基于Multisim的船舶光伏逆变器控制策略仿真研究外文翻译资料

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并网光伏（PV）微逆变器中的电隔离是电力质量和安全问题的一个非常重要的特征。然而，高频变压器和高开关损耗降低了隔离型微转换器的效率。最近，提出了几种隔离拓扑来提高光伏转换器的效率和使用寿命。本文介绍了PV微逆变器最新隔离拓扑结构的全面综述。这些拓扑在功率处理阶段分为两组：1）单级微转换器和2级多级微转换器。在不同阶段的功率损耗，控制技术，去耦电容器的位置以及成本分析方面提出，比较和审查了各种拓扑结构。提出了改进现有拓扑结构并选择合适的控制技术以获得清晰度下一代隔离PV微逆变器框架图。

1介绍

2光伏转换器的标准和要求

2.1光伏系统标准

2.1.1电隔离

2.1.2防孤岛检测

2.1.3总谐波失真

2.1.4无功功率控制

2.2光伏转换器的性能要求

2.2.1效率

2.2.2安装费用

2.2.3寿命

2.2.4功率密度

3并网微逆变器的演进

3.1并网中央逆变器

3.2并网串联逆变器

3.3并网微逆变器

4隔离微逆变器的拓扑

4.1单级隔离微逆变器

4.1.1单反激微转换器

4.1.2交错反激微转换器

4.2多级隔离微逆变器

5微逆变器拓扑的比较

5.1电网要求

5.2性能要求

6讨论

6.1MOSFET的开关损耗和导通损耗

6.2高频变压器的核心损耗

6.3微逆变器的控制技术

6.4微逆变器的寿命

6.5费用

6.6与网格连接

7建议和未来方向

7.1选择拓扑

7.2选择半导体功率器件

7.3变压器铁芯的选择

7.4选择运行模式

7.5维护电网标准

8结论

1简介

根据2012年国际能源署（IEA）的分析，2010年约有13亿人（占全球人口的19％）生活在没有电力的条件下，预计到2030年这一人口将下降到约10亿人（占全球的12％）[1]。 可再生能源在过去五年中与传统燃料相比更具有经济竞争力，国际能源署称，60％的新连接将需要来自分散式微电网和离网装置，如太阳能家庭系统[2]。 通过采用储能技术可以缓解可再生能源产出不可预测的缺点[3-5]。为了控制来自化石燃料蒸汽发电机的有毒气体和金属的排放，必须增加清洁无毒可再生能源的发电能力。 “2014年美国年度能源展望”（AEO，2014年）估计，仅在美国，2012年至2040年，可再生能源发电总量将增长52％，太阳能发电的增长在可再生能力的增长中领先，从2012年时不足8GW到2040年超过48GW[6]。 到2020年，德国Energiewende的目标是绿色能源至少生产35％的电力，预计到2050年这一数字将超过80％（每年约488亿千瓦时）[4]。

在可再生能源中，光伏（PV）能源被认为是最有希望的新兴技术之一。 根据国际能源署设想的路线图，到2050年，光伏在全球电力中的份额将上升至16％。在过去六年中，全光伏系统的成本已经下降到三分之一，由于批量生产光伏模块的生产成本降低了80%[7]。鉴于晶体硅半导体材料的天然丰度，全球光伏电池总产量的90％以硅技术为基础，平均成本为0.10美元/千瓦时，转换效率在17-25％之间[8]。 下一代纳米结构太阳能电池有望将成本降至0.03美元/度，而转换效率最高达33％[9,10]。 此外，低成本钙钛矿太阳能电池将在不久的将来导致光伏技术的飞速增长[11-13]。

与交流电网连接的光伏系统比独立系统更具成本效益，需要更少的维护，因为它们不需要电池用于存储目的。 锂离子或铅酸蓄电池通常用于独立系统，这增加了整体成本，需要额外的充放电控制[14-16]。 因此，并网光伏系统占总装机容量的99％，而独立系统的占有率为1％[17]。并网光伏系统的性能在[18-20]中进行了调查分析。 电力逆变器是将光伏电力注入交流电网的关键组件之一。并网光伏系统的范围可以从大约100W的单个PV模块到290 MW的PV模块的数百万个模块[21]。在PV模块的不同布置的基础上，并网光伏逆变器可以分为中央逆变器，串联逆变器，多段逆变器，交流模块逆变器或微型逆变器[22]。 微转换器或模块集成转换器是150-400W的低功率额定值转换器，其中专用并联逆变器用于系统的每个PV模块。 紧凑型设计连接到具有最高功率点跟踪（MPPT）最高功能点跟踪（MPPT）的每个PV模块背面，并为PV模块进一步集成提供了实现真正的即插即用太阳能交流光伏发电的机会。 由于PV模块的低额定电压（通常为o60 V DC），AC模块逆变器需要额外的DC-DC级，以提高电压相对于电网电平。额外的DC-DC级通常用于提供电隔离的高频紧凑型变压器，并且在交流电网侧不使用线频笨重的变压器来改善安全问题。 线式变频器仅适用于单级中央光伏逆变器将逆变器电压提高到电网级[23-25]。 与孤立拓扑结构相比，非隔离升压转换器或无变压器拓扑也用于DC-DC阶段，因为它们具有更高的效率，更高的紧凑性和更低的成本[26-30]。 然而，泄漏接地电流的存在，双接地的要求和低电压增益使得无变压器拓扑结构对于隔离拓扑结构效率低下。

隔离PV微逆变器的主要技术挑战是实现高转换效率，低制造成本和长寿命。 鉴于隔离的微变换器包含高频变压器，核心损耗和开关损耗是实现提高效率的主要关建。 为了实现与每个PV面板的可靠的集成单元，需要具有紧凑且长寿命的微型逆变器。 研究人员已经探索了提高微型变频器性能的各种方法。 目前的研究始于公用事业电网机构规定的标准和光伏转换器的性能要求。接下来简要描述从并网逆变器开始的今天的微型逆变器的发展。 此次讨论之后，对一些现有并网隔离微型逆变器的拓扑结构和控制布置的性能进行了严格的审查。 微型逆变器主要通过单级和多级拓扑分类。 在单级拓扑中，反激式转换器通常用于将解压缩电路与较少数量的功率半导体器件相关联。在多级拓扑中，DC-DC升压转换器与逆变器关联，提供直流链路以放置去耦电容。 然后将这些拓扑的性能与预定义的要求和标准进行比较。 建议和未来指导将在下一节中给出。 最后，得出结论，为构建可靠的隔离微逆变器提供了一个明确的方向，具有低成本和高转换效率。

2 光伏转换器的标准和要求

为了确保更好的系统可靠性，微逆变器与光伏组件和电网的接口应满足光伏系统的标准。 微逆变器的主要职责是提取PV模块的可用最大功率，并在电网中注入正弦电流。 本节将讨论电网机构制定的光伏装置的标准和光伏转换器的性能要求。

由于PV应用的快速增长，电网连接的国际规范和标准不断被定义。 这些标准通常由国家和国际委员会实施。 考虑到IEEE和国际电工委员会（IEC）的国际标准。 欧洲电工标准化委员会（CENELEC）和电气，电子和信息技术协会（VDE）是欧洲地区标准机构，而在美国则遵循国家电气规范（NEC）。 电网连接方面，这些标准处理了一些重要的方面，例如存在电隔离，防孤岛检测，总谐波失真（THD）和直流电流注入。 这些标准的主要特征的总结如表1 [31-35]所示。

2.1.1 电隔离

由于安全问题，电隔离是光伏系统最重要的要求之一。 由于不存在电隔离，PV电池和接地金属框架之间的高寄生电容导致漏电地电流。 尽管变压器存在一些缺点，例如额外的成本和降低的效率，但通过提供电网和光伏组件之间的电流隔离，使用变压器可以减少泄漏电流。NEC 690.35和690.41标准规定，当PV模块的输出电压超过50 V时，所有的光伏源和输出电路都将提供接地故障保护装置或者一个导体的二线制光伏系统。 电流由VDE 0126-1-1对平均值和峰值进行定义，如表1所示。

2.1.2 防孤岛检测

防孤岛检测对于在电网跳闸时中断PVinverter提供电源非常重要。 在不认识孤岛作战的情况下，人类和设备都会发生危险的情况。 IEEE 1547和IEC 61727标准明确指出，分布式资源与电力系统将不允许孤岛状态，应在2 s内检测和隔离。 [36-40]提出了分布式发电孤岛检测技术。

2.1.3 总谐波失真

注入电流的谐波含量应最小化，根据IEEE 1547和IEC61727标准，THD不应大于5％。标准电压提供直流电流注入的1％的最大极限，而VDE V0126-1-1 允许最大直流电流为1 A.通过采用与光伏电站并联的功率调节器或采用软计算方法来改善对谐波消除的开关调制技术，可以减少注入电网的电流的THD [41-44]。

2.1.4 无功功率控制

相位偏移或无功功率的监测对于在中，低电压电平下进入电网的光伏系统来说是非常重要的，因为有源电力的馈电将会导致电网的电压增加。 根据德国能源与水利工业联合会的中压指导，电网运营商将能够将感应电容或电容性无功功率输送到电网中，灰度系数为0.95。 对于低压电网，由PV系统提供的功率要保持0.90的移位系数。 [45-47]提出并评估了各种反应式电力控制方案。

2.2 光伏转换器的性能要求

微转换器必须确保使用最大功率点（MPP）跟踪器完成PV模块的最大功率运行。 它必须能够在广泛的电压和功率范围内保持足够的效率，因为这些参数相对于日照和环境温度连续变化。 同样应该是高度可靠的，具有最小的组件数量，具有更大的紧凑度。

2.2.1 效率

效率是设计微逆变器的关键要求。与非隔离无变压器微逆变器相比，通常，隔离微逆变器的效率较低。 单级隔离拓扑结构报告的最大效率分别为94％[48]和96.2％[49]，而单相非隔离变压器逆变器要求达到99.01％的效率[50]。 半导体器件的功率损耗和高频变压器的磁芯损耗降低了隔离微型转换器的效率。 鉴于微转换器以低功率和高频率运行，大多数拓扑结构使用MOSFET作为功率半导体开关。MOSFET器件中的功率损耗可分为导通损耗和开关损耗。

可以使用以下等式获得MOSFET的导通损耗。

其中Rds ON是漏极到源极导通电阻，f是开关频率。

MOSFET的开关损耗是导通和关断能量损耗的组合。

1. - （3）中的表达式表明，当开关频率不变时，功率MOSFET的总损耗取决于漏极 - 源极电压vds和电流id。因此，控制这两个参数可以最大限度地减少功率器件的损耗。 因此，在功率MOSFET中实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术可以提高效率。 这些软开关技术通常通过辅助缓冲电路或通过提供通过开关[51-53]的双向电流来实现。 开关损耗也可以通过使用GaN高电子迁移率晶体管或SiC MOSFET由于极高的开关速度而降低[54-57]。损耗是高频变压器中的主要损耗。根据改进的广义Steinmetz方程， 在切换周期期间的任意波形的核心损耗可以通过以下等式得到[58]。

在Ve是有效芯体积，Ac是芯的横截面面积，Vj是绕组电压，Delta;B是环路的峰 - 峰通量，N是转数

因此，通过调节铁芯的设计和控制绕组匝数的比例，可以将铁芯损耗调整为可接受的程度。 变压器的最佳设计有助于提高效率[42]。 使用一次并联次级系列多芯变压器可改善耦合和减少每个器件的电流应力和损耗[59]。

2.2.2 安装费用

微逆变器必须具有成本效益和高度可靠性。并网光伏系统成本的主要组成部分是光伏组件和转换器系统。 光伏组件成本下降了68％，其他辅助成本（包括规划费，劳动力，建筑材料等）下降了56％[17]。因此，降低成本 微逆变器肯定限制了并网光伏系统的支出。 微型逆变器的估计成本预计为每年约0.19美元至0.24美元，每年生产10,000台[60]。微型逆变器的最近市场价格从116-542USD变化，单位为215-300W [61]。 此外，土地，劳动力费用或其他地方因素的成本可能会使整个系统从一个地区变化到另一个地区。

2.2.3 寿命

微逆变器的寿命是可靠性问题的重要标准，这取决于功率平衡去耦电容器的价值。 功率去耦电容器的尺寸确定如下：

其中Pin是PV面板的额定功率，VDC是去耦电容CD两端的直流电压电平，Delta;V是最大允许峰峰值电压纹波，omega;0是线路频率。低功率密度薄膜电容器 更长寿命的大功率密度电解电容器。 因此，通过将电容器放置在高压直流链路上或通过在PV侧采用去耦电路，可以提高微逆变器的可靠性[62]。 在PVside上使用锂离子超级电容也可以提高微逆变器的使用寿命[63]。

2.2.4。 功率密度

微型逆变器设计必须紧凑，以便装配每个PV模块。 隔离式逆变器通常不如无变压器逆变器那么紧凑。 通过增加开关频率可以增加隔离型微型变换器的紧凑性，从而降低变压器和滤波电感器尺寸。 对于400W非隔离逆变器的型式，在80 kHz的开关频率下，已经达到的最高功率密度为4.86 kW / L [64]。

3并网微逆变器的演进

3.1 并网中央逆变器

并网型光伏逆变器系统在20世纪70年代中期首次引入太阳能电池直接耦合技术进入电力网络[65]。 随后，在20世纪80年代初分析了独立和电网接口系统的几种设计，以提高电力质量[66,67]。 这些类型的中央逆变器，如图1所示。 1（a），在20世纪80年代末很受欢迎，并在美国带来了大量的项目[68,69]。

但是，基于集中式逆变器的光伏系统的主要局限性在于，由于遮阳和遮蔽效应，每个模块的最大功率点操作是不可避免的。 此外，存在1058 R. Hasan等 高可靠性和可持续能源评论67（2017）1065-10

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