电气工程学报, 2016, 11(12): 16-21 doi: 10.11985/2016.12.003

继电器旁路的两级式光伏并网逆变器研究

易灵芝1,2, 刘仲范1, 陈才学1, 陈宇1, 吴静平1

1. 湘潭大学信息工程学院湘潭 411105

2. 湖南省“风电装备与电能变换”

Research on Two-Stage PV Grid-Tied Inverter With By-Pass Relay

Yi Lingzhi1,2, Liu Zhongfan1, Chen Caixue1, Chen Yu1, Wu Jingping1

1. College of Information Engineering Xiangtan 411105 China

2. Hunan Province Cooperative Innovation Center for Wind Power Equipment and Energy Conversion Xiangtan 411105 China

收稿日期: 2016-05-29   网络出版日期: 2016-11-25

基金资助: 国家自然科学基金.  61572416
湖南省教育厅平台项目.  14K095

Received: 2016-05-29   Online: 2016-11-25

作者简介 About authors

易灵芝 女 1966年生,博士,教授,主要研究方向为交流调速与电力电子装置、新能源发电与直流微网等。

刘仲范男 1992年生,硕士,主要研究方向为光伏并网发电。

摘要

针对目前两级式光伏并网逆变器存在的转换效率问题,提出一种改进型的电路拓扑,在光伏电池与母线电容之间旁接一个继电器,由光伏电池输出电压值通过滞环比较器控制继电器的通断与两种工作模式的选择。前级升压电路停止工作,主电路电流经继电器到直流母线,后级逆变器实现最大功率点跟踪和并网功能,避免了前级电路升压电感和二极管造成的损耗,提高了转换效率。Matlab仿真实验和3kW样机实验结果都验证了本改进拓扑的可行性和控制策略的有效性。

关键词： 两级式光伏并网逆变器 ; 最大功率点跟踪 ; 继电器旁路 ; 滞环比较器

Abstract

An advanced topology is introduced to improve the converting efficiency of the double-stage PV grid-tied inverter, which includes a by-pass relay between PV cell and bus capacitance. The on-off switch of relay and two working modes of the inverter are determined by the output signal of hysteresis comparator of which input signal is the voltage of PV cell. The first-stage boosted circuit stops working and the by-pass relay picks up which the current of main circuit goes through. The second-stage inverter realizes max power point tracking and grid connection, so the dissipation caused by boost inductance and diode disappears. The topology and strategy are not only realized in Matlab, but also verified in a 3kW single-phase double-stage photovoltaic grid-tied inverter.

Keywords： Two-stage PV grid-connected inverter ; maximum power point tracking (MPPT) ; by-pass relay ; hysteresis comparator

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本文引用格式

易灵芝, 刘仲范, 陈才学, 陈宇, 吴静平. 继电器旁路的两级式光伏并网逆变器研究. 电气工程学报[J], 2016, 11(12): 16-21 doi:10.11985/2016.12.003

Yi Lingzhi. Research on Two-Stage PV Grid-Tied Inverter With By-Pass Relay. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(12): 16-21 doi:10.11985/2016.12.003

1 引言

两级式光伏并网逆变器分为前级升压电路和后级逆变电路,中间一般用容值较大的电解电容作为母线电容将两级连接起来,同时起到了能量缓冲和解耦前级升压电路对后级逆变控制影响的作用。当光伏电池低电压输出时,前级升压电路使得母线电容电压升高达到后级逆变并网的最低电压要求。当光伏电池高电压输出时,前级升压电路停止工作,电流直接通过升压电感和二极管到达母线上,这样前级电路的损耗有二极管导通损耗和电感电阻损耗[1,2,3,4,5];有学者提出在光伏电池与母线电容间旁接一个二极管,当光伏电池高电压输出时,电流经由旁路二极管流过,这样与无旁接二极管的电路相比减少了电感上的电阻损耗[6];在该拓扑基础上,有学者提出了分时复合控制策略[7,8,9],该控制策略使前后两级电路交替高频工作,减小了开关损耗和母线电容容量,但是光伏电池输出端仍需加入较大容量的电解电容,系统补偿环节的参数设计较传统控制困难,且网电流THD也比传统控制策差[10]。

本文对文献[6]提出的主电路拓扑进行改进,将旁路二极管用继电器替换。根据光伏电池输出电压值通过滞环比较器得到的输出信号对继电器的通断进行控制,并对工作模式进行选择。当光伏电池输出电压大于滞环比较器的上限阈值时,前级电路停止工作,闭合继电器,电流经旁路继电器流过,后级实现最大功率点跟踪（MPPT）和并网逆变功能。此时由于主电路电流经由继电器流过,与没有旁路支路的拓扑相比,减少了升压电感和二极管造成的损耗,与二极管旁路的拓扑相比继电器造成的损耗较小,提高了转换效率。

2 电路拓扑

单相两级式光伏并网逆变器的主电路拓扑如图1所示,其中电感L1、二极管VD1和VT1组成Boost升压电路,C1为母线电容,V1、V2、V3、V4组成单相全桥电路,L2为滤波电感,Rs为其内阻;与传统单相两级式光伏并网逆变器不同之处为用继电器K代替了二极管。

图1

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图1   改进后单相两级式光伏并网逆变器主电路拓扑

Fig.1   The main circuit topology of advanced single-phase two-stage PV grid-tied inverter


3 工作原理及控制策略

图2所示为两级式光伏并网逆变控制策略。控制器有两种工作模式：模式一中Boost驱动信号和逆变器驱动信号分别由MPPT和母线稳压双闭环控制器输出,继电器K驱动信号为0;模式二中Boost驱动信号为0,即停止工作,而逆变器驱动信号则由MPPT双闭环控制器输出,继电器驱动信号为1;光伏电池电压Upv通过一个滞环比较器的输出实现了两种模式的选择和继电器的通断控制。

图2

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图2   控制策略框图

Fig.2   Diagram of the control strategy


由于采用传统的SPWM调制方式,单相输出电压最大峰值为 [11]。单相电网电压有效值为220V,由

可得Ubus_min ≈ 360V。

本文Ubus_ref取值需大于360V。设置滞环比较器是为了防止Ubus接近Ubus_ref时,逆变器在两种模式间频繁切换,滞环比较器的滞回特性曲线如图3所示。

图3

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图3   滞环比较器原理

Fig.3   The principle of hysteresis comparator


3.1 工作模式一

当光伏电池的输出电压小于Ub_dn时,继电器K处于关闭状态,前级升压电路通过检测光伏电池的输出电压Upv和输出电流Ipv利用爬山法实现最大功率点跟踪和升压功能。后级逆变器采用电压外环和电流内环双闭环控制策略,其中电压外环是通过比例积分调节器实现母线电压的稳定,同时使前级能量的输入和后级能量的输出达到动态平衡,电流内环则采用比例调节器使逆变器输出电流与电网同相位,实现单位功率因数运行。

母线稳压双闭环控制器框图如图4所示,其中电压外环PI调节器的输入为母线参考电压Ubus_ref与实际电压Ubus的差值,其输出值作为电流内环电流参考幅值 ,电网电压经过锁相环得到的相位角θ、 与cosθ相乘得到瞬时输出电流参考值 ,它与实际电流iL2相减作为P控制器的输出值经过SPWM调制控制开关管的通断。

图4

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图4   母线稳压双闭环控制器

Fig.4   Double closed loop controller of bus voltage regulation


3.2 工作模式二

当光伏电池的输出电压大于Ub_dn时,继电器K导通,前级升压电路停止工作,主电路电流经由继电器K流过,此时电路拓扑由两级式结构变成了单级式结构,后级逆变器采用功率外环与电流内环双闭环控制策略,其中功率外环通过检测光伏电池的输出电压Upv和输出电流Ipv利用爬山法实现最大功率跟踪,电流内环采用PI调节器使逆变器输出电流与电网同相位,实现单位功率因数运行[12],控制框图如图5所示。

图5

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图5   光伏电池双闭环控制器

Fig.5   Double closed loop controller of PV cell


4 仿真与实验结果

4.1 仿真研究

在Matlab仿真环境下,搭建继电器旁路的单相两级式光伏并网逆变器仿真模型,参数设置见表1。光伏电池模型根据其I-V方程简化后得到的工程数学模型搭建[13]。为了验证系统的两种工作模式能通过滞环输出进行正常切换,当t = 0.35s时对光伏电池的参数进行跳变,参数见表2。

表1   仿真参数

Tab.1  Simulation parameters

类型参数数值
仿真模式离散采样频率/MHz1
工作频率升压电路开关频率/kHz10
逆变器开关频率/kHz30
主电路参数C1 /μF1
C2 /mF1.5
L1 /mH5
L2 /mH2
Rs /Ω4
母线参考电压Ubus_ref /V500
光伏电池双闭环控制器
PI调节器系数		比例系数Kp1
积分系数Ki0.03
母线稳压双闭环控制器
PI调节器系数		比例系数Kp′0.1
积分系数Ki′9
母线稳压双闭环控制器
P调节器系数		比例系数Kp″11.3
滞环比较器上限阈值Ub_up /V500
下限阈值Ub_dn /V420
输出参数电网电压有效值Um /V220
电网频率f /Hz50

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表2   光伏电池参数

Tab.2  Parameters of PV cell

参数初始数值跳变后数值
光照强度Sb /(W/m2)1 0001 000
光伏电池板温度Tb /℃2525
开路电压Uoc /V750450
短路电流Isc /A2424
最大功率点电压Um /V650320
最大功率点电流Im /A2121

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其中PI调节器和P调节器系数可由两种方法得到。第一种方法建立该拓扑的数学模型,求得其传递函数,加上PI调节器和P调节器的校正环节,由理想的输出特性反推出调节器的系数;第二种方法是利用试凑法,观察PI调节器和P调节器的输入输出,根据比例系数和积分系数的不同调节效果,选择合适的参数试凑,直到调节效果满足要求。本文选择了第二种方法。该系数可以利用到样机实验中,只需要根据实际调节效果做些微调就可以保证系统稳定下来并达到较好的调节效果。

图6为仿真波形。分析可知,改进的单相两级式光伏并网逆变器工作可分三个阶段。

图6

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图6   仿真波形

Fig.6   Simulation waveforms


第一阶段：0.1~0.35s时,Upv>Ub_up,滞环输出为高电平,继电器驱动信号置高电平,工作在模式二,升压管驱动信号置低电平,前级升压电路停止工作,后级逆变电路追踪最大功率点并实现并网功能,达到稳定状态后Ubus = Um = Upv = 650V。

第二阶段：0.35~0.38s时,逆变电路继续追踪最大功率点,母线电压随着Upv减小,当Upv< Ub_dn时,滞环输出低电平,继电器驱动信号置低电平。由于前级Boost电路刚开始工作,MPPT算法中PI调节器进入饱和状态,输出为零,导致升压管无驱动信号,主电路电流经过升压电感和二极管,Ubus = Uoc = 450V。

第三阶段：0.38~0.7s时,Upv<Ub_dn,滞环输出低电平,继电器驱动信号置低电平,工作在模式一。MPPT算法中的PI调节器退出饱和状态,输出PWM波作为升压管驱动信号,母线电压随之升高。随着前级升压电路的MPPT算法与后级逆变电路的双闭环控制算法的协调工作达到稳定状态后,Upv稳定在 = 320V,母线电压Ubus = Ubus_ref = 500V。

在第一阶段时继电器导通,前级Boost电路的升压电感和二极管被继电器旁路无电流通过,即无损耗产生,此时只有旁路继电器主触点接触阻抗造成损耗。此损耗与电流经过升压电感和二极管造成的损耗之和相比较小,与二极管旁路造成的损耗相比也较小,从而起到了提高系统工作效率的作用。

4.2 实验研究

文献[6]所做的实验着重强调了两种工作模式下输出电压和电流的稳定性,没有对两种工作模式切换时的Ubus以及升压管驱动这两个关键物理量进行检测。本文所做的实验在说明了输出电压和电流稳定的同时,更清晰地描述了两种模式切换过程,对Ubus和升压管驱动信号以及继电器驱动信号进行检测,并对其变化情况进行了详细说明。

本文构建的一台3kW单相两级式光伏并网逆变器样机,电路参数见表3。

表3   电路参数

Tab.3  Circuit parameters

类型参数数值
工作频率升压电路开关频率/kHz10
逆变器开关频率/kHz30
主电路参数C1 /pF470
C2 /mF3
L1 /μH830
L2 /μH550
Rs /Ω1.4
母线参考电压Ubus_ref /V375
光伏电池双闭环控制器
PI调节器系数		比例系数Kp0.8
积分系数Ki0.01
母线稳压双闭环控制器
PI调节器系数		比例系数Kp′0.1
积分系数Ki′6
母线稳压双闭环控制器
P调节器系数		比例系数Kp″10.5
滞环比较器上限阈值Ub_up /V375
下限阈值Ub_dn /V365
输出参数电网电压有效值Um /V220
电网频率f /Hz50

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升压管型号为IXGH48N60B3D1,逆变管型号为IKW40N65H5,二极管型号为STTH3012,旁路继电器型号为 HF165FD-G/12-HY1STF,控制板主控芯片型号为TMS320F2808PZA。

光伏电池用Chroma 62150H-600S可编程控制直流电源代替,参数设置见表4。

表4   太阳能电池阵列模拟器参数

Tab.4  Parameters of solar array simulator

参数初始数值跳变后数值
开路电压Uoc /V500310
短路电流Isc /A1515
最大功率点电压Um /V440240
最大功率点电流Im /A712.5

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图7中,光伏电池为初始状态时,Upv>Ub_up = 375V,继电器导通,主电路电流通过继电器,前级升压电路被旁路,系统稳定后Ubus = Um = Upv = 440V,工作在模式二。与仿真结果的第一阶段相同。

图7

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图7   实验波形

Fig.7   Experiment waveforms


当光伏电池参数突变后,MPPT双闭环控制器继续追踪最大功率点,导致母线电压Ubus = Upv下降,当Ubus<Ub_dn时,继电器驱动电压信号Urelay由高电平置零,继电器关断。前级升压电路开始进行MPPT计算,由于其中的PI调节器进入饱和状态,升压管Ugs为低电平,开关管处于关断状态,此时Ubus = = 310V。与仿真结果的第二阶段相同。

经过一定时间后,前级MPPT算法中的PI调节器退出饱和状态,使升压管Ugs得到PWM波形,母线电压随之升高,工作在模式一,到达稳定状态后Ubus = Ubus_ref = 375V。与仿真结果的第三阶段相同。

实际测量旁路继电器主触点导通电阻为0.015Ω,线圈额定功率为0.92W,所以当输入电流为20A时,损耗为

若使用旁路二极管STTH3012,由规格书可知其正向导通电压为1.3V,损耗为

由式（2）、式（3）可知旁路继电器损耗比旁路二极管损耗减小了约4倍。

实验结果验证了本文提出的控制策略的正确性。在工作模式一时主电路电流通过导通的旁路继电器,从而起到了减少升压电感和二极管或者旁路二极管造成的损耗的作用。

5 结束语

本文对传统的单相两级式光伏并网逆变器拓扑进行小幅的改动,用继电器代替旁路二极管,在控制策略上加入滞环比较器对继电器进行控制并对系统工作模式进行选择,在光伏电池输出电压过高时,降低了系统的损耗,提高了系统的转换效率。该控制策略在Matlab/Simulink平台上得到验证并在3kW样机上实现。本文提出的拓扑改动和控制策略同样适用于三相两级式光伏并网逆变器。

参考文献

宋树伟, 阮毅, 周小杰 , 等.

单相光伏并网逆变器解耦控制策略研究

[J].电气传动, 2014(1):41-44.

[本文引用: 1]

Song Shuwei, Ruan Yi, Zhou Xiaojie , et al.

Research on decoupling control strategy of single phase photovoltaic grid-connected inverter

[J]. Electric Drive, 2014(1):41-44.

[本文引用: 1]

黄庆丰, 杨红培, 翟登辉 .

基于Simulink的两级式单相光伏逆变器的系统仿真

[J]. 电力系统保护与控制, 2014,42(19):58-61.

[本文引用: 1]

Huang Qingfeng, Yang Hongpei, Zhai Denghui .

System simulation of double-stage single-phase photovoltaic inverter based on Simulink

[J]. Power System Protection and Control, 2014,42(19):58-61.

[本文引用: 1]

张厚升, 赵艳雷 .

单相双级式光伏并网逆变器

[J]. 电力自动化设备, 2010,30(8):95-99.

[本文引用: 1]

Zhang Housheng, Zhao Yanlei .

Single-phase double- stagephotovoltaic grid-connected inverter

[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010,30(8):95-99.

[本文引用: 1]

Zhu Yongli, Yao Jianguo, Wu Di.

Comparative study of two stages and single stage topologies for grid-tie photovoltaic generation by PSCAD/EMTDC

[C]. Advanced Power System Automation and Protection (APAP), 2011: 1304-1309.

[本文引用: 1]

Yang Du, Weidong Xiao, Yihua Hu , et al.

Control approach to achieve burst mode operation with DC-link voltage protection in single-phase two-stage PV inverters

[J]. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2014: 47-52.

[本文引用: 1]

宁耀斌, 任碧莹, 孙向东 , 等.

混合三电平单相光伏并网发电系统研究

[J]. 电力电子技术, 2012,46(8):26-28.

[本文引用: 3]

Ning Yaobin, Ren Biying, Sun Xiangdong , et al.

A single-phase grid-connected photovoltaic generation system based on a hybrid three-level inverter

[J]. Power Electronics, 2012,46(8):26-28.

[本文引用: 3]

吴卫民, 耿后来, 耿攀 .

单相分时复合并网逆变器新型间接电流控制方法

[J]. 中国电机工程学报, 2010,30(36):65-70.

[本文引用: 1]

Wu Weimin, Geng Houlai, Geng Pan .

New indirect current control method for the single-phase dual mode time-sharing grid-connected inverter

[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(36):65-70.

[本文引用: 1]

Fan Yi, Chen Jie, Chen Xin, et al.

Time-sharing dual-mode control strategyfor two-stage single-phase grid-tied PV inverter

[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2013: 1-5.

[本文引用: 1]

耿攀, 吴卫民, 叶银忠 , 等.

基于重复控制的单相分时复合级联光伏逆变器控制

[J]. 电工技术学报, 2011,26(3):116-122.

[本文引用: 1]

Geng Pan, Wu Weimin, Ye Yinzhong , et al.

Single-phase time-sharing cascaded photovoltaic inverter based on repetitive control

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011,26(3):116-122.

[本文引用: 1]

樊轶 .

两级式单相光伏并网逆变器的控制策略研究

[D]. 南京:南京航空航天大学, 2014.

[本文引用: 1]

靳恒, 姜世公, 王卫 .

光伏并网系统能量双向流动控制策略研究

[J]. 电源学报, 2011,9(3):21-26,42.

[本文引用: 1]

Jin Heng, Jiang Shigong, Wang Wei .

Research on control strategy of bidirectional power flow for grid-connected photovoltaic system

[J]. Journal of Power Supply, 2011,9(3):21-26, 42.

[本文引用: 1]

Pradeep Kumar Sahu, Priyabrata Shaw, Somnath Maity.

Modeling and control of grid-connected DC/AC converters for single-phase micro-inverter application

[C]. Annual IEEE India Conference, 2015: 1-6.

[本文引用: 1]

杨文杰 .

光伏发电并网与微网运行控制仿真研究

[D]. 成都:西南交通大学, 2010.

[本文引用: 1]

Marcos G Alves,

Moacyr A G de Brito, Leonardo P Sampaio, et al. Qualitative analysis for single-phase grid-tie power inverterstructures

[C]. Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, 2014: 579-585.

Brandon J Pierquet, David J Perreault .

A single-phase photovoltaic inverter topology with a series-connected energy buffer

[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013,28(10):4603-4611.

Chen Lin, Amirahmadit Ahmadreza, Zhang Qian , et al.

Design and implementation of three-phase two-stage grid-connected module integrated converter

[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014,29(8):3881-3892.

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