微逆变器软件设计分析

微逆变器作为控制对象，如何提高光伏组件的发电量，如何提高系统的安全性、可靠性是进行微逆变器软件设计的重点。本研究中微逆变器设计采用微芯公司的dsPIC33FJ16GS504 作为主控芯片，根据设计需求及软件相关要求，完成微逆变器并网发电软件的设计。软件设计主要包含对MPPT 跟踪控制、电网电压锁相环PLL、反激均流控制、孤岛保护、故障检测、WIFI 通信等。

4.1 微逆变器整体软件设计

采取中断方式完成微逆变器软件相关设计，首先在主程序内完成相关标志位的设置及AD 采样、串口、定时器、PWM 及I/O 等硬件的初始化，程序则进入循环等待状态，当一但有中断程序触发时，将跳出循环转而执行相关中断程序。

4.2 中断服务程序设计

微逆变器系统控制程序主要通过中断程序中来完成。综合考虑系统开销，对微逆变器主要工作设置在三个中断程序内即AD 中断服务程序、定时器T2 中断服务程序、串口中断服务程序。AD 中断程序中完成电网频率的检测、数字锁相环、PWM 驱动等。定时器中断完成MPPT、反激均流、故障检测等功能。串口中断程序完成数据的收发功能。

4.3 均流程序设计

微逆变器采用了交错反激电路作为拓扑，由于两个反激电路的开关器件、二极管、变压器实际参数不可能完全相同，所以相同占空比输出的电流也一定有所差别。为了使两个反激电路输入的电流一定，防止电流不平衡导致器件的损坏，所以设计了均流程序。均流程序每隔10ms 运行一次，通过计算两个反激电路输入电流的差值进行PI 运算，得到占空比的补偿值，从而实现交错反激电路的均流控制示。

4.4 MPPT 程序设计

光伏并网一般常采用扰动观察法和电导增量法实现MPPT 控制，由于交错反激为电流源系统，不能对PV 侧电压进行控制，故本程序通过对电流追踪控制实现MPPT 功能。在硬件设计中，为了节约成本，省去了PV 电流采样传感器，因此，该电流无法直接测得。为此，本文在设计中，对反激拓扑分析，将PV 侧电流等效成流过解耦电容电流与励磁电流之和，建模求解出PV 侧电流。再根据采样得来的PV 电压，计算出PV 功率值。然后增加电压扰动并不断采样计算前后两次PV 输出功率的差值，以此作为调节PV 板输出电压的依据，进而修改并网电流的参考值，完成最大功率的跟踪过程。

5 实验验证

基于以上理论分析，搭建一台额定功率300 W 的光伏并网逆变器样机。逆变器输入电压36 V，解耦电容为4 个并联的2 200 μF电解电容，反激变换器开关管为耐压150 V 的BSCl90N15NS，变压器初级激磁电感为3.8μH，漏感为0.2 tμH，开关频率范围为100 kHz～300kHz，次级整流二极管为C4D02120A.全桥反转电路MOS管为耐压800 V 的SPBl7N80C3，滤波电感Lf 为3 mH 的共模电感，滤波电容Cf 为3.3μF，电网电压为220 V，电网电压频率为50Hz。图4为系统控制核心DSC 输出的两路PWM 驱动波形，用来驱动反激变换器的主开关管；图5是反激变压器次级输出电压的“馒头波”，以及经过整流二极管和滤波电路以后，反激变换器输出的正弦半波，可看出正弦半波是“馒头波”的包络线：图6是“馒头波”经过放大以后的波形，图7为光伏并网逆变器输出电流和电网电压波形，可见并网电流k 的波形十分平滑，且与电网电压%呈现同频同相状态。通过多次实验，测得该样机并网电流谐波总含量THD≤3%，完全符合国家规定的低于5%的并网标准。经过测试.当输入直流电压40V 时，本文设计的光伏并网微型光伏并网逆变器最大平均电能转换效率可高达95.35%。

图4 反激变换器驱动波形

图5 反激变换器输出波形

图6 放大后的“馒头波”波形

图7 逆变器输出电流和电网电压波形

5 结语

基于理论分析和样机实验，本文设计的单相光伏并网微型光伏并网逆变器单级转换效率高、体积小、成本低、控制简单、稳定可靠，还具有高频电气隔离特性。逆变器输出的并网电流THD 含量较低。能为电网输送高质量的电能。因此本文设计的光伏并网微型光伏并网逆变器能够广泛适用于建筑物屋顶搭建的小型光伏发电系统。本文设计了微型光伏并网逆变器，分别对系统的硬件电路和软件实现做了详述。并且通过实验验证了该微型光伏并网逆变器实现了最大功率跟踪，并网等功能，且满足实际应用的需求，在实验中取得了理想的应用效果。