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光伏系统中微型逆变器的功率解耦技术 - 综述
胡海兵，苏比哈布，纳赛尔库特库，伊萨巴特谢，Z.约翰什
电机工程与计算机科学学院
中佛罗里达大学，奥兰多，FL，32826
摘要：本文回顾了用于单相并网光伏系统的微型逆变器的功率解耦技术。 功率解耦技术分为三组：（1）光伏侧解耦; （2）直流环节解耦; 和（3）AC侧解耦。 介绍了各种拓扑结构和技术，并与电容，效率和控制复杂度的大小进行了比较和评估。 最后，潜在的拓扑和技术被指出是实现电源解耦的最佳选择。
索引词：功率解耦，单相逆变器，光伏微逆变器
介绍
在过去的15年中，太阳能发电量持续增长30％。2009年世界太阳能光伏市场安装量达到7.2吉瓦的历史新高，比上一年增长130％，其中并网系统占据了市场的绝大多数[1]。并网光伏系统的关键部件之一是并网逆变器。
目前，光伏并网逆变器可分为三类：集中逆变器，串联逆变器和微逆变器[2,3]。功率在150W至300W之间的微型逆变器已成为未来光伏发电系统发展的趋势，原因很多：（1）能源收获得到改善; （2）易扩展性;（3）降低安装成本; （4）“即插即用”操作; （5）模块化设计具有较高的规模经济潜力。然而，在实现低制造成本，高转换效率和长使用寿命方面依然存在许多挑战。由于微型逆变器通常放置在PV面板后面，并且很可能集成在PV面板的背部皮肤上，因此具有与PV面板寿命相匹配的逆变器使用寿命是主要的设计考虑因素。
对于功率级别低于几千瓦的应用，通常使用单相连接。然而，单相连接具有这样的缺点，即流向电网的功率随时间变化，而PV面板的功率必须恒定以使能量收获最大化，这导致瞬时输入功率与输出到电网的瞬时AC功率不匹配。因此，必须在输入和输出之间放置储能元件以平衡（去耦不平衡）不同的瞬时输入和输出功率。通常，电容器被用作电力去耦元件。然而，不同类型电容器的寿命差异很大，例如电解电容器的寿命通常有限，即在105 ℃的工作温度下为1000〜7000小时[4]。目前大多数商用微型逆变器都使用电解电容作为电源去耦存储元件，这是因为它们的大电容和易于实现，这往往限制了这些微逆变器的使用寿命。一些研究人员已经探索了各种方法来减小所需电容的尺寸，从而允许使用其他更长寿命的电容器技术，例如薄膜电容器。本文回顾了已经提出的各种功率解耦技术，并在效率，成本和控制复杂度方面比较了它们的性能。本文的结构如下。第二部分介绍了电源去耦的原理。第三部分介绍了功率解耦技术。第四节比较了不同的功率解耦技术。第五节给出了一些讨论，第六节给出了结论。
Ⅱ.功率解耦原理
在如图1所示的并网单相逆变器中，注入到电网的电流i（t）和电网电压u（t）分别为
图1：单相逆变器架构
｛ （1）
其中是电网频率和是相位差，在注入电流和电网电压之间，这是对于单位功率因数操作来说预计为零。瞬时输出功率如下给出：
（2）
零相移时，可以将其重写为
（3）
- 中的瞬时功率由两个项组成：平均输出功率，它是常数，第二项，这是一个时变项（脉动功率）具有两倍的线频率振荡。 对于PV输入端子，来自PV模块PPV的输入功率被控制为恒定。通过忽略逆变器级的损耗，PV模块产生的功率应该等于平均输出功率，如图2所示。
图2：去耦电容器处理的总功率
为了保持功率平衡，脉动功率Poac必须由储能装置处理。 通常，电容器（去耦电容器）用于减轻PV模块的功率纹波效应。 该去耦电容可以嵌入到逆变器级中，或者仅与PV模块并联连接。 去耦电容的值将根据必须存储在电容器中的能量的大小来确定，其大小由（4）给出。
（4）
其中f是线路频率，Pdc是来自PV面板的额定功率，Udc是电容器两端的平均电压，u是允许峰峰值变化/波动。如（4）所示，对于具有给定额定功率和线路频率的微型逆变器，电容器的大小由直流电压和最大允许电压纹波决定。
Ⅲ.功率解耦技术
实现功率解耦技术取决于采用特定的微逆变器拓扑结构。微逆变器拓扑结构可分为单级和多级逆变器[2] [3]。 如图3所示，单级逆变器在单个功率级中实现了升压转换和正弦或整流正弦波形调制。在这种情况下，电源去耦电容必须放置在PV侧。对于多级逆变器，它们可以进一步分为DC-DC-AC，DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC，如图4所示。对于采用DC-DC-AC配置的拓扑，通常使用第一个功率级将低PV电压升压至与电网电压兼容的高DC电压电平。在这种情况下，由于电容器的尺寸可以更小，所以最好将去耦电容器放置在高压直流侧，而不是PV侧。
在DC-AC-DC-AC配置，高频率第一功率级中的变压器用于升高PV电压并将PV面板与电网电隔离。电源去耦电容器可以放置在高压直流链路或输出交流侧。 Cyclone转换器将高频交流电变为线频交流电，用于采用直流-交流- 交流实现的拓扑结构，其中电源去耦电容器只能放置在光伏侧或交流侧。根据去耦电容和电路的位置，可以确定三种去耦技术：（1）光伏侧去耦; （2）直流环节解耦; （3）AC侧解耦。
图3：单级逆变器
DC
DC
PV
C
DC
AC
去耦电容
- DC-DC-AC架构
（b) DC-AC-AC架构
图4：多级逆变器
A.光伏侧解耦
在如图3所示的单级微逆变器拓扑中，在PV面板的直流输出端子上具有功率电容器会导致非常大的电容器，因为允许的电压纹波必须保持在非常低的值（lt;1％）以内实现有效的MPPT过程。例如，对于额定功率为200W的微型逆变器，所需的最小去耦电容为13.9mF，以实现98％的光伏利用率[2]。这代表了一个非常大的值，这会增加微型逆变器的尺寸，并可能对其寿命产生负面影响。 解决这个问题的一个可能的解决方案是使用一个附加电路去耦交流脉动功率，同时保持MPP电压稳定，如图5所示。
(c)与PV并联的去耦电路
(d)去耦电路与PV串联
图5：采用功率级实现功率解耦
Kyritsis[5]提出了一种双向降压 - 升压转换器来实现功率解耦，如图6所示。通过这种有源滤波器技术，去耦电容器Cd通过将去耦电容器上的平均电压和纹波电压分别提高到62V和35V，从3000℉降至100℉。 采用电流滞环控制来控制电流并使其符合给定的参考值。尽管在[5]中没有提到有关整个逆变器效率的具体数字，但与去耦电路相关的功率损耗会降低整体效率。而且，使用较小的去耦电容器会导致功率器件更高的应力，这可能导致更多的损耗和更低的效率。
图6：由Kyritsis等人提出的CPS-PAF拓扑结构[5]
图7所示的拓扑结构是具有去耦功率电路的反激式单级微逆变器，其中40℉的薄膜电容器用于100Watt微逆变器设计。在这个提议的拓扑结构中，来自PV的恒定功率首先传输到去耦电容器CD，然后用一个整流的正弦波形调制去耦电容器CD并将其泵入电网。考虑到级联转换过程，预计效率会很低，如[6]所示，报告的最高效率只有70％。
图7：Shimizu等人提出的拓扑[6]
图8显示了由Kjaer [7]提出的一种改进型拓扑，其中漏感电感能量通过使用“双开关反激式转换器”来回收。 即使设计优化，估计的最高效率也是86.7％。 然而，应该注意的是，图7中的拓扑结构已经使用去耦电路作为缓冲器来吸收泄漏能量。
图8：由Kjaer [7]提出的修改后的拓扑结构
Tan [8]将升压和反激式拓扑相结合，提出了一种新的拓扑结构来实现如图9所示的功率去耦，可以看作是两级功率转换，第一级处理来自PV的直流功率，第二级功率转换阶段实施交流电源调制。 使用这种技术，由于电压相对较高且允许的电压纹波较大，因此去耦电容的大小将会减小。
图9：Tan提出的去耦功率电路[8]
B.DC链接解耦
对于多级微逆变器设计，主电源去耦电容器放置在高压直流链路上，如图4（a）所示。与光伏侧去耦相比，在光伏额定电压固定且电压纹波应限制在非常小的范围内以最大限度地提高从PV获取的能量的同时，直流母线去耦允许更高的直流母线电压以及更高的电压纹波电压，从而减小了去耦电容的大小。最低根据（4）计算所需的去耦电容。
通过降低去耦电容的值，DC链路上会出现较大的电压纹波，这可能会导致输出电流波形恶化。 为了解决这个问题，已经提出了几种控制技术。 减轻直流电压纹波对控制系统影响的简单方法是根据Enjeti[9]提出的解耦直流电压，其中如图所示，提出了一种改进的调制策略来抑制控制系统中的直流母线电压纹波在图10中。 Brekken的[10]提出了一种控制技术（图11），允许25％的纹波电压而不会使输出电流波形失真。在这种设计中，电压环截止频率设计为10Hz，极大地衰减了控制回路中的双线频率直流电压纹波。但是，由于截止频率较低，所提出的控制系统肯定会降低系统的动态性能。
为了获得更高的电压控制环路带宽，Ninad [11]提出了一种直流电压纹波估计控制策略，如图12所示，其中没有直流电压纹波通过从估计值中减去直流电压输入到直流电压调节器电压纹波。以这种方式，DC电压调节器可以实现更快的瞬态响应。这方面已经做了许多工作[12-18]。
Uref
Udc
图10： Enjeti [9]提出的调制技术
图11. Brekken提出的控制[10]
图12：Nayeem A. Ninad提出的大直流纹波电压纹波估计策略[11]
C.交流侧解耦
在交流侧去耦电路中，去耦电容器通常嵌入在逆变器级中，在电容器两端的电压被控制。由于交流侧的高电压摆幅，电容值可能很小，可以使用非极化（薄膜）电容。在采用这种去耦的拓扑结构中，需要双向开关为正电流和负电流提供路径。双向开关及其驱动电路的可能集成将简化这些拓扑并提高整个系统的可靠性。采用AC侧去耦的两种拓扑结构如图13和图14所示。两种拓扑结构的概念非常相似。在交流侧添加一个额外的相支路以连接逆变器和电网之间的去耦电容。两种拓扑均基于电流源逆变器（CSI）实施。
Q11 Q21 Q31
L1 L2
Q12 Q22 Q32
PV
Cb
D2
D1
格
Ct1 Ct2 Ct3
Q1
Q2
图13：由Q.Li，P.Wolf，S.Senini等人提出的拓扑[19]
图14：C.Bush，B.Wang等人提出的拓扑[20]
IV.解耦电路的性能比较
上面介绍的电源解耦技术将会影响整个系统的可靠性，成本和效率。对于效率比较，我们使用作为没有电源去耦电路的转换效率，而是增加电源去耦电路的效率。该图15所示为并网光伏发电系统中功率解耦电路的功率过程。
图15：光伏系统中的功率过程
主逆变级将处理来自PV模块的总功率，而该功率的至少一半由去耦电路进行处理。对于功率去耦电路的优化设计，去耦电路处理的平均功率电平应为。因此，去耦电路的最佳效率是。表1显示了比较关于去耦电容器尺寸的各种去耦技术的结果，增加的成本，效率影响以及去耦合控制电路的复杂性。对于光伏侧去耦技术，从效率方面考虑，在光伏输出端直接安装去耦电容终端将是最好的选择。但是，电容相当大，这会增加成本，降低功率密度和寿命。至于直流链路去耦技术，由于不需要额外的电路或控制器，因此成本较低，效率相对较高。但是，这些技术只能适用于多阶段直流链路实施的逆变器。 至于交流侧解耦技术，电容可能会非常小到高电压摆动。然而，必须增加另一个支路或阶段，这将增加成本，尤其是在前述两个需要双向开关的基于电流源的拓扑结构中。
表1：各种功率解耦技术的性能比较
|
解耦技术 |
额定功率（W） |
去耦电容 |
附加费用 |
效率 |
控制复杂性 |
|
|
光伏侧解耦 |
图3 |
200 |
13.9mF 全文共11276字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[13746]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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