光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

摘要：

為了解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中二次功率擾動的問題，提出了一種以反激式微型逆變器為基礎(chǔ)，包含功率解耦功能的新型三端口電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中的一個端口可以用低容值長壽命的薄膜電容取代大容值短壽命的電解電容來實現(xiàn)功率解耦，提高整個逆變器的使用壽命。仿真和實驗驗證了該解耦電路的可行性和穩(wěn)定性。

0 引言

微型光伏并網(wǎng)逆變器（簡稱微逆），在光伏板的輸出功率中存在二倍于工頻頻率的功率波動，影響了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率。一般的解決辦法是用一個大容量的電解電容并聯(lián)在光伏板的輸出側(cè)，以此來抑制二次功率擾動。但是因為逆變器的壽命遠(yuǎn)大于電解電容的壽命，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。通過近幾年國內(nèi)外專家學(xué)者的調(diào)查和研究，微型逆變器解耦電容的容值大大減小，容值大壽命短的電解電容就被容值小壽命長的薄膜電容取代，提高了微逆的穩(wěn)定性和使用壽命[1-5]。

文獻[6]中提出的反激式微型逆變器用了交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，仿真驗證中235 W的微型逆變器需要50 μF的薄膜電容，但是控制方式和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。文獻[7]中提出了一種新型功率解耦電路，使用兩個電容進行能量傳遞，但該電路適合功率等級比較大的系統(tǒng)。

上面這些方法中電路控制方式比較復(fù)雜，效率也比較低,有些不適合微型逆變系統(tǒng)。本文提出的三端口反激變換器因為其緊密的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為一個優(yōu)選拓?fù)浞桨浮Ｊ紫忍岢龆喂β蕯_動的問題，接著對拓?fù)涞墓ぷ髟磉M行分析，最后對提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行仿真和實驗驗證。

1 二次功率擾動

光伏板的輸出功率中存在二倍于工頻頻率的功率波動。輸出電流和電壓，輸入功率和輸出功率如圖1所示[8-9]。

并網(wǎng)功率：

由式(4)可知,大容值電解電容并聯(lián)在光伏板的輸出端對二次功率波動的問題起到抑制作用。但是短壽命的電解電容影響了微逆的壽命[9-10]。

2 新型微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 新型微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由光伏板、反激式高頻變壓器、整流二極管、濾波電路、H橋工頻逆變電路和功率解耦電路組成。

2.2 工作原理

比較光伏板的輸出功率PPV和微逆的輸出功率Pac，把電路分成兩種模式。

兩種模式下開關(guān)管驅(qū)動信號和變壓器各端電流如圖3所示。

模式1：輸入功率PPV大于輸出功率Pac。工作過程被分成了4個階段，如圖4所示。

第1階段(t0≤t<t1)：如圖4(a)所示，t0時刻，開通主開關(guān)管Sm。假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)輸入電壓Udc恒定，則勵磁電流為：

第2階段(t1≤t<t2)：如圖4(b)所示，關(guān)斷主開關(guān)管Sm，開通解耦端開關(guān)管S3，假設(shè)一個開關(guān)周期內(nèi)電容Cd的電壓Ucd保持不變，[t1，t2]期間有式(7)：

開關(guān)管S3開通時間為：

第3階段(t2≤t<t3)：如圖4(c)所示，關(guān)斷開關(guān)管S3，開通副邊開關(guān)管S1，假設(shè)電網(wǎng)電壓Uac是恒定的，副邊線圈電流可以表示為：

t3時刻，im(t)、is(t)下降為零，這個階段的時間為：

第4階段(t3≤t<t4)：如圖4(d)所示，電感Lf和電容Cf能量傳向電網(wǎng)，變壓器完全磁復(fù)位，因為微逆工作在DCM模式，所以有：

模式2：輸出功率Pac大于輸入功率PPV。該模式和模式1一樣也可以分成4個階段。圖5給出和模式1不同的階段2。

4 仿真驗證

使用PSIM軟件，對光伏板和微逆進行仿真。表1為電路的關(guān)鍵參數(shù)。

圖6是光伏板的輸出電流和電壓。光伏板的輸出電流和電壓均有二倍于電網(wǎng)頻率的頻率波動。

圖7（a）為加入功率解耦電路后光伏板輸出電流和電壓，二次功率擾動得到抑制。圖7（b）解耦電路中解耦電容上的電壓為二倍電網(wǎng)頻率，功率解耦通過不斷地充電和放電過程得以實現(xiàn)。圖7（c）入網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，滿足并網(wǎng)的要求。

5 實驗結(jié)果

搭建了一個功率為100 W的單相光伏并網(wǎng)微型逆變器樣機，具體參數(shù)同表1。

圖8為并網(wǎng)電流和電網(wǎng)側(cè)的電壓、光伏板的輸出電流以及解耦電路中解耦電容電壓紋波。隨著解耦電容不斷的放電和充電，其電壓紋波為電網(wǎng)頻率的兩倍。光伏板的輸出電流恒定，說明其輸出功率在穩(wěn)態(tài)時基本不變。

6 結(jié)論

本文提出的新型微型逆變器解耦電路中的解耦電容完全可以用小容值長壽命的薄膜電容來取代電解電容，整個系統(tǒng)在輸入和輸出功率上達(dá)到一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，微逆的整體壽命和可靠性得到提高，仿真和實驗驗證了該電路的可行性和穩(wěn)定性。

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作者信息:

李正明，張家浚，何 斌

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013）