微型逆变器的功率解耦技术的回顾--启程

微型逆变器的功率解耦技术的回顾摘要： 本篇文章回顾了应用在单相并网光伏系统中的微型逆变器的功率解耦技术。 功率解耦技术包括三部分： （ 1）光伏输出端解耦、 （ 2）直流母线解耦 和（ 3）交流输出侧解耦。由于电容的大小、 效率和控制电路的复杂性等因素， 不同的拓扑结构和技术被提出、 比较和证明。最终，由很大潜力的拓扑结构技术成为功率解耦实现的最佳选择。关键词：功率解耦 单相逆变器 光伏 微型逆变器Ⅰ简介在过去的 15 年中， 太阳能发电产业已经增长了 30%。 在 2009 年， 全球太阳能光伏市场安装量已经达到了一个高峰， 7.2GW，代表着比去年同期增加了 130%，其中光伏并网系统占据了大部分的市场。光伏并网系统的一个关键技术就是并网逆变器。当前， 光伏系统的并网逆变可以分为三个部分： 集中式逆变器、 串联式逆变器和微型逆变器。 微型逆变器的输出功率从 150W 至 300W 不等， 已经成为未来光伏发电系统发展的趋势， 这归结为很多因素： （ 1） 能量利用率高 （ 2） 易于扩展 （ 3） 低安装成本 （ 4） “即插即用”的实现和（ 5）潜在的大规模高经济效益的模块化设计。但是在如何获得低成本、高效率和长寿命的方法上很多问题仍然存在。 由于微型逆变器一般安装在光伏组件的背面， 或者集成在光伏组件的表面上， 因此， 逆变器的寿命能够与光伏系统的寿命相匹配是一个非常重要的设计依据。对于功率级别小于几千瓦的应用， 单相连接最为常用。 但是单相连接有一个弱点， 即流入电网的功率是随时间变化的， 然而光伏组件由于最大功率跟踪因素起其功必须是持续恒定，导致瞬时输入功率和流入电网的瞬时输出功率不匹配。 因此， 为了瞬时输出和输入功率的不同，应在输入和输出之间放置能量存储元件。 经常地，电容器件被用于功率解耦器件。 但是不同材质的电容的寿命差别很大。 例如电解电容有一个工作寿命范围， 即在 105 摄氏度的工作温度下能够工作的时间约为 1000~7000 小时。由于电解电容的电容很大并且易于实现，目前绝大多数用商业性的微型逆变器利用电解电容作为功率解耦储能元件， 但是也同时限制了这些微型逆变器的寿命。 一些研究着已经开发很多方法来降低所需电容的大小， 希望能够使用其它材质的寿命更长的电容， 例如已经被使用的薄膜电容。 本文回顾了现今已经被发现的不同的功率解耦技术， 并且从功率、 成本和控制电路复杂性等方面来对它们进行比较。 本论文的结构如下，第二部分陈述了功率解耦的原理，第三部分回顾了不同的功率解耦技术，第四部分对它们做了比较，第五部分讨论了第四部分的问题并得出了结论。Ⅱ功率解耦原理图一展示了一个光伏并网的单相逆变系统，电网的注入电流 i（ t）和电网输入电压 u（ t）由以下公式表示：其中 ω 0 是指电网角频率， Φ 指注入电流和电网电压的相位差，由于单位功率因数的原因 Φ越小越好。瞬时输出功率 P0（ t）由下式表示：当相位差为零时，此公式可转化为（ 3）式中的瞬时功率包括两部分：平均输出功率， Poav =1/2UI 是恒定的；第二部分，Poac = ，它是随时间变化的（脉冲功率） ，并且变化频率是两倍工频。至于光伏系统输入终端， 来自光伏组件的输入功率 PPV是恒定的。 忽略逆变系统阶段的损耗，光伏组件输出功率应与平均输出功率相同，如下图所示。被解耦电容处理过的最终功率为了保持功率平衡，脉冲功率 Poac 应该被一个能量储存器件控制。在光伏组件中，一般使用一个电容 （电解电容） 来缓和脉冲功率的影响。 这个解耦电容一般被集成在逆变器之中或者仅仅与光伏组件并联。 解耦电容的重要性在于这个电容能够储存大量的能量。 电容的大小可以由下式（ 4）计算得来：其中 f 是工频频率， Pdc 是光伏组件的额定功率， Udc 是电容两端的平均电压， 是允许的纹波电压峰峰值。正如式（ 4）之描述，对于一个额定功率和额定工频的逆变器，电容的大小由直流电压和允许的最大纹波电压决定。Ⅲ 功率解耦技术功率解耦技术的实现要依靠特别的微型逆变拓扑电路结构。 微型逆变器的拓扑可以分为单级微型逆变拓扑和多级微型逆变拓扑。 正如图 3 所示的单级逆变系统， 在一个功率级中实现了升压变换和正弦或被矫正过的正弦波的调制。在这种情况下， 功率解耦电容不得不被安置在光伏组件的输出端口。 至于多级逆变器， 如图（ 4）所示，被进一步的分类为 DC-DC-AC、 DC-AC-DC-AC和 DC-AC-AC。对于 DC-DC-AC的拓扑结构，第一个功率级的作用是将光伏输出的低电压提高至能够与电网相匹配的高 DC 电压。在这种情况下，解耦电容放置在高 DC 输出之后比放在光伏电压输出之后更有意义， 因为前者需要的电解电容的容量更小。 对于 DC-AC-DC-AC结构， 在初功率级中使用一个高频率的变压器用以提升光伏输出电压， 同时隔离光伏网络与电网。 解耦电容可以被放置在高输出 DC 或者在输出 AC之后。依托于解耦电容在电路中的位置，解耦技术可以被分成三类： （ 1）光伏端解耦（ 2）直流母线解耦（ 3） AC端解耦。A:光伏组件输出端解耦在图 （ 3） 所示的单级微型逆变拓扑结构中， 有一个功率电容并联在光伏组件直流输出端口，为了实现最大功率跟踪，所允许的纹波电压必须限制在非常低的范围（ <1%） ，导致此电容容量非常大。 举个例子， 对于一个额定功率为 200W 的微型逆变，为了达到 98%的效率，最小的解耦电容值为 13.9mf。这是一个非常大的量，将会增加微型逆变器的体积并且影响它的寿命。这个难题的一个可能的解决办法是增加一个额外的电路对这个 AC脉冲进行解耦，维持其最大功率电压的稳定，如图 5 所示。一个双向的升降压电路已经被提出用于实现功率解耦，如图 6 所示。利用这个有源滤波技术， 解耦电容的大小已经从 3000μf 降低至 100μf ， 因为解耦电容两端的平均电压和纹波电压已经降低至 62V 和 35V。电流滞环控制用来控制电流使其跟随一个确定的值 （电流滞环的环宽是为防止系统在电流的某一个值的上下波动时引起系统反复动作，产生振荡而设置。指的是电流必须大于某个值才能动作，反之，当电流小到另一值时才解除动作，环宽决定了动作的间隔时间。环宽小动作灵敏且频繁、环宽大动作迟缓）。 尽管在（ 5）中没有确定的数据来反映整个逆变器的效率，但我们不得不承认解耦电容的功耗将会降低系统效率。 另外， 使用更小的解耦电容令功率器件的负载更大，导致更多的功耗和更低的效率。图（ 7）中所示的拓扑是一个带有功率解耦电路的反激式单相逆变器，其中一个 40μf 薄膜电容被应用到一个 100W 的微型逆变器的设计中。 在这个拓扑结构中， 来自光伏系统的恒定的功率首先被储存到一个解耦电容 Cd 中，然后被一个整流过的正弦波调制后接入电网。考虑级联式的转换过程，预测系统效率较低，如（ 6）所示最大效率最高能达到 70%。图 （ 8） 展示了一个改进的拓扑结构， 其中漏感能量通过一个双开关反击逆变电路循环利用。即使是理想的设计，最高效率预算只能达到 86.7%。但是我们应该观察到在图 7 中的拓扑结构已经使用解耦电容作为一个缓冲器用来吸收泄露能量。（ 8）结合了升压式和反激式拓扑结构形成一种新的拓扑来实现功率解耦，如图 9 所示。它也可以看成一种两级式功率转换，第一级将光伏系统输出的 DC 做了处理，第二级进行了AC 功率调制。利用这个设计，相当高的电压和纹波电压可以被承受，因此解耦电容的大小将被大量降低。B、直流端口去耦对于一个多级的微型逆变器的设计，主要的功率解耦电容被放置在高 DC 输出端口之后，如 4a 所示，与光伏端功率解耦不同，后者的光伏端口输出额定电压是恒定的，同时为了使光伏系统输出功率能够最大吸收， 纹波电压要被限制在一个非常小的范围之内。 直流母线解耦允许一个更高的直流母线电压和一个更高的纹波电压，因此减少了解耦电容的大小。所需最小的电容值可以由（ 4）计算得出。由于降低了解耦电容的大小，一个较大的纹波电压将要加载在 DC 母线之上，这将导致输出电流波形的恶化。 为了解决这个问题， 集中控制方法已经被提出。 为了降低加载在控制系统上的直流纹波电压， 一个简单地方法是解耦直流电压， 其中控制系统中的一个改进的被用来抑制直流电压纹波的调整方案在图 10 中被提出。它提出了一种控制技术允许输出电流波形之外的 25%的电压纹波。在这个设计中，电压环截止频率地址 10HZ，很大的减弱了控制回路中双线频率下的直流电压纹波。 但是如此低的截止频率， 这个控制回路不得不降低系统的动态特性。为了在电压控制回路中得到一个更高带宽， （ 11） 提出了一个直流电压纹波估计控制策略， 其中通过减去直流纹波电压中预测产生的直流电压达到无直流纹波电压供应直流电压稳压器。 通过这种方式， 直流电压调整器能够得到一个更快的瞬态响应。 在这个模块中有很多工作要做。C、 AC端口解耦在 AC端解耦电路中，解耦电容被嵌入逆变器电路之中，其中电容两端的电压被控制。由于AC端口的高电压摆幅， 电容值相对较小并且可以使用薄膜电容。 使用这种电容的拓扑结构，双向开关管需要提供为正反方向的电流提供一个通道。 此双向二极管和它的驱动电路的设计能够简化拓扑结构，提高系统稳定性。使用 AC 端口功率解耦技术的两种拓扑结构如 13 和14 所示。 两种拓扑结构中解耦的原理都是类似的。 在 AC端增加一个额外的桥臂用来连接逆变器和电网之间的解耦电容。两种拓扑都是基于电流源逆变器的实现。Ⅳ 解耦电路的性能对比以上介绍的功率解耦技术将会影响到整个系统的可靠性、 成本和效率。 对于效率因素， 我们利用 代表没有解耦电路的功率，使用 表示带有解耦电路的功率。带有功率解耦电路的光伏并网系统的功率进程如图 15 所示。主要的逆变过程是处理光伏组件输出的总功率，并且至少一般的功率被解耦电路所处理。 对于一个功率解耦电路的最优化设计， 被解耦电路处理的平均功率应为 。 因此，解耦电路的最高效率可以达到 。表一给出了不同解耦技术的比较结果，其不同之处包括解耦电容的大小、 额外的成本、 效率因素和解耦控制电路的复杂性。 对于光伏输出端解耦技术， 从效率因素考虑， 解耦电容直接并联在光伏系统输出端是最好的选择。 但是，这个电容值非常大，将会提高成本、降低功率密度、减少寿命。至于 DC 环路解耦技术，由于没有额外的电路和控制， 其成本较低， 效率相对较高。 但是这些方式只能应用到直流回路中的多级逆变之中。至于 AC端口功率解耦技术，由于电压摆幅很高，所需电容值很小，但是需要增加额外的桥臂或相， 导致成本增加， 尤其在上述的需要双向开关的基于电流源拓扑的结构中。表 1：不同功率解耦技术的参数比较功率解耦技术 额定功率（ W） 解耦电容 额外成本 控制电路光伏端口解耦图 3 200 13.9mf 电容 无控制图 6 70 100μ f 电容 +2；开关 +1；电感 有源滤波器控制图 7 100 40μ f 电容 +1；开关 峰值电流控制图 8 156 314μ f 电容 +2；开关 峰值电流控制图 9 500 50μ f 电容 +1；开关 +1；电感 boost 反激式控制图 10 —— —— 电容 直流电压前馈控制图 11 200 15μ f 电容 低电压回路带宽控制图 12 100 500μ f 电容 电压纹波预测交流端口解耦图 13 100 5.53 μ f 电容 +2；开关 三相电流调制图 14 —— 电容 +2；开关 改进三相电流调制Ⅴ、讨论在单级微型逆变器的设计中， 功率解耦电路能够减小所需蓄能电容的大小， 因此提高了逆变器的寿命。 但是，由于功率流过解耦电路产生额外的损耗，导致了一个更低的效率。同时， 由于额外增加了一个功率解耦电路， 将会提高整个系统的成本。 为了减少功率电路的损耗，被解耦电路处理过的功率应该是尽可能小，被限制最大为 ，正如图 8 中所示。另外为了减少解耦电路的成本， 一个三端口变流器无疑是最好的选择之一， 其中一个端口用于最大功率跟踪， 另外两个端口用于实现功率解耦。 以下是两个使用三端口来实现功率解耦的例子， 如图 16、 17。 在文献 [23][24] 提出的其它的多端口拓扑也可以应用在单相逆变器中。对于一个含有直流环节多级微型逆变器的设计中， 功率解耦中应用高电压直流母线电容也许是一个最好的选择，因为其简洁、低成本和高效率。在最低的 DC环路电压应该比电网峰值电压更大或者相等的限制条件下，为了减少解耦电容，应该使用一个更高的 DC环路电压和一个更高的纹波电压。 图 18 给出了通过解耦电容后的电压波形和输出的 AC电压波形。所需电容的最小值可以通过 （ 4） 计算得出。 对于一个 200W、 110Vac的微型逆变器的设计，最低电容（ Cmin） 、 DC电压（ Vdc） 、纹波电压的峰峰值 之间的联系如图 19 所示。通过更复杂的控制，纹波电压可以更大。AC端解耦应当遵循多级功率系统的思路， 每一级中功率随时间变化， 但是功率流恒定。对第二相加上特别的控制电路， 将能实现所需解耦电容比以上提出的设计所加电容更小的设计。但是这个小电容是以系统效率和电路复杂性为代价的。Ⅵ 结论本文回顾了应用到单级逆变器中的不同的功率解耦技术，从而减少储能电容的大小，提高逆变器系统的寿命。 对于单级逆变器， 解耦电容并联在光伏输出端口， 这个电容值非常大。 光伏端口的功率解耦电路的使用可以减少此电容值但是整个系统的效率受到了限制。 由于三端口变流器成本更低、 效率更高， 为单级逆变器提供了一个很好的替代选择。 至于直流回路的多级逆变器的拓扑结构， 直流回路电容为功率解耦实现提供了更好的替代选择。 通过应用更复杂的控制方式，系统可以承受更高的纹波电压，进而减小了 DC 功率解耦电容的大小。最终， AC端口解耦利用第二级实现，此时只需要一个很小容量的电容。