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(duì)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(wú)隔離變壓器可分為隔離型和非隔離型兩大類(lèi)。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(jiǎn)單、造價(jià)低，但是由于其跟電網(wǎng)之間沒(méi)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(duì)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(huì)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(wèn)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(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。

　　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(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)。

　　1.2 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.

　　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(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 。