基于LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案
0 引言
隨著光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展,光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點(diǎn)。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心,對提高整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性、以及整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命、降低成本至關(guān)重要。
傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器按照有無隔離變壓器可分為隔離型和非隔離型兩大類。非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低,但是由于其跟電網(wǎng)之間沒有進(jìn)行隔離,容易向電網(wǎng)饋入直流分量和諧波,增加系統(tǒng)傳導(dǎo)損耗,而且容易發(fā)生觸電危險(xiǎn),對人構(gòu)成傷害。隔離型光伏并網(wǎng)逆變器可分為工頻隔離型和高頻隔離型。由于增加了隔離變壓器,系統(tǒng)保證不會向電網(wǎng)饋入直流分量,而且更安全。但是工頻變壓器成本高、體積大又笨重,所以工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器不利于小型化和廣泛使用。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器雖然解決了前者體積大和笨重的問題,但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,增加了元器件數(shù)量提高了成本,整體效率并不高。
綜合以上考慮,本文提出了一種利用LLC諧振電路進(jìn)行隔離的高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案,將隔離型和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起,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級功率器件的軟開關(guān),可以大大降低功率器件的開關(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。
1 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及基本原理
1.1 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 直流升壓級和DC-AC 逆變級兩級結(jié)構(gòu),前級負(fù)責(zé)對太陽能電池陣列傳送過來的直流電進(jìn)行升壓和最大功率跟蹤,后級負(fù)責(zé)對前級傳送過來的直流電進(jìn)行逆變,最后經(jīng)過濾波電路后進(jìn)行并網(wǎng)。
1.2 工作原理
光伏并網(wǎng)逆變器通過使功率器件有規(guī)律的開通、關(guān)斷來控制電能的傳輸,功率器件的開通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式來控制。太陽能電池產(chǎn)生的直流電首先送給DC-DC 電路,DC-DC 級執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法,使太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。
經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤控制后DC-DC電路將太陽能電池的電能進(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。控制器對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,然后通過調(diào)節(jié)DC-DC級功率器件開關(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,滿載時(shí)功率因數(shù)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(shù)為1.
2 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[4]。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)的開關(guān)管零電壓開關(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 。
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