基于LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案

0 引言

隨著光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，對提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性、以及整個系統(tǒng)的使用壽命、降低成本至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器按照有無隔離變壓器可分為隔離型和非隔離型兩大類。非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但是由于其跟電網(wǎng)之間沒有進(jìn)行隔離，容易向電網(wǎng)饋入直流分量和諧波，增加系統(tǒng)傳導(dǎo)損耗，而且容易發(fā)生觸電危險，對人構(gòu)成傷害。隔離型光伏并網(wǎng)逆變器可分為工頻隔離型和高頻隔離型。由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)保證不會向電網(wǎng)饋入直流分量，而且更安全。但是工頻變壓器成本高、體積大又笨重，所以工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器不利于小型化和廣泛使用。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器雖然解決了前者體積大和笨重的問題，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了元器件數(shù)量提高了成本，整體效率并不高。

綜合以上考慮，本文提出了一種利用LLC諧振電路進(jìn)行隔離的高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案，將隔離型和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)點結(jié)合到一起，既減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，又提高了電能質(zhì)量和安全性。而且由于使用LLC諧振電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC-DC級功率器件的軟開關(guān)，可以大大降低功率器件的開關(guān)損耗，因此能顯著提高整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和器件的使用壽命。

1 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及基本原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

采用LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括DC-DC 直流升壓級和DC-AC 逆變級兩級結(jié)構(gòu)，前級負(fù)責(zé)對太陽能電池陣列傳送過來的直流電進(jìn)行升壓和最大功率跟蹤，后級負(fù)責(zé)對前級傳送過來的直流電進(jìn)行逆變，最后經(jīng)過濾波電路后進(jìn)行并網(wǎng)。

1.2 工作原理

光伏并網(wǎng)逆變器通過使功率器件有規(guī)律的開通、關(guān)斷來控制電能的傳輸，功率器件的開通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式來控制。太陽能電池產(chǎn)生的直流電首先送給DC-DC 電路，DC-DC 級執(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)算法，使太陽能電池始終工作在最大功率點。

經(jīng)過最大功率點跟蹤控制后DC-DC電路將太陽能電池的電能進(jìn)行升壓變成適合DC-AC 級的直流電，然后送到DC-AC級將直流電變換成交流電?？刂破鲗Σ蓸与娐凡扇〉碾娋W(wǎng)電壓或電流相位進(jìn)行跟蹤計算，然后通過調(diào)節(jié)DC-DC級功率器件開關(guān)使逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，最后通過輸出濾波電路或隔離變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本文DC-DC級輸入200~300 V,輸出400 V 直流電壓，輸出功率500 W,滿載時功率因數(shù)不低于94%.DC-AC級輸入直流電壓400 V,功率等級600 W,功率因數(shù)為1.

2 LLC電路分析

本文采用LLC諧振電路代替工頻變壓器進(jìn)行隔離，這是跟傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器所不同的地方，也是其優(yōu)點所在。傳統(tǒng)工頻隔離變壓器體積大、笨重、成本高，采用LLC諧振電路進(jìn)行隔離可以大大縮小逆變系統(tǒng)的體積，提高效率和功率密度。LLC 諧振電路是在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路基礎(chǔ)上，將變壓器勵磁電感Lm 串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個LLC諧振電路[4].相比傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路，由于增加了一個諧振電感，使得電路諧振頻率降低，無需使用額外輔助網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開關(guān);其次，變壓器副邊整流二極管可以有條件的工作在零電壓關(guān)斷，減小了二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗;而且其適合工作在寬的電壓輸入范圍下，輸入電壓越高，效率越高，在工作點最優(yōu)時可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率。

本文采用了一個半橋LLC串聯(lián)諧振電路，如圖2所示。半橋LLC 串聯(lián)諧振電路包含輸入電容C1 、C2 ,MOSFET Q1 、Q2 ,諧振電感Lr ,諧振電容Cr ,變壓器T1 ,輸出整流二極管D1 ~ D4 和輸出電容C3 .

由于增加了一個諧振電感，LLC諧振電路具有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Lr 和諧振電容Cr 的諧振頻率fr ,另一個是Lm 加上Lr 與Cr 的諧振頻率fm .計算公式如下：

在串聯(lián)諧振電路中，工作頻率fs 高于fr 時才能保證開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，而在LLC電路中，只要保證fs 高于fm 就能實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS.下面對它的工作過程進(jìn)行簡單分析。

LLC電路根據(jù)開關(guān)頻率范圍可以分為四種模式，本文只討論fr>fs>fm 模式下的工作原理，一個開關(guān)周期內(nèi)整個工作過程如下所述，工作波形如圖3所示，PS1 ,PS2 分別為Q1 ,Q2 的驅(qū)動脈沖波形：

[ t0 - t1 ]階段：t0 時刻諧振電流為負(fù)，Q1 體二極管導(dǎo)通，Q1 兩端電壓鉗位在0,此時讓Q1 導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通。能量從電源正極流向C1 ,C2 中點，Lr ,Cr 諧振，諧振電流ILr經(jīng)過開關(guān)管Q1 并以正弦形式逐漸上升，流過變壓器原邊的電流IT1為諧振電流ILr與勵磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負(fù)，副邊極性也為上正下負(fù)，因此D1 、D4 自然導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被鉗位在nVo(n 為變壓器變比)，勵磁電流線性上升。

經(jīng)過半個周期諧165現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷振時Q1 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。半個周期之后諧振電流開始減小，勵磁電流繼續(xù)線性上升，t1 時刻諧振電流與勵磁電流相等。

[ t1 - t2 ]階段：t1 時刻諧振電流ILr等于勵磁電流ILm,變壓器原邊電壓為0,副邊電壓也為0,副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵磁電感Lm開始參與諧振。由于Lm 要比Lr 大很多，LLC諧振周期明顯變長，所以諧振電流基本不變。t2 時刻Q1 關(guān)斷。

[ t2 - t3 ]階段：t2 時刻Q1 關(guān)斷，此時Q2 也處于關(guān)斷狀態(tài)，電路進(jìn)入死區(qū)時間。諧振電流ILr對Q2 的結(jié)電容放電，當(dāng)它的電壓降到0時，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性變?yōu)樯县?fù)下正，副邊整流二極管D2 、D3 自然導(dǎo)通，勵磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。諧振電流開始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律減小，勵磁電流線性減小。t3 時刻Q2 零電壓開通。

[ t3 - t4 ]階段：t3 時刻Q2 零電壓開通，與第一階段類似，Lr 、Cr 諧振，諧振電流以正弦形式減小，勵磁電流線性減小。t4 時刻諧振電流等于勵磁電流。

[ t4 - t5 ]階段：t4 時刻開始變壓器原邊電壓為0,副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵磁電感不再被輸出電壓鉗位，開始參與諧振。LLC諧振電流基本不變。

[ t5 - t6 ]階段：與[ t2 - t3 ]階段類似，電路進(jìn)入死區(qū)時間，Q1 、Q2 全部關(guān)斷，諧振電流ILr對Q1 的結(jié)電容充電，當(dāng)它的電壓等于電源電壓時，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性上正下負(fù)，副邊整流二極管D1 、D4 自然導(dǎo)通，勵磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。

諧振電流開始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律增大，勵磁電流線性增大。t6 時刻Q1 零電壓開通，開始進(jìn)入下一個周期。

在[ t1 - t2 ]階段和[ t4 - t5 ]階段，假設(shè)諧振電流不變，設(shè)為Im ,則輸出電壓Uo 可表示為：

式中：Ui 為輸入電壓;T 為開關(guān)周期;Ts 為Lr 和Cr 諧振時的諧振周期。從式中可以看出，當(dāng)T = Ts 即fr = fs 時這種情況下[ t1 - t2 ]階段和[ t4 - t5 ]階段將不存在，諧振電流是純粹的正弦波，副邊整流電路輸出電流臨界連續(xù)，均方根值最小，開關(guān)管導(dǎo)通損耗最小，電路效率最高[8].所以，當(dāng)LLC電路工作在諧振頻率時，效率最高。本文中LLC電路的主要作用就是隔離，在保證隔離的基礎(chǔ)上要使效率最高，因此本文中使開關(guān)管的開關(guān)頻率等于諧振頻率。

3 最大功率點跟蹤控制策略

3.1 最大功率跟蹤基本原理

太陽能電池是一種非線性直流電源，它的輸出受太陽光照條件的和溫度等環(huán)境影響非常大。在一定太陽照度和一定結(jié)溫的條件下，當(dāng)光伏電池的端電壓(電流)發(fā)生變化時，其工作點也會沿著曲線變化。但是，一定會存在一個點，使得太陽能電池輸出的功率最大。這一點就被稱為最大功率點，尋找這一最大功率點的技術(shù)就被稱為最大功率跟蹤技術(shù)(Maximum Power Point Track-ing,MPPT)。

在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為了獲得最大功率需要使負(fù)載的電阻等于電源內(nèi)阻。但太陽能電池是一個非線性電源，它的內(nèi)阻受環(huán)境影響而不斷變化，為了進(jìn)行負(fù)載電阻匹配從而獲得最大功率，就需要不斷調(diào)整負(fù)載阻值。DC-DC變換器的等效電阻跟開關(guān)管的工作狀態(tài)有關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)它的占空比來改變它的等效電阻，使它的等效阻值一直等于太陽能電池的內(nèi)阻，這樣就可以使太陽能電池一直工作在最大功率點。

這就是光伏并網(wǎng)逆變器最大功率跟蹤的基本原理。

3.2 最大功率跟蹤算法

目前常用的最大功率跟蹤算法主要有恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等幾種，其中電導(dǎo)增量法以優(yōu)良的跟蹤性能倍受青睞。下面簡單介紹其工作原理。圖4是太陽能電池特性曲線圖。由圖可以看出，在最大功率點的時候功率曲線斜率為0,即功率P 對電壓V 的導(dǎo)數(shù)為0,所以有dPdU =0,又因為P=UI,所以：

由上式可知，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)數(shù)時，太陽能電池工作在最大功率點。具體實現(xiàn)方法是：通過檢測太陽能電池的輸出電壓和電流，根據(jù)上一個采樣周期電壓和電流的值計算出變化量;然后判斷電壓的變化量是否為零。若為零，再判斷電流的變化量是否為零，若都為零，則表示阻抗一致，則參考電壓Vref不變，占空比不變。若電壓變化量為零，電流變化量不為零，則表示光照強(qiáng)度有變化，根據(jù)電流的變化方向來決定擾動方向。當(dāng)電壓變化量不為零時，判斷是否符合上式，若符合，表示在最大功率點。若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，功率點在最大功率點左側(cè)，需要增大Vref ,反之需要減小Vref .

4 結(jié)語

本文鑒于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器使用工頻變壓器進(jìn)行隔離的不足而提出了一種利用半橋LLC串聯(lián)諧振電路進(jìn)行隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案，該設(shè)計方案通過將傳統(tǒng)變壓器隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和采用LLC 諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行對比分析可知，半橋LLC 串聯(lián)諧振電路能實現(xiàn)開光管的零電壓開關(guān)，減小開關(guān)損耗，從而大大提高逆變器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。而且LLC諧振電路體積小，重量輕，成本低，易于實現(xiàn)小型化和模塊化，有助于光伏并網(wǎng)逆變器的廣泛推廣使用，以此證實了改方案的具有很強(qiáng)的實用性。