推挽正激式准单级高频环节光伏并网逆变器.pdf

第 4 8卷第 6期 2 01 4年 6月 电力 电子技 术 P o we r E l e c t r o n ic s Vo 1 4 8，No 6 J u n e 2 01 4 推挽正激式准单级高频环节光伏并网逆变器 张 杰 ，黄伏 送 ，严 斌 ，陈道 炼 ( 福州大学， 电力电子与电力传动研究所 ，福建 福州3 5 0 1 1 6 ) 摘要 ： 分析研究了推挽正激式高频环节光伏并网逆变器的电路拓扑、 开路电压法与变步长扰动观察法相结合 的双模式最大功率点跟踪( M P P T ) 控制 、 输入电压外环和输出电流内环的双环 P WM控制策略。 给出了关键 电 路参数设计准则。该电路拓扑是由推挽正激式直流变换器和极性反转逆变桥级联构成， 属于准单级 电路结构。 D C 1 k V A 4 8 V 2 2 0 V 5 0 H z光伏并网逆变器样机 的设计、 仿真与实验结果表明。 该光伏并网逆变器具有高频 电气 隔离 、准单级功率变换 、 MP P T准确 、极性反转逆变桥功率 开关 电压应 力低 且为零电压零 电流开关 ( Z V Z C S ) 、 变换效率高、 并网电流质量高等优点， 在中小容量光伏并网逆变场合具有重要应用价值。 关键词 ： 逆变器 ；高频环节 ；最大功率点跟踪 中圈分类号 ： T M 4 6 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 0 一 1 0 0 X( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 3 2 0 4 P u s h - p u l l F o r w a r d DC DC C o n v e r t e r Mo d e Qu a s i S in g l e - s t a g e P h o t o v o l t a ic Gr id - c o n n e c t e d I n v e r t e r s W it h Hig h F r e q u e n c y Lin k Z HANG J ie，HUANG F u - s o n g，YAN Bin，C HE N Da o 1 i a n ( P o w e r E l e c t r o n i c s a n d D r i v e s R e s e a r c h I n s t it u te o f F u z h o u U n i v e r s i t y ，F u z h o u 3 5 0 1 1 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： A c i r c u it t o p o l o g y ， t h e d u a l m o d e m a x i mu m p o w e r p o in t t r a c k i n g ( MP P T)s tr a t e gy c o m b i n e d t h e o p e n c i r c u i t v o l t a g e me tho d w it h t h e v a r ia b l e s t e p d is t u r b a n c e o b s e r v a t io n me t h o d d u a l - l o o p P W M c o n t r o l s t r a t e gy t I l t h e in p u t v o l t a g e a s the o u t e r l o o p a n d the o u t p u t c u r r e n t a s the i n n e r l o o p o f the p u s h - p u l l f o r w a r d DC D C c o n v e e r mo d e p h o t o v o l t a ie g r id - c o n n e c t e d i n v e r t e r s w ith h ig h f r e q u e n c y l i n k a r e d e e p l y i n v e s t i g a t e d， a n d the d e s ig n c r it e ria s f o r t h e k e y c ir c u i t p a r a me t e r s a r e g i v e n I t s c i rcu i t c o n f i g u r a t i o n i s c o n s t i t u t e d o f the p u s h p u l l forw a r d D C DC c o n v e a e r a n d p o l a r it y r e v e rsa l i n v e r tin g b ri d g e w h i c h b e l o n g s t o the q u a s i s in g l e - s t a g e s t r u c t u r e T h e s i mu l a t io n a n d e x p e ri me n t a l r e s u it s o f t h e D C 1 k V A 4 8 V 2 2 0 V 5 0 Hz p h o t o v o l t a i c g I id - c o n n e c t e d in v e rt e rs p r o t o t y p e s h o w tha t thi s in v e r t e r h a s the a d v a n t a g e s s u c h a s h ig h f req u e n c y e l e c t r i c al is o l a t i o n， q u a s i s i n g l e - s t a g e c o n v e r s i o n， a c c u r a t e MP P T， t h e p o l a r it y r e v e rsa l i n v e r t i n g b rid g e S p o w e r s w it c h e s h a v in g l o w v o l t a g e s t r e s s a n d z e r o v o k a g e z e ro c u r r e n t s w i t c h ( Z V Z C S ) ， h ig h c o n v e rs i o n e ffi c ie n c y ， h ig h q u a l i t y g r i d c o n n e c t e d c u r r e n t a n d S O o n ， a n d h a s a h ig h a p p l i c a t io n v al u e i n p h o t o - v o l t a ic s a id c o n n e c t e d in v e rte r fi e l d s o f s ma l l a n d me d iu m s iz e d c a p a c it y Ke y wo r d s： i n v e rte r ；h i S h f r e qu e n c y l i n k；maxi mu m p o w e r p o in t t r a c k in g F o u n d a t io n P r o j e c t ： S u p p o s e d b y R e s e a r c h F u n d fo r t h e D o c t o r a l P r o g r a m o f H i g h e r E d u c a tio n ( N o 2 0 1 1 3 5 1 4 1 1 0 0 0 5 ) 1 引 言 传统非隔离 B u c k型光伏并网逆变器虽具有 单级 电路结构 、 技 术成熟可靠等优 点 ， 但正常工作 时要 求光伏 阵列 输 出电压 大于 电网 电压 峰值 故 当阴雨天或夜晚光伏阵列输出电压小于电网电压 峰值 时 ， 整个 并 网发 电系统将 不 能正常运 行 1 - 。 对此， 常采用如下方案来解决该问题 ： 输出接工 频变压器 ， 仍 属于单级 电路 结构 ， 但存在体积重量 基 金项 目： 教 育部 博 士 学科 点专 项科研 基金 ( 2 0 1 1 3 5 1 4 1 1 O o 0 5 ) 定 稿 日期 ： 2 0 1 4 04 2 4 作 者简 介 ： 张 杰( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 福建 三 明人 ， 博 士 ， 研 究 方 向为新 能源 变换 技 术。 3 2 大 、 噪音大、 损耗大和运输安装难度大等缺点【， ； 前级添加 B o o s t 型变换器【 】 或隔离型直流变换 器【 ， 但增加了功率变换级数、 电路复杂性、 损耗 和成本。 因此。 准单级或单级光伏并网逆变器已成 为当今新能源发 电领域的一个研 究热 点 6 。 在此对推挽正激式高频环节光伏并网逆变器 电路 结构 、 MP P T控制方法 、输入 电压外环和输出 电流 内环 的双 环 P WM控制 策略 、关 键 电路参 数 设计等关键技术进行 了深入 的分析研 究 。并进行 了光伏并网发电实验。 2 电路 拓扑 推挽 正激式高频环 节光伏并 网逆变器 电路结 构， 如图 1 所示。 推挽 正激 式准 单级 高频环 节光伏 并 网逆 变器 2 2 L f 札 VDf 1 VD r2 士c T 2 4 o l 2 【 2 VD r 3 VDr4 r V2 V4 图 1 所 提 出逆变 器 电路拓 扑 F ig 1 C ir c u it t o p o l o g y o f t h e p r o p o s e d in v e r t e r 该 电路结构 由光 伏阵列 、推挽正激 式直流变 换器 和极性反转逆变桥级联 构成。光伏 阵列 的输 出 电压 先 由直流 变换器变换成 具有 高频脉动 分量 的 1 0 0 H z正弦半波 电流 ， 再经极 性反转逆变 桥和 电容滤波后得到高质量输 出低频正弦 电流 。 3最大 功 率点 跟踪 控 制方 法 光伏 阵列 MP P T控制算 法 ， 有开路 电压法 、 短 路 电流法 、 扰动观 察法 、 电导增量 法等 ， 各 有其优 势与不足 。 通常一种算法 的跟踪性 能越稳 定 ， 其算 法结构越 复杂 。 实现越 困难。因此 。 寻找一种结构 相对简单， 跟踪性能稳定的算法十分重要。 为了尽可能简化 M P P T算法结构，同时提高 算法精度 ，这里采用开路电压法与变步长扰动观 察法 相结合 的双 模式 MP P T控 制算法 ，其基本 思 想为 ： 首先利用 开路 电压法跟踪迅速 的优 点使 迅速跟 踪至最大功 率点 电压 附近 ，当光伏 阵 列输 出功 率 比上 一 时刻 功率 小时 ，使 用变步 长扰动观察法 。将步长缩小一半后重新向最大功 率 点扰 动 ， 不 断反复 ， 最 终达 到稳 定状 态 。该算法 精度 高 ， 有效减 少了因振荡引起 的功率损 失 ， 实现 了 MP P T优 良的跟踪性和稳定性 。 4 控 制 策 略 该逆 变器采用输入 电压外环和输 出 电流 内环 的双环 P WM控制策 略 ， 如 图 2所示 。 采样 并与 M P P T算法求出的最大功率点 电压参考值 比较构成输入直流 电压环，以调 节直流母线 电压 ，避 免 了外界环境 突变时逆变器 直流母 线 电压 的崩溃 ；外环 的输 出 经 P I 调节 器得 到信 号 k ，将 k与基准 正弦信号 i 送 入乘法 器得到信 号 k ， 再将 k 与并 网电流 反馈信号 i 经 误差放大后得到 i 。 ， i 。 经绝对值 电路与锯齿波 交截产生 S P WM信号 U SP W M ， U S P W M 经逻辑变换和驱 动电路后产生功率开关 V ， V 砬的控制信号 ， M ，两 路控制信 号 “ ， 分别驱动 V 和 V ， 从而实现电感电流 i 与电网电压绝对值信号 的同步；通过调节 S P WM信号的占空比，即可实 现 的稳 定与调节 。此外 ， 将 i。 过零 比较后产 生 两路互补 信号 ， u ， 用来控制极性反转逆变桥 的 功率开关 V V ，将 i 极性反转 为低 频正弦波 电 流后馈入 电网。这种控制方 案既可 以实现 MP P T 控制 稳 定了直流母线 电压 避免 了外界光照条件 突变时直流母线电压崩溃现象。又可以实现并网 电流的控制， 克服了该逆变器控制难度大 ， 不易实 现 的难点【 】 。 “ g v 。 _ 1 翌垫皇堕 r 一 tv ， 匿巫 )旺亘 卜 1 滤 h I 亡=一广= 伏阵列I J v l i 陵 髅 比较 =r 一 g v m 2 1 明 电跆 r 1 与 l J ( a ) 控 制 框 图 口 口 口 口 J口 口 口 口 凸 b 口 口 口 口 b 口 口 口 i ， 6 L L 且 _ 皿皿 _ _ 6 t _ _ J L J ； _ _ J - 口 且 J 1 “ v 8 t = = =【 = I l亡 = = j亡 = = = j ( b ) 控 制 波 形 图 2 所提出逆变器控制策略 F i g 2 T h e c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e p mp o d in v e r t e r 5仿 真分析 仿真采用多个光伏 电池板并联方式 ，仿真参 数 ： 为直流 4 O 6 0 V， 输 出电压 为交流 2 2 0 V 5 0 Hz 。 额 定容量为 1 k V A， 高频变 压器 匝比 n = N J 】 = 1 0 ， 开关 频 率f , = 6 5 k H z ， 箝位 电容 C c = 4 0 p F ， L C滤波 器 L f = 1 5 mH， C f = 6 0 0 n F，变 压器耦合 系 数 k = O 9 9 9 ， 外界温度 = = 2 5， 光照 强度 R = 1 k W m 2 ， = 4 8 V，最大功率 点电流 ， 眦= 2 0 9 A， 开路 电压 = 6 0 V，短路 电流 ， 舶 = 2 2 8 6 A。通 过 P S I M软件对该光伏并网逆变系统进行建模仿真。 5 1光 照 强 度 固定 设 R = 1 k W m ， 仿真 结果如图 3所示 。并网 逆变器启动前 ，光伏阵列对直流母线 电容 G充 电； 启动后经过约 0 2 5 s 跟踪到最大功率 点， 跟踪 速度快， 并网电流 逐渐增大， 稳定后与同步信号 i 、 电网电压 t 同频 同相 ， 波 形好 ， 并 网质 量高 ； 光伏阵列的各输出量和 i 均未产生振荡。可见双 模式 M P P T控制算法具有跟踪速度快、跟踪精度 高、 稳定性高等优点。 3 3 推 挽 正激 式准 单级 高频环 节光伏 并 网逆 变器 P 图 6 变换效率曲线 F ig6 Con v e mio n e ffi cie n cy cur v e 7 结 论 推挽 正激式高频环节光 伏并 网逆变器 电路 由 光伏阵列、推挽正激式直流变换器和极性反转逆 变桥级联构成 ：采用输 入直流 电压外环和输 出 电 流 内环 的双环脉 宽调制 控制策略 、开路 电压 法与 变步长扰 动观察法 相结合 的双模 式 MP P T控 制算 法； 获得高频变压器匝比、 筘位电容、 功率开关、 输 出 L C滤 波器 的设计 式 ； 仿真 与实验 结果表 明 。 该 逆变器样机具有优 良的性能在低压大 电流输入 新能源发 电场合具有广 阔的应用前 景。 参 考 文献 1 】 N a s r u d in A b d ul R a h i m， J e y r S e l v a r a j A N o v e l Mu l ti s t ri n g F iv e l e v e l P W M I n v e r t e r f o r P h o t o v o h a ic Ap p l ica - 2 】 3 【 4 f 5 】 6 】 7 】 8 】 t io n A I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n ce o n E l e ct ric Ma ch - i n e s& D riv e s C o nfe r e n ce C 2 0 1 1 ： 5 1 O 一 5 1 4 陈道炼 D C A C逆变技术及其应用【 M】 北京 ： 机械工 业出版社 2 0 0 3 Wa n g Ha ib o， C h e Ya n b o ， Z h a o L i h u a Re s e a r ch a n d D e v e l o p me n t o f P h o t o v o h a i c G ri d co n n e ct e d I n v e rte r B a s e d o n D S P A I E E E P E S A C H o n g K o n g ， C h in a ， 2 0 1 1 ： 1 - 5 Z ANG Ha i y a n g， YAN G Xiu S i mu l a t i o n o f T wo - l e v e l P h o t o v o h a i c G r id - co n n e ct e d S y s t e m B a s e d o n C u r r e n t Co n t r o l o f Hy s t e r e s i s B a n d A P o w e r a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g C o nfe r e n ce ( A P P E E C) 【 C 】 Wu h a n ， C h i n a ， 2 0 1 1 ： 1 - 4 S u d i p K Ma z u md e r Ak s h a y K Ra t l 1 0 r e P ri ma r y- s i d e C O - n v e rt e r -a s s is t e d S o f t -s wit ch in g S ch e me for a n AC AC C o n v e rte r in a C y cl o co n v e r t e r - t y p e Hig h -f r e q u e n cy -l in k I n v e r t e r J I E E E T r ans o n I n d u s t r i al E l e ct r o n i cs ， 2 0 1 1 ， 5 8 ( 9 ) ： 4 1 6 1 4 1 6 6 Mi r a f z al B， S a g h ale in i M， Ka s h e fi Ka v i a n i A K A n S V- P WM-b a s e d S wi t ch in g P a t t e rn for S t and - alo n e a n d Gr i d- co n n e ct e d T h r e e - p h a s e S in g l e - s t a g e B o o s t - i n v e r t e m叨 I E E E T r a n s o n P o w e r E l e ct r o n ics ， 2 0 1 1 。 2 6 ( 4 ) ： 1 1 0 2 1 1 1 1 Da o l ia n Ch e n， Ya n h u i Ch e n S t e p- u p AC Vo l t a g e R e g u l a - t o m Wj t l l H ig h F r e q u e n cy L in k J I E E E T r a n s o n P o w e r E l e ct r o n ics ， 2 0 1 3 ， 2 8 ( 1 ) ： 3 9 0 - 3 9 7 陈道炼 A C A C变换技术 M】 北京： 科学出版社 ， 2 0 o 9 ( 上接第2 8 页) 见 ， 当驱动信号下降到零后， 漏源 电 压才开始上升 ， 可实现 Z C S 。 - ： l l ： ： 心 腿 韭 ， ( 1 0 v s 格) ( a ) 定频 积分器 和QI 驱动信 号 t ( 4 ms 格) ( c) P l 调节 器输 出和 定频积 分输 出 5 结 论 v 4 。 “ l u , V 4 。 t ( 2 “ s 格) ( b ) V 4 驱 动信 号及漏 源 电压 l 7 7 f f ， ( 1 0 ms 格) ( d ) 逆变 器带 阻性 负载下输 出 电压 图 7实验波 形 F ig 7 Ex p e r ime n t al wa v e f o r ms 提 出一种 新型软开关单 级双 向高频链逆 变器 拓 扑 采用双 极性 组合移相 正弦 P WM控 制策 略 可实现四象限运行。 详细研究了主电路结构、 各工 作模式的工作原理、 P WM控制策略及硬件电路和 控制 电路参数设计 。在搭建 的原理样机上进行 了 实验， 验证了该新型高频链逆变器的可行性。 参考 文献 1 W Wu ， C Z h a n g ， X S u n ， e t a1 R e s e a r ch o n t h e T o p o l o g ie s o f Me d iu m an d S mall P o we r His h F r e q u e n cy L in k I n v e rt e r A P roce e d i n g s o f N i n th C h in e s e P o w e r E l e ct r o n i cs C 2 0 0 4： 2 4 2 7 【 2 】 陈道炼， 张友军 单极性移相控制高频脉冲交流环节 逆变器研究 J 】 中国电