单相双级式光伏并网逆变器

单相双级式光伏并网逆变器

张厚升，赵艳雷

（山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255049）

摘要：分析了单相双级式光伏并网系统的工作原理，使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线，并对其可行性进行了理论分析。提出了一种改进的变步长占空比扰动法，提高了系统的快速性和高效性。详细分析了以DSP 为核心的单相光伏并网逆变器的并网策略，设计了并网逆变器的电压、电流双闭环控制系统。其中外环为直流电压控制，控制并网逆变器直流输入端电压稳定；内环为并网电流控制，控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相。在锁相跟踪控制中，提出了一种软硬件相结合的改进方法，可有效提高跟踪锁相的精度。实验结果表明所设计的并网逆变器能够实现最大功率点跟踪，并能实现输出电流精确跟踪电网电压，功率因数可达0.998。

关键词：太阳能电池；最大功率点跟踪；并网逆变器；锁相环；双闭环控制；DSP 中图分类号：TM 615文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2010）08－0095－05收稿日期：2009－11－30；修回日期：2010－0

4－27

电力自动化设备

Electric Power Automation Equipment

Vol．30No .8Aug.2010

第30卷第8期2010年8月

T R

L

L 2

太阳能图1DSP 控制的单相双级式光伏并网系统

Fig.1Single -phase double -stage photovoltaic grid -connected inverter controlled by DSP

L 1

太阳能是当前世界上最清洁、最现实、大规模开发利用最有前景的可再生能源之一［1］。太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势，必将得到快速的发展［2］。此外，高性能的数字信号处理器（DSP ）的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本文在此背景下，对太阳能并网发电系统中的核心部分即最大功率点跟踪MPPT （Maximum Power Point Tracking ）和并网控制策略进行了较为深入的研究。

太阳能电池是一种非线性电源，而且输出电能受光照强度和环境温度的影响，为了使太阳能电池能够最大效率地将太阳能转化为电能，需要对其进行MPPT ［3-4］。然而由于光照强度、环境温度等条件的不可控，变化周期长，在太阳能电池系统中研究MPPT 控制有众多不便［5-6］，而且直接使用太阳能电池进行实验存在时间长、费用高等缺点。如何用一种简单的方法模拟太阳能电池的输出特性，使其在实验室环境下也能方便、快捷地进行实验研究，同时控制太阳能电池的工作点以实现最大功率的输出是本文要解决的一个问题。同时，为了实现逆变器输出电流与

电网电压完全同相，达到功率因数为1的目的，文中分析了光伏并网逆变器的控制方式及其电压、电流双闭环控制的原理，同时对改进的同步锁相环进行了分析，最后给出了实验结果。

1单相双级式光伏并网系统

图1为所设计的以TMS320LF2407型DSP 为控制核心的双级式光伏并网系统。系统由光伏阵列、DC ／DC 变换环节、DC ／AC 逆变环节、隔离变压器以及负载（电网）组成。其中，DC ／DC 变换环节完成光伏阵列的MPPT 控制，而DC ／AC 环节完成直流到交流的逆变，对于并网系统而言，还要完成系统的并网运行。前级DC ／DC 变换器采用Boost 升压电路，由开关管V T1、二极管V D1、电感L 1、电容C 1组成。在开关管V T1导通时，二极管V D1反偏，太阳能电池阵列向电感L 1存储电能，电感电流逐渐增加；当开关管V T1关断时，二极管V D1导通，由电感L 1和电池阵列共同提供能量，向电容C 1充电，电感电流逐渐减小。直流母线电压U o 、电池阵列输出电流I i 的调节，只要根据输入电压调节开关管V T1的占空比d 即可完成。后级

第30卷

电力自动化设备

DC ／AC 逆变器采用全桥逆变，功率器件V T2～V T5组成逆变桥，V D2~V D5是对应的反向并联二极管，起反向续流的作用。主电路采用工频变压器T R 来保证逆

变电压和电网电压的匹配，并且使得电网电压和发电系统相互隔离［7］。

在光伏并网系统中，太阳能电池板输出额定电压为50~100V 的直流电，通过DC ／DC 变换器转换为400V 的直流电，然后经过DC ／AC 逆变器得到220V ／50Hz 的交流电，保证了并网电流与电网电压的同频、同相。为了便于实现MPPT 的控制方案，采用同一块控制芯片TMS320LF2407A （简称F2407）进行协调控制，这不仅可以保证并网系统的可靠运行，而且还能提供高品质的并网电流。

2

太阳能电池的特性及其模拟实现电路

2.1

太阳能电池的特性

太阳能板由很多的太阳能电池板组成，而每一个太阳能电池都是一个P -N 截面的半导体，并且直接将光能转换成电能输出，因此可以假设太阳能板经由光照射之后，自己产生一独立电流源供给负载。太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响［8］，如图2所示，图中MPP 为太阳能电池最大功率点。

由图2可见，当太阳能电池的输出电压或电流最大时，其输出功率均很小。在一定的光照强度和环境温度下，只有使其工作在特定的电压（电流）下，才能输出最大功率。故太阳能电池可等效为一个电压随光照强度、环境温度变化且等效内阻随外接负载电阻变化的电压源。为提高太阳能电池的利用效率，应使其工作在最大功率点。

2.2

太阳能电池特性的模拟实现电路

在实验室环境下，直接使用太阳能电池进行实验存在着时间长、费用高等缺点。为了方便、可靠地对太阳能电池进行MPPT 实验，可使用直流电源加可变电阻来模拟太阳能电池的输出特性曲线［5］。实验电路如图3所示。图中虚线框内为模拟的太阳能电池，它由一个直流电源U s 和一个可变电阻R 1组成，电压U i 就是模拟太阳能电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路，其中DC ／DC 变换器选用Boost 变换器。从变换电路看，DC ／DC 变换器常采用的基本电路有Buck 和Boost 电路，但Buck 电路的输入电流不连续。对光伏发电系统而言，如果光伏阵列的输出电流不连续，将损失一部分能量。同时，多数光伏阵列的输出电压较低，而大多数负载都需在较高电压等级上工作，因此具有电压提升功能和输入电流能连续工作的Boost 电路更适合作为双级式光伏系统的MPPT 控制器。

图3中U i 和U o 是变换器的输入电压和输出电压，I i 是平均输入电流，R 2是负载。设d 是变换器的占空比，假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程中无功率损耗［4］，由Boost 电路输入／输出的电压关系可知：

U o =U i ／（1－d ）

（1）U i I i =U 2o ／R 2

（2）令

R eq =U i ／I i

（3）由式（1）~（3）可得：R eq =（1－d ）2R 2。可将Boost 变换器和负载看作是一个等效可变电阻R eq ，其大小随占空比d 和负载R 2变化而变化。如果用P 表示模拟太阳能电池的输出功率，对于整个系统有

P =U i U s ／（R 1＋R eq ），U i =R eq U s ／R 1＋R eq

（4）由式（4）可以得到模拟太阳能电池的输出功率关系式：

P =-U 2i ／R 1+U s U i ／R 1

（5）当U i =U s ／2时，有最大功率输出：

P max =U 2s ／（4R 1）

（6）根据式（5）绘制出模拟太阳能电池的P-U 曲线，如图4所示。该曲线与太阳能电池的P-U 曲线特性相似，说明使用本方法代替太阳能电池进行试验是可行的。

543210

5

1015

202530354045U ／V

I ／A （a ）输出电压-电流特性曲线

MPP

1000W ／m 2800W ／m 2600W ／m 2400W ／m 2200W ／m 2

150

10050

5

1015

202530354045U ／V

P ／W

（b ）输出电压-功率特性曲线

MPP

1000W ／m 2800W ／m 2

6

00W ／m 2

400W ／m 2200W ／m 2

图2典型太阳能电池板的输出特性曲线

Fig.2Output characteristic curves of

typical photovoltaic module

+

-R 1

U s

+-I i

V D

L 1V T1

C 1+-R 2

U o

太阳能电池模拟器

DC ／DC 变换器

隔离、驱动

PWM

PI

-

+MPPT

U i I i

图3基于Boost 变换器的光伏电池

最大功率跟踪模拟器

Fig.3MPPT simulator for PV module

based on Boost converter

U i

张厚升

，等：单相双级式光伏并网逆变器

第8期

在大多数情况下，

Boost 电路的输出接蓄电池或逆变器直流侧。在较小的系统采样时间内，Boost

电路的输出电压U o 变化

很小，可以视为恒定，即U i =（1-d ）U o

（7）在双级式光伏系统

中，Boost 电路的输入电压

即为光伏阵列的输出电压。由式（7）可知，调节占空比d 即可改变U i ，从而达到MPPT 目的。当U i 的电压为电压源U s 的一半时，模拟太阳能电池输出最大功率，此时R eq =R 1，即在负载R 2不变的情况下，通过改变占空比d 使R eq =R 1，就可实现太阳能电池的MPPT 。

3MPPT 与DC ／DC 变换器的控制

在光伏系统中，光伏阵列和负载之间的接口通常采用PWM 型的DC ／DC 变换器和DC ／AC 逆变器，在这种拓扑结构的电路中，占空比d 就是可以控制的变量。MPPT 控制器通过调整PWM 信号的占空比d 来调节变换器的输入／输出关系。

本文设计了一种变步长的占空比扰动法实现MPPT 功能，其原理是：检测太阳能电池在不同工作点的输出功率，经过比较寻优，找到太阳能电池在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的占空比［9］。具体方法可通过以下2个步骤来实现。

a.使太阳能电池工作于某一确定占空比，测定太阳能电池的输出功率，然后以定步长L 1（L 1设置得稍大些）扰动PWM 信号的占空比，测量输出功率的变化并与扰动之前的功率值相比。若输出功率值增加，则表示扰动方向正确，可向该方向以L 1为步长再扰动；若扰动后的功率值减小，则向反方向以L 1为步长再扰动。以此类推［10］，直至P n >P n -1而且P n >P n +1时停止，则P n 是初步搜索出来的最大功率点，在P n 点附近进行更进一步的搜索，寻优过程见图5。

b.将P n 点作为第

2轮寻优的起始点，重

新选定较小步长L 2（L 2P m -1且P m >P m +1时

为止，则P m 是初步搜索出来的最大功率点。以

此类推，当步长减小到

最小单位L k 时，就可以

找到系统的最大功率

点P max 。

值得注意的是，若有P n =P n -1，则说明二者为初步搜索出来的最大功率点，此时应该停止第1轮搜索，进入下一轮搜索，二者均可作为下一轮寻优的起始点。和传统的占空比扰动法［11］不同的是，当找到系统最大功率点P max 之后，不是继续扰动，而是停止

扰动。之所以这样做，是因为如果继续扰动，系统就始终无法工作在最大功率点上，造成太阳能电池能量的浪费，并降低系统效率。

停止扰动以后，随时监测系统的输出功率，并与P max 比较，如果二者相同，说明此时太阳电池工作在最大功率点，系统不必进行调节；如果二者出现差别较小，说明环境有所变化，当前工作点不是最大功率点，则按照最小步长L k 找到新的最大功率点；如果二者差别很大，说明外界环境变化很大，此时应该按照步长L 1~L k 进行寻优，以最快速度找到系统新的最大功率点。

图3同时也给出了DC ／DC 变换器的控制流程。经过MPPT 控制得到的参考电压和太阳能电池的实际电压相比较，其误差经过PI 调节后，用于产生PWM 波形，经隔离驱动后控制开关管V T1的开通与关断，DC ／DC 变换器即可完成MPPT 。

4

并网控制策略的实现

4.1

控制方式的选择

逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系统。这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相位以控制系统的有功、无功输出。但由于锁相回路的响应较慢，逆变器输出电压值不易精确控制，以及可能出现环流等问题，若不采取特殊措施，同功率等级的电压源并联运行方式一般不易获得优异性能［12］。

如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器输出电流跟踪电网电压，控制逆变输出电流与电网电压同频、同相，这样系统的功率因数为1，即可达到电流源与电压源并联运行的目的。因其控制方法相对简单，故使用较广泛。光伏并网系统是将太阳能电池板产生的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的装置，实际上它是一个有源逆变系统。光伏并网的控制目标是：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。因此，选择并网逆变器的输出电流为被控量。4.2电压、电流双闭环控制

要使设计的单相光伏并网逆变器把交流电输送到电网，其输出电流必须跟踪电网电压，即并网电流必须要跟踪电网电压的频率和相位，幅值保持正弦输出［13］。为此太阳能光伏并网系统采用双闭环控制策略进行并网控制，如图6所示。双闭环的外环为直流电压控制，目的是为了控制并网逆变器直流输入端电压即电容电压稳定；内环为并网电流控制，目的是为了控制并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相，输送到电网的功率因数近似为1。

外环的电压值是光伏阵列的MPPT 输出值U r ，

P P max

O

U s ／2U s U 图4模拟太阳能电池

功率电压曲线Fig.4Simulated P -U curve of solar cell

图5变步长占空比扰动法寻优示意图Fig.5Optimization by duty ratio perturbation with

variable step

11

第30卷

电力自动化设备

反馈值为光伏阵列输出电压值U i ，对二者的误差进行PI 调节后，外环输出I ref 作为并网电流内环的电流幅值给定；I ref 乘以离散的正弦值后作为电流内环的离散值给定i *0，电流内环由电感电流瞬时值i 0与电流给定i *0比较产生误差信号，经PI 调节所得信号与三角形载波比较后产生SPWM 信号，经驱动电路隔离后，再控制DC ／AC 逆变器的功率开关器件。这种PWM 波产生方式输出的开关信号频率固定，因此减小了开关噪声，简化了系统的滤波设计，提高了系统的动态性能。

4.3同步锁相环的实现

在光伏并网发电系统中，为了保证并网电流和电压严格同频、同相（只有在功率调节器中出于无功功率补偿的需要，才可控地实现一定的相位差），锁相环的使用是必不可少的，其作用是调节逆变器输出电流的频率和相位，使其和电网电压逐渐进入同步锁定状态［14］。光伏并网控制系统中的锁相控制环节由硬件和软件2部分综合完成。

在进行并网变流和电网电压同步的过程中，F2407需要采集电网电压信号的相位。由于F2407芯片只能采集TTL 信号，所以需要硬件电路辅助实现，将电网正弦波电压信号经滤波、整形转换成与其同步的TTL 方波信号，该脉冲信号和正弦波电压信号具有相同的过零点，即在正弦信号的过零点产生脉冲跃变。因此可以采用滞环比较器进行过零检测，而且采用滞环比较器可以避免由于输入信号在电压过零附近波动而造成检测电压信号多次过零的情况。

同步方波信号输入F2407的外部中断口，捕捉电网电压的过零点；当DSP 检测到同步信号的上跳沿时，便产生同步中断。在同步中断中，指向正弦表对应变量的指针复位到0。另外由于同步信号易受干扰，在软件上还要加入滤波程序。产生了同步信号，正弦表对应的指针与电网电压同步，将PI 调节后得到的电流指令I ref 与正弦表指针所对应数据相乘，形成幅值可调的正弦电流指令i *0，通过闭环控制使输出的电流跟踪正弦电流指令实现电流跟踪控制。这样就实现了输出电流与电网电压同频、同相。

5实验验证

根据前文所述，搭建了一台单相光伏并网逆变器样机，为能保证模拟太阳能电池能持续供电，在Boost 变换器输入端并联一个220μF 电解电容。用U s =60V 的直流电源和R 1为30~60Ω的可变电阻模拟光伏

电池，用信号发生器产生的正弦电压信号u ref 模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V ，频率f ref 为45~55Hz 可调；使用阻值为30~60Ω的可变电阻R L 作为并网系统的最终负载，输出电压220V 。

当R 1=R L =30Ω时，系统稳定后，经多次测量可得太阳能电池模拟器的输出电压U i =29.7~29.8V ≈

U s ／2＝30V ，此时太阳能电池输出最大功率。因为功

率电路中存在部分无功功率，所以实际工作电压略小于最佳工作电压。也验证了前述理论分析的正确性。

当正弦参考信号的频率f ref 在45~55Hz 之间变化时，对输出电压u out 的失真度THD 、系统效率、输出电压和参考电压u ref 的相位差φ等进行了测试，主要测试数据如表1所示。由表1中的数据可知，所设计的并网逆变器能跟踪电网频率的变化，在各种情况下均能保证输出电压与u ref 同相，相位偏差的绝对值φ≤3°，输出电压的THD ≤3.2%，功率因数可达0.998。本装置具有较高的变换效率，在各种情况下均能达到80%以上。

当频率f ref =50Hz 时，输出电压u out 和输出电流i out 的波形见图7。使用示波器测量的输出电流的频率为49.975Hz ，频率跟踪精度可达0.05%。可认为逆变系统输出的交流电流与电网电压同频、同相。

6结论

本文设计了有输出隔离变压器的双级式光伏并网逆变器，控制电路的核心芯片采用TI 公司的TMS320-LF2407A 。前级DC ／DC 变换器实现太阳能电池的MPPT ，后级DC ／AC 逆变环节主要使输出电流与电网电压同频、同相，同时获得单位功率因数。DC ／DC 变换器的设计过程中提出了一种基于Boost 变换器的

f ref ／H z THD ／％效率／％

φ／（°）45 3.282248 2.783150 2.785152 2.884255

2.9

81

3

表1不同频率下测试的实验数据

Tab.1Experimental results under

different frequencies

u o u t ：200V ／d i v

i o u t ：10A ／d i v

u out

i out

t ：10ms ／div

图7逆变器输出电压和电流的实验波形

Fig.7Experimental waveforms of inverter

output voltage and current

图6电压电流双闭环控制框图

Fig.6Voltage -current double

close -loop control

U i

DC ／AC

逆变桥

MPPT U r

+PI I ref 正弦信号发生器PI -+

PWM

I i

电网电压检测

同步锁相环

并网电流检测及转换

i *0

+

-隔离

-i 0

Single -phase double -stage photovoltaic grid -connected inverter

ZHANG Housheng ，ZHAO Yanlei

（School of Electrical &Electronic Engineering ，Shandong University of Technology ，Zibo 255049，China ）

Abstract ：The working principle of single -phase double -stage photovoltaic grid -connected inverter is analyzed.DC power supply with variable resistor is used to simulate the characteristic curve of solar cell output and its feasibility is analyzed theoretically.An improved duty ratio perturbation method with variable step is introduced to improve the rapidity and efficiency of system.The grid -connection strategy of DSP -based inverter is analyzed in detail and its double close -loop control is designed.The outer DC voltage control loop is to keep DC input voltage stable and the inner grid current control loop is to ensure the output current have the same frequency and phase angle of grid voltage.The software -hardware combined phase locked tracking is presented to improve its accuracy.The experimental results show that the designed inverter tracks the maximum power point quickly and the output current tracks grid voltage accurately.Its power factor is up to 0.998.Key words ：solar cell ；maximum power point tracking ；grid -connected inverter ；phase -locked loop ；double close -loop control ；DSP

张厚升

，等：单相双级式光伏并网逆变器

第8期

改进变步长占空比扰动观察法，与普通的扰动观察法相比，变步长占空比扰动法继承了传统扰动法的优点，在不同寻优阶段采用不同的步长，以最大速度跟踪到系统的最大功率点，克服了传统扰动法响应速度慢的缺点，提高了系统的快速性和高效性。在扰动到步长小于特定值后，认为当前点即为最大功率点，保持稳定，停止扰动，因此相对于传统扰动法，减少了最大功率点由于继续扰动造成的功率损耗，而且也更接近理论的最大功率点。后级DC ／AC 逆变器利用全桥逆变电路，通过电压、电流双闭环控制，产生与电网电压同频、同相的电流，使整个装置的并网功率因数为1。在锁相环的设计过程中，所提出的软硬件结合的同步锁相技术最大程度地保证了并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频、同相。实验表明该系统工作稳定、性能可靠。参考文献：

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（责任编辑：柏英武）

作者简介：

张厚升（1976-），男，山东临沂人，副教授，硕士，研究方向为新能源利用、电力电子技术及其在电力系统中的应用（E-

mail ：zhseda ＠163．com ）；

赵艳雷（1976-），男，山东临沂人，副教授，博士，研究方

向为新能源利用、电力电子技术及其在电力系统中的应用。