基于APFC芯片控制的光伏并網逆變器研究

　　摘要：提出一種基于有源功率因數校正（APFC）芯片控制的小功率光伏并網逆變器方案。該逆變器包括直流變換環節和逆變環節。其中直流變換環節采用APFC芯片控制將光伏電池板的直流低電壓變換成正弦雙半波的直流電，逆變環節采用工頻全橋逆變電路將正弦雙半波電流變換為交變電流注入電網。新方案中并網逆變器的并網控制采用APFC芯片實現，而實時控制要求低的zui大功率點跟蹤（MPPT）、孤島保護可采用低價的單片機實現。新方案具有成本低、開發和電流采樣容易等優點。通過一臺300W的樣機證明了系統方案是正確有效的。
　　
　　1、引言
　　
　　太陽能光伏發電有離網型和并網型兩種，前者一般需要大容量的蓄電池支持，系統成本和維護費用高，發電效率受負載影響大：而后者可以克服以上不足，因此在光伏發電系統中所占比例將越來越高。
　　
　　目前，光伏并網發電系統多采用光伏電池板陣列共用一個并網逆變器的方案，進行MPPT時無法兼顧系統中每塊電池板，單塊電池板的利用率較低、系統抗局部陰影能力差，且系統擴展靈活性不夠。采用單電池板供電的微功率或小功率光伏并網逆變器則具有很強的抗局部陰影能力，且安裝方便，系統冗余度高、可靠性高。但與此同時，對成本要求更加嚴苛。
　　
　　2、系統方案
　　
　　2．1基于APFC芯片控制的并網逆變器
　　
　　針對小功率或者微功率并網光伏逆變器應用場合，提出的基于APFC芯片控制的光伏并網逆變器新型系統方案框圖如圖1所示。其中DC／DC變換環節采用APFC芯片控制實現將光伏電池板的直流低電壓變換成正弦雙半波的直流電，既實現了升壓又實現了正弦雙半波調制。逆變環節將前級輸入的正弦雙半波直流電經過一個低頻全橋逆變成交流電直接并網。系統方案中的DC／DC環節可采用單級式或兩級式的功率變換。圖中DC／DC環節以兩級式拓撲為例。　　
　　在并網逆變器控制中，相對于MPPT、孤島保護，并網控制的實時性要求高，因此需要用高性能的數字控制器，這無疑會增加系統成本，特別對于小功率或微功率的并網逆變器。而新的系統方案有以下優勢：①由于并網控制采用APFC芯片，則可采用低價的單片機實現實時性要求低且簡單的MPPT、孤島保護控制，從而有效降低成本；②由于APFC技術較成熟，因此并網電路的調試也簡單，不需要編寫復雜的并網控制程序，縮短開發時間和開發成本；③由于采用正弦雙半波調制，再經過一個低頻橋逆變的結構，此時正弦雙半波調制輸出的電流采樣可以通過采樣電阻很方便地得到。
　　
　　2．2控制原理
　　
　　新方案中，低頻逆變環節控制簡單，只要將DC／DC環節調制輸出的正弦雙半波直流電極性翻轉即可。目前APFC芯片的電流控制方式主要有平均電流控制、峰值電流控制和滯環電流控制。在此以平均電流控制的APFC芯片UC3854為例說明正弦雙半波直流電調制或者并網控制原理，并網逆變器控制框圖如圖2所示。　　
　　采樣的電網電壓送入UC3854的乘法器，乘法器輸出正弦雙半波電流作為iL的基準，使iL跟蹤基準的變化，即實現iL跟蹤電網電壓。兩者比較后經過PI控制器，控制器的輸出與芯片內部產生的鋸齒波比較生成PWM信號驅動Buck電路的開關管，從而實現正弦雙半波直流電調制輸出。iL波形為正弦雙半波，經工頻全橋逆變電路使并網電流與電網電壓同頻同相，從而實現并網。由于Buck電路輸出的電壓被并網電網筘位，所以逆變器只需控制并網電流。
　　
　　3、實驗樣機設計
　　
　　基于所提方案，設計一個并網逆變器實驗原理機。并網逆變器參數：輸入直流電壓范圍為40～60V，并網電壓及頻率為176～265V／50Hz，并網額定功率為300W。
　　
　　3．1DC／DC升壓電路
　　
　　Buck型并網逆變器要求逆變電路輸入的母線電壓要大于電網的峰值電壓，考慮到電網電壓波動，一般要求直流母線電壓大于380V，所以需要先將光伏電池電壓進行升壓。普通Boost電路的升壓比一般小于5，而單塊電池板的輸出電壓范圍一般為40～60V，因此要將此電壓范圍升壓到380V，升壓比遠大于5，普通的Boost電路無法滿足要求。為滿足大升壓比的要求，該并網逆變器的前級Boost電路采用帶中間抽頭電感的Boost電路，如圖3所示。　　
　　耦合電感設計：考慮VQ1耐壓以及電流要求，取耦合電感L1，L2的匝比n=1：2，電流紋波系數為0．4，占空比為0．67～0．74，根據L1=UinDBoost／（fs1△i1）設計得L1=137μH，L2=548μH。Uin為光伏電池板輸出電壓，開關頻率fs1=65kHz。VQ1為IRFP250，二極管VD1為MUR860。
　　
　　3．2Buck正弦雙半波調制及工頻逆變電路
　　
　　如圖4所示，該部分電路由Buck正弦雙半波調制電路和工頻全橋逆變電路組成。通過UC3854控制iL為正弦雙半波。當檢測到電網電壓為正半波時，VT1，VT4開通，VT2，VT3關斷；當檢測到電網電壓為負半波時，VT2，VT3開通，VT1，VT4關斷，從而將Buck電路輸出的正弦雙半波電流轉換成與電網電壓同頻同相的正弦電流，完成并網功能。　　
　　Buck電感設計：L的大小影響并網電流的質量，設計合理的L可以減小并網電流的THD，達到并網要求。在電網電壓峰值處，有：　　
　　式中：Udc為Buck的輸入電壓；Dmax為電網電壓峰值處的占空比；△i2為電網電壓峰值處的電感紋波電流；fs2為Buck電路的工作頻率，fs2=65kHz。
　　
　　計算得出L=1．62mH。MOSFETVT1～VT5為IRF840，二極管VD2為MUR860。
　　
　　4、實驗
　　
　　制作一臺樣機，圖5示出逆變器直流輸入電壓為50V，電網電壓及頻率為220V／50Hz，輸出功率分別為109W和329W時電網電壓和并網電流波形。表1為實驗原理機在220V電網電壓時的并網電流THD、功率因數λ以及整機效率。　　
　　由表1可見，實驗樣機在工作過程中，λ值接近于1，同時隨著并網功率的增加，并網電流THD減小。在滿載工作時，輸出電流THD=3.52％，保證了并網電流的質量。實驗驗證了控制方案的正確性和電路設計的合理性。
　　
　　5、結論
　　
　　提出了一種基于APFC芯片控制的新型并網逆變器系統方案。新方案中，并網逆變器實時控制要求高的并網控制部分采用APFC控制，而實時性要求不高的MPPT和孤島保護則采用低性能、便宜的單片機控制。新方案具有控制成本低，設計調試簡單，電流采樣方便等優點，適用于小功率或者微功率并網逆變器應用場合。實驗證明提出的新方案正確有效，系統性能優良。