基于dsPIC的PV逆變器的一種改進結構及其實現

摘要：針對目前PV光伏并網發電系統的核心逆變器的現狀、結構和控制方法進行了詳細的分析，從電網、PV系統及用戶的需求出發，指出傳統的單級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。在此基礎上，本文創新設計并實現了一種基于單級全橋逆變器的并聯耦合改進結構。實測證明這種并聯耦合反激結構可以有效地減小通過大容量輸入電解電容的紋波電流的RMS，從而延長電容的壽命；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)；還可適應較寬的輸入電壓，減小交流紋波，減小磁芯，同時可以提供較高的額定輸出電流等優點。
關鍵詞：光伏并網發電系統；并聯耦合；反激式轉換器；SCR全橋電路

0 引言
PV系統作為一種便捷和前景廣闊的可再生能源，與風能等其他形式的可再生能源相比，PV能源系統具備許多優勢。如能夠為單塊面板和整個系統提供最佳轉換效率，更低的安裝成本等。但是目前大多數PV系統的核心都采用單級全橋逆變器結構，這種結構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，實際使用中會產生較大的交流紋波。為適應大的輸入電壓范圍，通常使用兩級拓撲，但是尤其是對于單PV電池板系統而言，兩級拓撲會使系統變得成本高昂且復雜。為了簡化系統，本文提出并實現了一種采用并聯耦合的單級拓撲結構，實際證明采用這種改進型結構可以有效的解決上述矛盾。

1 系統原理
本文設計采用反激式轉換器來產生與電網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的PV模塊連接：在DC25～45 V的輸入電壓范圍內，可輸出最大220 W的功率，最大開路電壓為55 V。由于逆變器需要接入電網，則設計符合EN61000-3-2、IEEE 1547標準和美國國家電氣規范(NEC)690等標準。

如圖1所示，將太陽能微型逆變器模塊接入電網包含兩個主要工作：一是確保太陽能微型逆變器模塊工作于最大功率點(MPP)；二是將正弦電流注入電網。圖中微逆變器主要負責把PV電池板的輸出電壓轉換成與電網同相的正弦輸出電流和電壓。電壓轉化的過程必須在其最大功率點(Maximum Power Point，MPP)完成。MPP是PV模塊向負載提供最大能量時的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間提供阻抗?？刂破骱退蟹答侂娐返妮o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)，用來控制從PV電池板流向電網的功率。同時該MCU還負責MPPT算法、故障控制，以及數字通信程序。并網太陽能微逆變器的關鍵要求是在受太陽能照射和環境溫度變化影響所導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。

2 主要模塊設計
2．1 并聯耦合反激式轉換器模塊
如圖2所示，并聯耦合反激轉換器可有效地減小通過大容量輸入電解電容的紋波電流的RMS，從而延長電容的壽命。并聯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)。來自PV模塊的直流輸入被饋送到反激初級。反激MOSFET可由經調制的高頻正弦PWM驅動，以在反激輸出電容上產生整流的正弦輸出電壓／電流。兩個反激轉換器的工作相位相差180°，以實現交錯運行。反激結構有兩種工作模式。模式1：當反激MOSFET導通時，能量存儲在反激變壓器的初級。二極管(D1／D2)處于截止狀態，因為施加到該二極管上的電壓與變壓器次級繞組形成反向偏置。在此期間，反激變壓器像電感那樣工作，變壓器的初級電流(Ipei1／Ipri2)線性增大。負載電流由輸出電容提供。模式2：當反激MOSFET關斷時，施加在初級繞組上的電壓會反向，從而產生次級繞組的電壓，該電壓使輸出二極管(D1／D2)正向偏置。初級中存儲的能量會傳送到次級，這會使輸出電容充電并為負載提供電流。在此期間，輸出電壓會直接施加于變壓器次級繞組，進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MOSFET電壓鉗位在安全值。經調制的正弦PWM產生經調制的正弦初級MOSFET電流，從而產生二極管的次級二極管電流。經調制的正弦次級二極管電流的平均值會在輸出電容上產生整流正弦電壓／電流。