如何利用LLC諧振電路改進(jìn)光伏并網(wǎng)逆變器

　　光伏發(fā)電系統是利用電子組件將太陽(yáng)能轉化為電能，逆變器作為整個(gè)系統的核心，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)結合，對整個(gè)光伏發(fā)電系統的效率、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)逆變器設計，將隔離型和非隔離型的優(yōu)點(diǎn)結合，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諧振電路能夠實(shí)現DC-DC級功率器件的軟開(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(zhù)提高整個(gè)系統的轉換效率和器件的使用壽命。

　　光伏并網(wǎng)逆變器結構及基本原理

　　系統設計結構

　　采用LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器結構如圖1所示，它包括DC-DC直流升壓級和DC-AC逆變級兩級結構，前級負責對太陽(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，后級負責對前級傳送過(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級執行最大功率點(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級的直流電，然后送到DC-AC級將直流電變換成交流電?？刂破鲗Σ蓸与娐凡扇〉碾娋W(wǎng)電壓或電流相位進(jìn)行跟蹤計算，然后通過(guò)調節DC-DC級功率器件開(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)功率因數不低于94%.DC-AC級輸入直流電壓400 V，功率等級600 W，功率因數為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的體積，提高效率和功率密度。LLC諧振電路是在傳統的串聯(lián)諧振電路基礎上，將變壓器勵磁電感Lm串聯(lián)在諧振回路中，構成一個(gè)LLC諧振電路。相比傳統的串聯(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)現全負載范圍內的開(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)現開(kāi)關(guān)管的ZVS.下面對它的工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

　　LLC電路根據開(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的驅動(dòng)脈沖波形：

　?。踭0 - t1］階段：t0時(shí)刻諧振電流為負，Q1體二極管導通，Q1兩端電壓鉗位在0，此時(shí)讓Q1導通為零電壓導通。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與勵磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負，副邊極性也為上正下負，因此D1、D4自然導通，變壓器原邊電壓被鉗位在nVo（n為變壓器變比），勵磁電流線(xiàn)性上升。

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

　?。踭1 - t2］階段：t1時(shí)刻諧振電流ILr等于勵磁電流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(cháng)，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)入死區時(shí)間。諧振電流ILr對Q2的結電容放電，當它的電壓降到0時(shí)，體二極管導通，變壓器原邊繞組極性變?yōu)樯县撓抡?，副邊整流二極管D2、D3自然導通，勵磁電感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為周期程正弦規律減小，勵磁電流線(xiàn)性減小。t3時(shí)刻Q2零電壓開(kāi)通。

　?。踭3 - 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，勵磁電流線(xiàn)性減小。t4時(shí)刻諧振電流等于勵磁電流。

　?。踭4 - 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)入死區時(shí)間，Q1、Q2全部關(guān)斷，諧振電流ILr對Q1的結電容充電，當它的電壓等于電源電壓時(shí)，體二極管導通，變壓器原邊繞組極性上正下負，副邊整流二極管D1、D4自然導通，勵磁電感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為周期程正弦規律增大，勵磁電流線(xiàn)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，假設諧振電流不變，設為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(cháng)r和Cr諧振時(shí)的諧振周期。從式中可以看出，當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，均方根值最小，開(kāi)關(guān)管導通損耗最小，電路效率最高［8］。所以，當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(xiàn)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)照度和一定結溫的條件下，當光伏電池的端電壓（電流）發(fā)生變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì )沿著(zhù)曲線(xiàn)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）。

　　在常規的線(xiàn)性系統電氣設備中，為了獲得最大功率需要使負載的電阻等于電源內阻。但太陽(yáng)能電池是一個(gè)非線(xiàn)性電源，它的內阻受環(huán)境影響而不斷變化，為了進(jìn)行負載電阻匹配從而獲得最大功率，就需要不斷調整負載阻值。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)調節它的占空比來(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(guān)察法、電導增量法等幾種，其中電導增量法以?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(xiàn)圖。由圖可以看出，在最大功率點(diǎn)的時(shí)候功率曲線(xiàn)斜率為0，即功率P對電壓V的導數為0，所以有dPdU =0，又因為P=UI，所以：

　　由上式可知，當輸出電導的變化量等于輸出電導的負數時(shí)，太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)。具體實(shí)現方法是：通過(guò)檢測太陽(yáng)能電池的輸出電壓和電流，根據上一個(gè)采樣周期電壓和電流的值計算出變化量；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，則表示光照強度有變化，根據電流的變化方向來(lái)決定擾動(dòng)方向。當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)。若電導變化量大于負電導值，則表示功率曲線(xiàn)斜率為正，功率點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側，需要增大Vref，反之需要減小Vref。

　　結語(yǔ)

　　本文鑒于傳統光伏并網(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)逆變器設計方案，該設計方案通過(guò)將傳統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)行對比分析可知，半橋LLC串聯(lián)諧振電路能實(shí)現開(kāi)光管的零電壓開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗，從而