基于dsPIC的PV逆變器的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)目前PV光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心逆變器的現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)和控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從電網(wǎng)、PV系統(tǒng)及用戶的需求出發(fā)，指出傳統(tǒng)的單級(jí)全橋逆變器普遍具有不能處理較寬的輸入PV電壓，且需要重型工頻升壓變壓器等缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于單級(jí)全橋逆變器的并聯(lián)耦合改進(jìn)結(jié)構(gòu)。實(shí)測(cè)證明這種并聯(lián)耦合反激結(jié)構(gòu)可以有效地減小通過(guò)大容量輸入電解電容的紋波電流的RMS，從而延長(zhǎng)電容的壽命；還可減小輸出電流的紋波，從而降低輸出電流的THD(諧波失真)；還可適應(yīng)較寬的輸入電壓，減小交流紋波，減小磁芯，同時(shí)可以提供較高的額定輸出電流等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；并聯(lián)耦合；反激式轉(zhuǎn)換器；SCR全橋電路

0 引言
    PV系統(tǒng)作為一種便捷和前景廣闊的可再生能源，與風(fēng)能等其他形式的可再生能源相比，PV能源系統(tǒng)具備許多優(yōu)勢(shì)。如能夠?yàn)閱螇K面板和整個(gè)系統(tǒng)提供最佳轉(zhuǎn)換效率，更低的安裝成本等。但是目前大多數(shù)PV系統(tǒng)的核心都采用單級(jí)全橋逆變器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不能有效使用較寬的輸入PV電壓，而且變壓器磁芯體積較大，實(shí)際使用中會(huì)產(chǎn)生較大的交流紋波。為適應(yīng)大的輸入電壓范圍，通常使用兩級(jí)拓?fù)洌怯绕涫菍?duì)于單PV電池板系統(tǒng)而言，兩級(jí)拓?fù)鋾?huì)使系統(tǒng)變得成本高昂且復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種采用并聯(lián)耦合的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)際證明采用這種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)可以有效的解決上述矛盾。

1 系統(tǒng)原理
    本文設(shè)計(jì)采用反激式轉(zhuǎn)換器來(lái)產(chǎn)生與電網(wǎng)同相和同步的正弦輸出電壓和電流。該微逆變器可以和如下參數(shù)的PV模塊連接：在DC25～45 V的輸入電壓范圍內(nèi)，可輸出最大220 W的功率，最大開(kāi)路電壓為55 V。由于逆變器需要接入電網(wǎng)，則設(shè)計(jì)符合EN61000-3-2、IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范(NEC)690等標(biāo)準(zhǔn)。

    如圖1所示，將太陽(yáng)能微型逆變器模塊接入電網(wǎng)包含兩個(gè)主要工作：一是確保太陽(yáng)能微型逆變器模塊工作于最大功率點(diǎn)(MPP)；二是將正弦電流注入電網(wǎng)。圖中微逆變器主要負(fù)責(zé)把PV電池板的輸出電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同相的正弦輸出電流和電壓。電壓轉(zhuǎn)化的過(guò)程必須在其最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)完成。MPP是PV模塊向負(fù)載提供最大能量時(shí)的PV輸出電壓。
    EMI／EMC濾波器主要用于抑制EMI／EMC噪聲，并在逆變器輸出和電網(wǎng)間提供阻抗。控制器和所有反饋電路的輔助電源由PV電池板電壓提供。核心控制器采用MicrochipdsPIC33F“GS”系列器件(dsPIC33FJ16GS504)，用來(lái)控制從PV電池板流向電網(wǎng)的功率。同時(shí)該MCU還負(fù)責(zé)MPPT算法、故障控制，以及數(shù)字通信程序。并網(wǎng)太陽(yáng)能微逆變器的關(guān)鍵要求是在受太陽(yáng)能照射和環(huán)境溫度變化影響所導(dǎo)致的寬范圍的輸入電壓和輸入功率下提供高效率。而且，微逆變器必須高度可靠，即使用壽命長(zhǎng)。

2 主要模塊設(shè)計(jì)
2．1 并聯(lián)耦合反激式轉(zhuǎn)換器模塊
    如圖2所示，并聯(lián)耦合反激轉(zhuǎn)換器可有效地減小通過(guò)大容量輸入電解電容的紋波電流的RMS，從而延長(zhǎng)電容的壽命。并聯(lián)耦合反激還可減小輸出電流的紋波，從而降低輸出電流的THD(諧波失真)。來(lái)自PV模塊的直流輸入被饋送到反激初級(jí)。反激MOSFET可由經(jīng)調(diào)制的高頻正弦PWM驅(qū)動(dòng)，以在反激輸出電容上產(chǎn)生整流的正弦輸出電壓／電流。兩個(gè)反激轉(zhuǎn)換器的工作相位相差180°，以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)運(yùn)行。反激結(jié)構(gòu)有兩種工作模式。模式1：當(dāng)反激MOSFET導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在反激變壓器的初級(jí)。二極管(D1／D2)處于截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)槭┘拥皆摱O管上的電壓與變壓器次級(jí)繞組形成反向偏置。在此期間，反激變壓器像電感那樣工作，變壓器的初級(jí)電流(Ipei1／Ipri2)線性增大。負(fù)載電流由輸出電容提供。模式2：當(dāng)反激MOSFET關(guān)斷時(shí)，施加在初級(jí)繞組上的電壓會(huì)反向，從而產(chǎn)生次級(jí)繞組的電壓，該電壓使輸出二極管(D1／D2)正向偏置。初級(jí)中存儲(chǔ)的能量會(huì)傳送到次級(jí)，這會(huì)使輸出電容充電并為負(fù)載提供電流。在此期間，輸出電壓會(huì)直接施加于變壓器次級(jí)繞組，進(jìn)而使二極管電流線性減小。緩沖電路二極管、電容和有源鉗位電路MOSFET以及電容用于將反激初級(jí)MOSFET電壓鉗位在安全值。經(jīng)調(diào)制的正弦PWM產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的正弦初級(jí)MOSFET電流，從而產(chǎn)生二極管的次級(jí)二極管電流。經(jīng)調(diào)制的正弦次級(jí)二極管電流的平均值會(huì)在輸出電容上產(chǎn)生整流正弦電壓／電流。

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    如圖3中所示，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)并聯(lián)耦合且相位相差180°的反激轉(zhuǎn)換器。在輸入側(cè)，從PV電池板獲取的總輸入電流等于兩個(gè)反激MOSFET的電流(Ipv1和Ipv2)之和。由于通過(guò)兩個(gè)反激變壓器MOSFET的紋波電流存在相位差，因此它們將互相抵消，從而減小了輸入側(cè)的總紋波電流。占空比為50％時(shí)，可達(dá)到最佳的紋波電流抵消效果。在輸出側(cè)，通過(guò)輸出電容的電流(Ic)等于兩個(gè)二極管的電流(ID1和ID2)之和減去輸出電流(Iload)。

    因此，改進(jìn)型單級(jí)交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器可以有效解決傳統(tǒng)單級(jí)逆變器的許多不足之處；如無(wú)法消除電流紋波，即需要更大的輸入和輸出電容；磁芯較大；半導(dǎo)體器件的額定電流較高等。
2．2 可控硅全橋整流模塊
    SCR全橋用于將整流輸出電壓／電流轉(zhuǎn)換成正弦電壓／電流。全橋逆變電路克服了傳統(tǒng)推挽電路的缺點(diǎn)，功率開(kāi)關(guān)管Gate1和Gate2反相，相位互差180°，調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有能使Gate1和Gate2共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)產(chǎn)生畸變。因此SCR以工頻進(jìn)行開(kāi)關(guān)。數(shù)字PLL用來(lái)保證逆變器的輸出與電網(wǎng)同步。MPPT控制輸出電流幅值／有效值。輸出電流的波形由電流控制環(huán)進(jìn)行控制。反激MOSFET的正弦調(diào)制PWM信號(hào)控制將能量傳送至逆變器的輸出電容。如圖4所示。

3 逆變器軟件設(shè)計(jì)
    此太陽(yáng)能微型逆變器軟件結(jié)構(gòu)主要是由太陽(yáng)能微型逆變器的狀態(tài)機(jī)(包括功率轉(zhuǎn)換程序)組成。微逆變器軟件采用狀態(tài)機(jī)來(lái)確定系統(tǒng)的工作模式。狀態(tài)機(jī)在定時(shí)器中斷服務(wù)程序(Interrupt Service Routine，ISR)內(nèi)每隔100μs執(zhí)行1次。狀態(tài)機(jī)對(duì)片上外設(shè)進(jìn)行配置以執(zhí)行正確的功率轉(zhuǎn)換算法。
    部分程序代碼如下：
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    系統(tǒng)初始化過(guò)程：當(dāng)太陽(yáng)能微型逆變器開(kāi)啟時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入初始化程序，將其所有外設(shè)、變量和常量初始化。系統(tǒng)的狀態(tài)將初始化為系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)首先監(jiān)視所有系統(tǒng)變量和輸入輸出的狀態(tài)。如果檢測(cè)到任何故障，它會(huì)檢查：電網(wǎng)電壓條件，電網(wǎng)頻率條件，逆變器輸出交流電流條件，PV電池板電壓條件和反激MOSFET電流條件。如果上面描述的任一條件沒(méi)有在指定限值之內(nèi)，則狀態(tài)機(jī)會(huì)將系統(tǒng)狀態(tài)切換到SYSTEM_ERROR模式。如果所有條件均在指定限值范圍之內(nèi)，狀態(tài)機(jī)將首先計(jì)算輸入PV電壓和輸出電網(wǎng)電壓及其頻率，然后設(shè)置systernStart Flag以啟動(dòng)系統(tǒng)使其正常工作。它會(huì)重新初始化所有必需的控制環(huán)變量，以確保在PWM初始切換期間的可靠工作。在將所有必需的控制環(huán)變量初始化之后，系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)切換到DAY_MODE工作模式。如果其中有任一條件未滿足，則會(huì)切換到SYSTEM_ERROR工作模式。

4 測(cè)試結(jié)果
    圖5所示為單級(jí)并聯(lián)耦合微逆變器實(shí)測(cè)電網(wǎng)電壓和電流，圖中峰值較大的為電網(wǎng)電壓信號(hào)，峰值較小的是電網(wǎng)電流信號(hào)。圖6所示是PV電池板的電壓紋波和電流紋波。按照GB／T 19939-2005的要求，光伏并網(wǎng)逆變器總輸出諧波電流應(yīng)小于逆變器額定輸出的5％。

    如表1所示，由實(shí)測(cè)結(jié)果可知該微逆變器的主要指標(biāo)達(dá)到：最大輸出功率為185 W，標(biāo)稱輸出電壓為230 V，標(biāo)稱輸出電流為0．8 A，輸出電壓范圍為180～264 V，標(biāo)稱輸出頻率為50 Hz，輸出頻率范圍為47～53 Hz，功率因數(shù)大于等于0．95，總諧波失真小于等于5％，效率為最大效率等于95％。最大功率點(diǎn)追蹤為99．5％，最小效率大于0．8。實(shí)測(cè)證明，單級(jí)并聯(lián)耦合微逆變器具有交流紋波小，輸入電壓范圍大，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了一種新型太陽(yáng)能并網(wǎng)單級(jí)并聯(lián)耦合微逆變器。該逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波，正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出波形好，失真度低，對(duì)通信設(shè)備無(wú)干擾，噪聲也很低。此外，保護(hù)功能齊全，對(duì)電感性和電容型性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。而MOSFET功率器件的采用使得逆變器具有開(kāi)關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，線性好，過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。