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)?，但是尤其是?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。