如何利用LLC諧振電路改進(jìn)光伏并網(wǎng)逆變器

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用電子組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，逆變器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通常又分為隔離型和非隔離型兩大類(lèi)，如果將兩種類(lèi)型的逆變器優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性、使用壽命的提高以及降低成本都是至關(guān)重要的。

　　本文主要介紹一種利用LLC諧振電路進(jìn)行高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)，將隔離型和非隔離型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，既減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，又提高了電能質(zhì)量和安全性。而且由于使用LLC諧振電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC-DC級(jí)功率器件的軟開(kāi)關(guān)，可以大大降低功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，因此能顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和器件的使用壽命。

　　光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及基本原理

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　采用LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括DC-DC直流升壓級(jí)和DC-AC逆變級(jí)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)太陽(yáng)能電池陣列傳送過(guò)來(lái)的直流電進(jìn)行升壓和最大功率跟蹤，后級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)前級(jí)傳送過(guò)來(lái)的直流電進(jìn)行逆變，最后經(jīng)過(guò)濾波電路后進(jìn)行并網(wǎng)。

　　工作原理

　　光伏并網(wǎng)逆變器通過(guò)使功率器件有規(guī)律的開(kāi)通、關(guān)斷來(lái)控制電能的傳輸，功率器件的開(kāi)通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式來(lái)控制。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的直流電首先送給DC-DC電路，DC-DC級(jí)執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，使太陽(yáng)能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤控制后DC-DC電路將太陽(yáng)能電池的電能進(jìn)行升壓變成適合DC-AC級(jí)的直流電，然后送到DC-AC級(jí)將直流電變換成交流電?？刂破鲗?duì)采樣電路采取的電網(wǎng)電壓或電流相位進(jìn)行跟蹤計(jì)算，然后通過(guò)調(diào)節(jié)DC-DC級(jí)功率器件開(kāi)關(guān)使逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，最后通過(guò)輸出濾波電路或隔離變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本文DC-DC級(jí)輸入200~300 V，輸出400 V直流電壓，輸出功率500 W，滿(mǎn)載時(shí)功率因數(shù)不低于94%.DC-AC級(jí)輸入直流電壓400 V，功率等級(jí)600 W，功率因數(shù)為1.

　　LLC電路分析

　　本文采用LLC諧振電路代替工頻變壓器進(jìn)行隔離，這是跟傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器所不同的地方，也是其優(yōu)點(diǎn)所在。傳統(tǒng)工頻隔離變壓器體積大、笨重、成本高，采用LLC諧振電路進(jìn)行隔離可以大大縮小逆變系統(tǒng)的體積，提高效率和功率密度。LLC諧振電路是在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路基礎(chǔ)上，將變壓器勵(lì)磁電感Lm串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個(gè)LLC諧振電路。相比傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路，由于增加了一個(gè)諧振電感，使得電路諧振頻率降低，無(wú)需使用額外輔助網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)；其次，變壓器副邊整流二極管可以有條件的工作在零電壓關(guān)斷，減小了二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；而且其適合工作在寬的電壓輸入范圍下，輸入電壓越高，效率越高，在工作點(diǎn)最優(yōu)時(shí)可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率

　　本文采用了一個(gè)半橋LLC串聯(lián)諧振電路，如圖2所示。半橋LLC串聯(lián)諧振電路包含輸入電容C1、C2，MOSFET Q1、Q2，諧振電感Lr，諧振電容Cr，變壓器T1，輸出整流二極管D1 ~ D4和輸出電容C3。

　　由于增加了一個(gè)諧振電感，LLC諧振電路具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是諧振電感Lr和諧振電容Cr的諧振頻率fr，另一個(gè)是Lm加上Lr與Cr的諧振頻率fm。計(jì)算公式如下：

　　在串聯(lián)諧振電路中，工作頻率fs高于fr時(shí)才能保證開(kāi)關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，而在LLC電路中，只要保證fs高于fm就能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS.下面對(duì)它的工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

　　LLC電路根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率范圍可以分為四種模式，本文只討論fr》fs》fm模式下的工作原理，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過(guò)程如下所述，工作波形如圖3所示，PS1，PS2分別為Q1，Q2的驅(qū)動(dòng)脈沖波形：

　　［t0 - t1］階段：t0時(shí)刻諧振電流為負(fù)，Q1體二極管導(dǎo)通，Q1兩端電壓鉗位在0，此時(shí)讓Q1導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通。能量從電源正極流向C1，C2中點(diǎn)，Lr，Cr諧振，諧振電流ILr經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管Q1并以正弦形式逐漸上升，流過(guò)變壓器原邊的電流IT1為諧振電流ILr與勵(lì)磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負(fù)，副邊極性也為上正下負(fù)，因此D1、D4自然導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被鉗位在nVo（n為變壓器變比），勵(lì)磁電流線性上升。

　　經(jīng)過(guò)半個(gè)周期諧165現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷振時(shí)Q1仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。半個(gè)周期之后諧振電流開(kāi)始減小，勵(lì)磁電流繼續(xù)線性上升，t1時(shí)刻諧振電流與勵(lì)磁電流相等。

　　［t1 - t2］階段：t1時(shí)刻諧振電流ILr等于勵(lì)磁電流ILm，變壓器原邊電壓為0，副邊電壓也為0，副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感Lm開(kāi)始參與諧振。由于Lm要比Lr大很多，LLC諧振周期明顯變長(zhǎng)，所以諧振電流基本不變。t2時(shí)刻Q1關(guān)斷。

　?。踭2 - t3］階段：t2時(shí)刻Q1關(guān)斷，此時(shí)Q2也處于關(guān)斷狀態(tài)，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間。諧振電流ILr對(duì)Q2的結(jié)電容放電，當(dāng)它的電壓降到0時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性變?yōu)樯县?fù)下正，副邊整流二極管D2、D3自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。諧振電流開(kāi)始以2πLrCr為周期程正弦規(guī)律減小，勵(lì)磁電流線性減小。t3時(shí)刻Q2零電壓開(kāi)通。

　　［t3 - t4］階段：t3時(shí)刻Q2零電壓開(kāi)通，與第一階段類(lèi)似，Lr、Cr諧振，諧振電流以正弦形式減小，勵(lì)磁電流線性減小。t4時(shí)刻諧振電流等于勵(lì)磁電流。

　　［t4 - t5］階段：t4時(shí)刻開(kāi)始變壓器原邊電壓為0，副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感不再被輸出電壓鉗位，開(kāi)始參與諧振。LLC諧振電流基本不變。

　?。踭5 - t6］階段：與［t2 - t3］階段類(lèi)似，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，Q1、Q2全部關(guān)斷，諧振電流ILr對(duì)Q1的結(jié)電容充電，當(dāng)它的電壓等于電源電壓時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性上正下負(fù)，副邊整流二極管D1、D4自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。

　　諧振電流開(kāi)始以2πLrCr為周期程正弦規(guī)律增大，勵(lì)磁電流線性增大。t6時(shí)刻Q1零電壓開(kāi)通，開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)周期。

　　在［t1 - t2］階段和［t4 - t5］階段，假設(shè)諧振電流不變，設(shè)為Im，則輸出電壓Uo可表示為：

　　式中：Ui為輸入電壓；T為開(kāi)關(guān)周期；Ts為L(zhǎng)r和Cr諧振時(shí)的諧振周期。從式中可以看出，當(dāng)T = Ts即fr = fs時(shí)這種情況下［t1 - t2］階段和［t4 - t5］階段將不存在，諧振電流是純粹的正弦波，副邊整流電路輸出電流臨界連續(xù)，均方根值最小，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗最小，電路效率最高［8］。所以，當(dāng)LLC電路工作在諧振頻率時(shí)，效率最高。本文中LLC電路的主要作用就是隔離，在保證隔離的基礎(chǔ)上要使效率最高，因此本文中使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率。

　　最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略

　　最大功率跟蹤基本原理

　　太陽(yáng)能電池是一種非線性直流電源，它的輸出受太陽(yáng)光照條件的和溫度等環(huán)境影響非常大。在一定太陽(yáng)照度和一定結(jié)溫的條件下，當(dāng)光伏電池的端電壓（電流）發(fā)生變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì)沿著曲線變化。但是，一定會(huì)存在一個(gè)點(diǎn)，使得太陽(yáng)能電池輸出的功率最大。這一點(diǎn)就被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)，尋找這一最大功率點(diǎn)的技術(shù)就被稱(chēng)為最大功率跟蹤技術(shù)（Maximum Power Point Track-ing，MPPT）。

　　在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為了獲得最大功率需要使負(fù)載的電阻等于電源內(nèi)阻。但太陽(yáng)能電池是一個(gè)非線性電源，它的內(nèi)阻受環(huán)境影響而不斷變化，為了進(jìn)行負(fù)載電阻匹配從而獲得最大功率，就需要不斷調(diào)整負(fù)載阻值。DC-DC變換器的等效電阻跟開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)有關(guān)，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)它的占空比來(lái)改變它的等效電阻，使它的等效阻值一直等于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻，這樣就可以使太陽(yáng)能電池一直工作在最大功率點(diǎn)。

　　這就是光伏并網(wǎng)逆變器最大功率跟蹤的基本原理。

　　最大功率跟蹤算法

　　目前常用的最大功率跟蹤算法主要有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等幾種，其中電導(dǎo)增量法以?xún)?yōu)良的跟蹤性能倍受青睞。下面簡(jiǎn)單介紹其工作原理。圖4是太陽(yáng)能電池特性曲線圖。由圖可以看出，在最大功率點(diǎn)的時(shí)候功率曲線斜率為0，即功率P對(duì)電壓V的導(dǎo)數(shù)為0，所以有dPdU =0，又因?yàn)镻=UI，所以：

　　由上式可知，當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)數(shù)時(shí)，太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)方法是：通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能電池的輸出電壓和電流，根據(jù)上一個(gè)采樣周期電壓和電流的值計(jì)算出變化量；然后判斷電壓的變化量是否為零。若為零，再判斷電流的變化量是否為零，若都為零，則表示阻抗一致，則參考電壓Vref不變，占空比不變。若電壓變化量為零，電流變化量不為零，則表示光照強(qiáng)度有變化，根據(jù)電流的變化方向來(lái)決定擾動(dòng)方向。當(dāng)電壓變化量不為零時(shí)，判斷是否符合上式，若符合，表示在最大功率點(diǎn)。若電導(dǎo)變化量大于負(fù)電導(dǎo)值，則表示功率曲線斜率為正，功率點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，需要增大Vref，反之需要減小Vref。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文鑒于傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器使用工頻變壓器進(jìn)行隔離的不足而提出了一種利用半橋LLC串聯(lián)諧振電路進(jìn)行隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案通過(guò)將傳統(tǒng)變壓器隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和采用LLC諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行對(duì)比分析可知，半橋LLC串聯(lián)諧振電路能實(shí)現(xiàn)開(kāi)光管的零電壓開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗，從而