基于dsPIC的PV逆变器的一种改进结构及其实现

摘要：针对目前PV光伏并网发电系统的核心逆变器的现状、结构和控制方法进行了详细的分析，从电网、PV系统及用户的需求出发，指出传统的单级全桥逆变器普遍具有不能处理较宽的输入PV电压，且需要重型工频升压变压器等缺点。在此基础上，本文创新设计并实现了一种基于单级全桥逆变器的并联耦合改进结构。实测证明这种并联耦合反激结构可以有效地减小通过大容量输入电解电容的纹波电流的RMS，从而延长电容的寿命；还可减小输出电流的纹波，从而降低输出电流的THD(谐波失真)；还可适应较宽的输入电压，减小交流纹波，减小磁芯，同时可以提供较高的额定输出电流等优点。
关键词：光伏并网发电系统；并联耦合；反激式转换器；SCR全桥电路

0 引言
    PV系统作为一种便捷和前景广阔的可再生能源，与风能等其他形式的可再生能源相比，PV能源系统具备许多优势。如能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率，更低的安装成本等。但是目前大多数PV系统的核心都采用单级全桥逆变器结构，这种结构不能有效使用较宽的输入PV电压，而且变压器磁芯体积较大，实际使用中会产生较大的交流纹波。为适应大的输入电压范围，通常使用两级拓扑，但是尤其是对于单PV电池板系统而言，两级拓扑会使系统变得成本高昂且复杂。为了简化系统，本文提出并实现了一种采用并联耦合的单级拓扑结构，实际证明采用这种改进型结构可以有效的解决上述矛盾。

1 系统原理
    本文设计采用反激式转换器来产生与电网同相和同步的正弦输出电压和电流。该微逆变器可以和如下参数的PV模块连接：在DC25～45 V的输入电压范围内，可输出最大220 W的功率，最大开路电压为55 V。由于逆变器需要接入电网，则设计符合EN61000-3-2、IEEE 1547标准和美国国家电气规范(NEC)690等标准。

    如图1所示，将太阳能微型逆变器模块接入电网包含两个主要工作：一是确保太阳能微型逆变器模块工作于最大功率点(MPP)；二是将正弦电流注入电网。图中微逆变器主要负责把PV电池板的输出电压转换成与电网同相的正弦输出电流和电压。电压转化的过程必须在其最大功率点(Maximum Power Point，MPP)完成。MPP是PV模块向负载提供最大能量时的PV输出电压。
    EMI／EMC滤波器主要用于抑制EMI／EMC噪声，并在逆变器输出和电网间提供阻抗。控制器和所有反馈电路的辅助电源由PV电池板电压提供。核心控制器采用MicrochipdsPIC33F“GS”系列器件(dsPIC33FJ16GS504)，用来控制从PV电池板流向电网的功率。同时该MCU还负责MPPT算法、故障控制，以及数字通信程序。并网太阳能微逆变器的关键要求是在受太阳能照射和环境温度变化影响所导致的宽范围的输入电压和输入功率下提供高效率。而且，微逆变器必须高度可靠，即使用寿命长。

2 主要模块设计
2．1 并联耦合反激式转换器模块
    如图2所示，并联耦合反激转换器可有效地减小通过大容量输入电解电容的纹波电流的RMS，从而延长电容的寿命。并联耦合反激还可减小输出电流的纹波，从而降低输出电流的THD(谐波失真)。来自PV模块的直流输入被馈送到反激初级。反激MOSFET可由经调制的高频正弦PWM驱动，以在反激输出电容上产生整流的正弦输出电压／电流。两个反激转换器的工作相位相差180°，以实现交错运行。反激结构有两种工作模式。模式1：当反激MOSFET导通时，能量存储在反激变压器的初级。二极管(D1／D2)处于截止状态，因为施加到该二极管上的电压与变压器次级绕组形成反向偏置。在此期间，反激变压器像电感那样工作，变压器的初级电流(Ipei1／Ipri2)线性增大。负载电流由输出电容提供。模式2：当反激MOSFET关断时，施加在初级绕组上的电压会反向，从而产生次级绕组的电压，该电压使输出二极管(D1／D2)正向偏置。初级中存储的能量会传送到次级，这会使输出电容充电并为负载提供电流。在此期间，输出电压会直接施加于变压器次级绕组，进而使二极管电流线性减小。缓冲电路二极管、电容和有源钳位电路MOSFET以及电容用于将反激初级MOSFET电压钳位在安全值。经调制的正弦PWM产生经调制的正弦初级MOSFET电流，从而产生二极管的次级二极管电流。经调制的正弦次级二极管电流的平均值会在输出电容上产生整流正弦电压／电流。

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    如图3中所示，改进型结构包含两个并联耦合且相位相差180°的反激转换器。在输入侧，从PV电池板获取的总输入电流等于两个反激MOSFET的电流(Ipv1和Ipv2)之和。由于通过两个反激变压器MOSFET的纹波电流存在相位差，因此它们将互相抵消，从而减小了输入侧的总纹波电流。占空比为50％时，可达到最佳的纹波电流抵消效果。在输出侧，通过输出电容的电流(Ic)等于两个二极管的电流(ID1和ID2)之和减去输出电流(Iload)。

    因此，改进型单级交错转换器可以有效解决传统单级逆变器的许多不足之处；如无法消除电流纹波，即需要更大的输入和输出电容；磁芯较大；半导体器件的额定电流较高等。
2．2 可控硅全桥整流模块
    SCR全桥用于将整流输出电压／电流转换成正弦电压／电流。全桥逆变电路克服了传统推挽电路的缺点，功率开关管Gate1和Gate2反相，相位互差180°，调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使Gate1和Gate2共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会产生畸变。因此SCR以工频进行开关。数字PLL用来保证逆变器的输出与电网同步。MPPT控制输出电流幅值／有效值。输出电流的波形由电流控制环进行控制。反激MOSFET的正弦调制PWM信号控制将能量传送至逆变器的输出电容。如图4所示。

3 逆变器软件设计
    此太阳能微型逆变器软件结构主要是由太阳能微型逆变器的状态机(包括功率转换程序)组成。微逆变器软件采用状态机来确定系统的工作模式。状态机在定时器中断服务程序(Interrupt Service Routine，ISR)内每隔100μs执行1次。状态机对片上外设进行配置以执行正确的功率转换算法。
    部分程序代码如下：
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    系统初始化过程：当太阳能微型逆变器开启时，系统会进入初始化程序，将其所有外设、变量和常量初始化。系统的状态将初始化为系统启动状态。状态机首先监视所有系统变量和输入输出的状态。如果检测到任何故障，它会检查：电网电压条件，电网频率条件，逆变器输出交流电流条件，PV电池板电压条件和反激MOSFET电流条件。如果上面描述的任一条件没有在指定限值之内，则状态机会将系统状态切换到SYSTEM_ERROR模式。如果所有条件均在指定限值范围之内，状态机将首先计算输入PV电压和输出电网电压及其频率，然后设置systernStart Flag以启动系统使其正常工作。它会重新初始化所有必需的控制环变量，以确保在PWM初始切换期间的可靠工作。在将所有必需的控制环变量初始化之后，系统状态会切换到DAY_MODE工作模式。如果其中有任一条件未满足，则会切换到SYSTEM_ERROR工作模式。

4 测试结果
    图5所示为单级并联耦合微逆变器实测电网电压和电流，图中峰值较大的为电网电压信号，峰值较小的是电网电流信号。图6所示是PV电池板的电压纹波和电流纹波。按照GB／T 19939-2005的要求，光伏并网逆变器总输出谐波电流应小于逆变器额定输出的5％。

    如表1所示，由实测结果可知该微逆变器的主要指标达到：最大输出功率为185 W，标称输出电压为230 V，标称输出电流为0．8 A，输出电压范围为180～264 V，标称输出频率为50 Hz，输出频率范围为47～53 Hz，功率因数大于等于0．95，总谐波失真小于等于5％，效率为最大效率等于95％。最大功率点追踪为99．5％，最小效率大于0．8。实测证明，单级并联耦合微逆变器具有交流纹波小，输入电压范围大，成本低，结构简单等特点。

5 结语
    本文设计改进并实现了一种新型太阳能并网单级并联耦合微逆变器。该逆变器输出的交流电压波形为正弦波，正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。此外，保护功能齐全，对电感性和电容型性负载适应性强。而MOSFET功率器件的采用使得逆变器具有开关速度快，驱动功率小，线性好，过载能力强等特点。