高性能太阳能微型并网逆变器仿真研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1能源危机与可再生能源

世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限，大约为1180~1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭。铀的年开采量为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计，可维持到21世纪30年代中期，但核聚变到2050年还没有实现的希望。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。总之，能源危机迟早会爆发；它的爆发将具有爆炸性！

为了实现人类社会长期的、健康的、可持续的发展，除了提高传统能源的高效优质利用、减少污染排放外，还应该大规模的利用可再生能源。可再生能源是指可以永续利用的能源资源，可再生能源来自大自然，对环境没有污染，取之不尽用之不竭，近些年来吸引了全世界大量科学家和政府机构的关注。世界可再生能源的资源潜力巨大，但由于成本和技术因素的限制，其利用率还很低。随着国际油价的持续上涨，可再生能源的强势发展前景日益凸显，中国的新能源产业也在迅速发展。

自从 2005 年颁布了《中华人民共和国可再生能源法》和《可再生能源中长期发展规划》后，中国的可再生能源开始迅速发展。2008 年，中国在投资可再生能源方面仅次于美国而居世界第二位，中国和美国的投资分别为 1760 亿美元和 2000 亿美元。据汇丰银行(HSBC)估算，中国经济刺激计划投入绿色项目的资金达 2200 亿美元，为美国的两倍多，相当于中国 2008 年 GDP的 5%。截至 2007 年底，可再生能源占中国一次能源供应的 8.5%，电力供应的 16%；2008 年，可再生能源约占一次能源消费总量的 9%，利用量约为 2.5 亿吨标准煤。到 2020 年，可再生能源占一次能源供应和占电力供应的比例将分别达到 15%和 21%。而从能源供应的多方面考虑，太阳能必然是符合可持续发展战略的最佳绿色能源。全球能源专家认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。

1.2太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池阵列将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池阵列、控制器和逆变器三大部分组成。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

图1-1 2005-2015年中国光伏装机容量年度累计表

美国绿色能源市场研究机构GTM公司初步数据显示，2015年全球光伏装机容量较2014年增加了34%，截至年底达到了约5900万千瓦。国家能源局的统计表格指出，2015年中国累计光伏发电装机容量16600.00MV，同2014年中国累计光伏装机容量12800.00MV同比增长29.69%，占全球新增装机的四分之一以上，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中，光伏电站3712万千瓦，分布式606万千瓦，年发电量392亿千瓦时。

虽然太阳能发电满足绿色能源的要求，但实现太阳能高效并网发电却并不容易。其中，太阳能光伏并网逆变器作为电网和太阳能电池阵列的接口，是实现先并网发电的关键。其性能决定了并网发电系统的效率和成本。

1.3光伏并网逆变器的研究现状

微型逆变器，一般指的是光伏发电系统中的功率小于等于1000瓦、具组件级MPPT的逆变器，全称是微型光伏并网逆变器。“微型”是相对于传统的集中式逆变器而言的。传统的光伏逆变方式是将所有的光伏电池在阳光照射下生成的直流电全部串并联在一起，再通过一个逆变器将直流电逆变成交流电接入电网；微型逆变器则对每块组件进行逆变。其优点是可以对每块组件进行独立的MPPT控制，能够大幅提高整体效率，同时也可以避免集中式逆变器具有的直流高压、弱光效应差、木桶效应等。

最好提出微型光伏逆变器的美国加州 Petaluma 的 Enphase 公司，从 2008 年开始微逆变器的商业化量产，并取得了不错的销售成绩，是现阶段国外微逆变器市场占有率最高的公司。2013年，Enphase公司发布第四代M250微型逆变器，它有30年的使用寿命、最高 96.5%的电能转化效率以及峰值输出功率达250W，是现有的微型逆变器产品中效率最高的。国内最好的英伟力新能源科技公司，是国内最早从事微逆变器研究的公司之一，于 2010 年 5 月份成功发布了其第一代产品 MAC250，California Energy Commission(CEC)[12]效率为 94%。由于国内微型逆变器起步较晚，与国外公司设计生产的微型逆变器相比，国内设计生产的微型逆变器的质量和可靠性还有比较明显的差距，由于推向市场的时间比较短，产品的质量和稳定性还有待长时间的检验。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容和目标

本文主要研究高性能微型并网逆变器，根据现代可再生能源并网发电系统在满足实际应用中低成本高效率高可靠性的目标，即微型逆变器的开关管的开关损耗低，并网电流的谐波含量低，低成本和低体积。

因此所作的主要工作包括以下方面：

（1） 提出有源钳位并联交错反激式的拓扑结构及工作原理。

（2） 设计微型并网逆变器软开关技术和有源钳位漏感能量吸收电路。

（3） 研究逆变器的并网电流控制、最大功率跟踪MPPT和孤岛检测的方法。

（4） 利用simulink搭建微型并网逆变器并网模型，论证该逆变器的高性能。

2.2研究拟采用的技术方案和措施

2.2.1有源钳位交错并联反激式拓扑的工作原理

图2-1有源钳位交错并联反激式拓扑

如图2-1所示，有源钳位交错并联反激式微型光伏并网逆变器的工作原理如下:该电路主要有 4 部分组成：1、太阳能电池；2、直流升压（DC-DC）；3、全桥逆变电路（DC-AC）；4、滤波并网。在这 4 个环节中，最重要的是直流升压环节。工作于高频下的开关管S1、S2经过 PWM 调制，可实现多项功能，比如 MPPT、有源钳位等。由VT1、VT2、VT3和VT4构成的全桥电路的驱动时序也是工作于工频状态，经过逆变后的正弦波最后经滤波电路Lf及Cf并入电网。

2.2.2微逆变器软开关技术的原理分析

由于反激变换器工作是在开关管断开时向后级输出能量，在一个周期中，必然存在能量储能和释放的过程，会引起开关损耗，而且在高频开关电源中，开关管导通关断时产生的损耗不容忽视。而软开关技术能很好的解决开关损耗问题。软开关技术是应用谐振或准谐振原理，在电流或电压谐振到零时，关断功率开关管；或电压谐振到零时，开通开关管，从而使电压下降或上升时与电流的交叉面积减少，进而减小损耗，并进一步能改善开关电源的 EMI问题。

2.2.4有源钳位漏感能量吸收电路的原理分析

相比于传统的有损 RCD 钳位电路，有源钳位电路在单端复位电路里有很多优势，比如说能回收漏感能量提高效率，能减小 MOS 管电压应力，进而减小EMI，或能使占空比大于 50%等等。但由于其控制复杂，较 RCD 电路成本较高，故普通反激电路很少采用。由于有 DSPIC芯片控制，为了实现微型逆变器的高效率，本文采用有源钳位电路来回收漏感能量。从有源钳位电路的位置来分，可分为高边钳位和低边钳位两种。不同的钳位电路在应用时有很多细微的差别不容忽视，由于高边有源钳位驱动复杂，需另加驱动变压器来驱动，所以本文采用低边有源钳位电路。低边有源钳位电路采用P沟道 MOS管如图2-2所示。

图2-2 低边有源钳位漏感能量吸收电路

低边有源钳位是把能量钳位到钳位电容里，再利用谐振原理来实现漏感能量的回收，Q2 导通时，PV 侧电压全部加在励磁电感上，此过程是储能阶段，在 Q2 两端并联一个电容，可防止 Q2 两端电压突变，减小关断损耗。关断时，储存的能量向次级传递，漏感中的能量则迅速给 Q2 的结电容充电，充满后剩余能量全部被钳位电容吸收，电流流过 Q1体二极管，为 Q2 管的开通提供了 ZVS 条件，当电流降到零后，励磁电感和钳位电容谐振，实现能量回收，此时强制关闭 Q1，由于电感续流作用，电流必从 Q2 体二极管流过，为Q2 管ZVS 创造了条件。

低边有源钳位辅助开关管 Q1 选择 P 沟道 MOS 管，主要考虑低栅电荷 MOS 管，RDS考虑其次，在一个谐振周期内，Q1 与 Q2 之间需加入死区时间，任由电流通过辅助开关管体二极管，提供 ZVS 条件。另漏感吸收的能量也需足够大，能在给 Q2 结电容充满后，继续给钳位电容充电，才能创造谐振条件。应用有源钳位电路可实现 Q2 管的 ZVS，减小了损耗，并回收了漏感的能量，势必提高整个周期的效率，从而提高微型逆变器的整个系统的效率。

2.2.3并网电流控制技术

如果反激变换器工作在连续模式下，电感平均电流跟随输出电流变化,即输出电流减小，则电感平均电流也会减小，当负载变轻，反激变换器电流变小就会从连续模式向断续模式过渡。而且电感电流的大小也会时刻跟随着电感平均电流变化。在 Buck-Boost 电路中，如果电感电流在下一个周期之前已降为零，即在开关闭合之前以为零，则这个工作模式就叫做断续模式(DCM)。跟 CCM 模式相比，DCM 在每个开关周期内都有三个工作状态：1）当 SW1 导通、SW2 关断时，为开态(ON)；当 SW1 关断、SW2导通时，为关态(OFF)；当 SW1、SW2 都为关断时，为空闲态(IDLE)。前两种状态与 CCM模式的工作方式是一样的，所以对连续模式下也是适用的，只是关断时间toff≠1-D×T，开关周期的剩余时间即为空闲态(IDLE)。由于交错反激变换器工作在高频开关模式下，在开关闭合关断瞬间，会产生很大的 di/dt和 du/dt,而在整个电路中，由于电子元件中杂散电容寄生电感的存在，在开关处产生的谐波会并入电网中，严重影响电网质量。为了改善并网电流质量，本文采用无源 LCL 滤波器，用来衰减高次谐波信号。

图2-3 LCL滤波器的并网逆变系统原理图

逆变器电流和电压的角度推导，考虑阻尼电阻，得到 LCL 的传递函数为

传统的 PI 控制器定义为：

电流环采用经典 PI 控制的框图如图2-4，其中 ui*是逆变器的电压调制量，ig*是逆变器的电流基准值。加入电网电压前馈，提高动态响应能力。

图2-4采用PI控制的并网逆变器电流环

2.2.4最大功率点跟踪

由于微逆变器追求高寿命低成本，常用的 MPPT 方法均为通过调整 PV 组件输入侧的电压来跟踪，适用于电压源型光伏系统。而交错反激并网逆变器为电流源系统，无法直接控制 PV侧的输入电压，这时我们可以对现有的 MPPT 加以改进，采用基于扰动观察法的Boost的MPPT电路。

图2-5Boost电路图

图 2-5 为 Boost 电路图，它的控制分为两种：1 是改变转换器的占空比；2是改变扰动电压。

MPPT控制电路如图 2-6所示。

图2-6基于 Boost 电路 MPPT 控制过程

Boost电路能实现光伏电池的最大功率点跟踪控制的原理：根据采样得到的光伏电池的输出电压值、电流值，进行计算比较，最后调整占空比来改变输出功率，把能量输送给负载。

3. 研究计划与安排

第1周：调研课题背景与国内外研究现状；

第2周：搜集相关学术期刊论文，认真研读分析光伏并网逆变器的基本原理；

第3周：提交开题报告，开题答辩；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]周小义.基于独立光伏组件并网逆变器 ac module 的研究[d].合肥：合肥工业大学，2007。

[2]吴春华，黄建明等. 高效率微型光伏并网逆变器控制策略研究[m],2012.

[3]b.k.bose.energy environment and advances in power electronics. ieee trans. power electron, 2000,15:688-701.