交錯并聯反激式準單級光伏并網微逆變器

季曉春¹，王建華³，嵇保健²，蔡守平¹

（1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801；

2. 東南大學，電氣工程學院，江蘇 南京210096；

3. 南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 210000；）

Interleaved Flyback Photovoltaic Grid-connected Micro Inverter

JI Xiaochun ¹，WEI Shaochong ²，WANG Jianhua³，JI Baojian²，

CAI Shouping¹

(1. Acrel Co., Ltd, Shanghai 201801, China；

2. School of Automation & Electrical Engineering, Nanjing University of Technology,

Nanjing Jiangsu 210009, China;

3.School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China;)

摘要：獨立光伏組件的微型逆變器能克服傳統光伏系統存在的陰影問題。詳盡介紹了某型準單級式交錯并聯微逆變器的設計、分析及其控制策略。該微型逆變器基于高頻環(huán)節(jié)逆變技術，實現了初、次級電氣隔離，解決了漏電流問題；采用有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關管的零電壓開關（ZVS）；采用變步長的擾動觀察法實現zui大功率點跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題。220W樣機試驗驗證了該方案及控制策略的可行性，整機MPPT效率為99.5%，zui率達到95%。

關鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節(jié)；zui大功率點跟蹤

Abstract：To overcome the traditional photovoltaic systems have low overall output power caused by the partial mask, proposed a single PV module for a single micro-inverter topology and its control strategies. Using single-stage interleaved flyback converter, In order to overcome problem of flyback transformer primary side leakage，using Active block circuit to absorb the leakage inductance energy, achieving a zero-voltage switching tube switch, increases machine efficiency. Gives a system based on digital signal processor control process, the system uses a variable step size perturbation and observation method to achieve the maximum power point tracking, making each photovoltaic panels working on the maximum power point. Build a experiment prototype to verify the topology and control strategy is feasible solutions.

Keywords: Micro inverter；Flyback；DCM mode；MPPT

1 引言

    傳統集中式、組串式光伏并網發(fā)電系統通過對光伏電池板的串并聯，在提高母線電壓后，供給并網逆變器將電能輸送到電網。其結構簡單，轉換效率高，尤其適合于日照較好的電站系統。但在東部城鄉(xiāng)地區(qū)，云層及建筑物、樹木遮擋，以及單塊電池板發(fā)生故障等因素，將嚴重降低整個系統的發(fā)電量。配備在每一個光伏組件后面的微型逆變器，通過對各組件的獨立控制使其工作在zui大功率點，大大提高了系統抗局部陰影的能力，以及整體發(fā)電量。盡管其成本相對較高，但模塊化架構、高可靠性、高發(fā)電量、安裝方便等優(yōu)點使其為目前分布式光伏發(fā)電的一個重要方向。

    在此詳盡介紹了某型準單級式交錯并聯微逆變器設計、分析及控制策略。高頻環(huán)節(jié)逆變技術不僅實現了微逆變輸入輸出電壓大升壓比匹配，同時初次級電氣隔離解決不了不隔離系統漏電流問題；而且基于有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關管的ZVS。系統控制框圖及流程表明采用變步長的擾動觀察法能實現MPPT，輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題。

2 主電路拓撲

2.1 拓撲選擇

    準單級式反激逆變器僅有一級的功率變換^[4]，拓撲簡單，尤其適合低成本應用場合的要求。在斷續(xù)模式（DCM）及臨界連續(xù)模式（BCM）下，其呈現電流源特性，控制系統設計簡單，市目前光伏微逆變器的理想拓撲。由于反激變換器輸出功率有限，在微逆變器系統結構中，這里采取如圖1所示交錯并聯技術：將兩路反激變換器輸入并聯，輸出并聯，原邊的主管交錯180度導通以減小輸入輸出電流紋波，同時公用一組輸出性翻轉橋；考慮到反激變壓器漏感的存在，進一步采取有源鉗位技術回收漏感，并實現了主管和輔助管的ZVS，減小開關損耗，提高了電路效率。

圖1 交錯并聯反激型微逆變器拓撲結構

    此時光伏組件經過反激變換器主開關SPWM高頻調制，得到包絡線為單性工頻正弦半波的輸出電流。交流側的工頻換向橋驅動時序跟蹤電網電壓，將前面的單性工頻正弦半波翻轉為正弦波并網電流，與電網電壓同頻同相。

2.2工作模式分析

    根據變壓器的磁通是否連續(xù)，可將反激變換器的工作模式分為電感電流連續(xù)模式（CCM）、DCM及BCM 3種。CCM模式下反激逆變器相對穩(wěn)定性較差，需要妥善處理。目前主流的反激逆變器以DCM及BCM為主，但由于在BCM模式下，需要采用變頻控制，計算和控制都較為復雜，因此這里采用DCM。相對BCM及CCM，DCM的優(yōu)點是恒頻工作，控制簡單，且了次級二管反向恢復問題；缺點是相比CCM此時勵磁電感較小，器件峰值電流應力較大。

    為確保變換器工作在DCM，需其初級電感Lp即勵磁電感小于臨界連續(xù)電感值。定義工頻周期T_grid是高頻開關周期的2k倍，定義d_p為zui大占空比，由于輸入電流大小和占空比成正比，因此每個開關周期的占空比也是正弦脈絡d_psin(iπ/k)，則變壓器原邊電流i_dc的平均值為：

化簡得

將P_in=U_dc*I_dc,avg帶入上式可得變壓器原邊電感：

3 控制系統

3.1控制框圖

    準單級式微逆變器需同時完成MPPT、鎖相、孤島檢測和入網電流控制^[5][6]。如圖2所示，通過MPPT計算提供得到的并網電流的基準幅值I_o大小，從而確保光伏組件以zui大功率向電網傳輸能量。鎖相提供并網電流的相位信息，確保入網電流與電網電壓同頻同相。孤島檢測是并網逆變器所具備的功能，在電網異常情況下關閉逆變器，確保人員和設備的安全。入網電流控制是并網逆變器的核心控制部分，這里通過采樣輸出電流閉環(huán)控制，確保了高質量的并網電流（理論上在DCM下，開環(huán)控制即可實現電流源并網，但其并網電流總諧波含量相對較高）。

圖2 控制系統

  3.2準單級式系統MPPT及直流母線電壓控制

    MPPT是通過相應的算法，不斷調整并網電流基準，調整逆變器輸出功率，從而調節(jié)光伏組件的輸出功率，使得光伏組件輸出功率zui大。

    擾動觀察法原理簡單，易于實現，是MPPT算法中zui常用的方法之一。其算法原理是當前次的輸出功率與前一次的輸出功率作比較，假設P(k+1)>P(k)，那么將光伏輸出電壓基準繼續(xù)向著這一次變化的相同的方向進行擾動；反之，若輸出功率變小，則在下個周期改變擾動的方向，如此進行反復擾動、比較直至光伏系統輸出功率達到zui大。算法流程如圖3所示。擾動觀察法步長的大小決定了算法跟蹤的速度和系統在zui高處附近來回振蕩的幅度，因此，本文采取一種變步長的擾動觀察法^[7]，具體方式當功率較每小時，擾動值C取值加大；當功率較大后，適當減小擾動值C的取值。

圖3擾動觀察法算法流程

    在準單級并網逆變系統中，單純的MPPT 環(huán)無法保證很好的動態(tài)性能，實現系統的穩(wěn)定。當發(fā)生外界條件突變或者程序誤判斷時，直流母線電壓會劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示，在原有的控制基礎上加一個輸入電壓環(huán)，防止在MPPT 誤判斷時直流母線電壓的劇烈震蕩，可以防止母線電壓的崩潰，實現系統的穩(wěn)定運行。

4 實驗結果

    為驗證上述交錯并聯準單級高頻環(huán)節(jié)光伏并網微逆變器方案，在實驗室完成了基于DSP28035控制的220W微逆變器樣機研制。前級直流輸入電壓V_pv=35VDC，并網電壓V_o=220VAC，電網頻率fac=50Hz, 主管V1開關頻率fs=135Khz，濾波電感L1=1mH，光伏組件及交流電網采用光伏模擬器及交流電源模擬。圖4a，b分別為輕載與滿載時并網電流i_o的輸出波形，可見i_o與ug同頻同相，且i_o波形質量都較好；由圖5c可見，V1在開通與關閉前，漏源電壓為零，實現了V1的ZVS；圖4e給出了變壓器初級電壓up、次級電壓us和電流is，ug的波形，驗證了工頻翻轉橋的可行性。

(a) 輕載輸出

(b) 滿載輸出

(c) 主開關管波形

(d) 箝位管波形

(e) 變壓器原副邊電壓波形

圖4 實驗波形

      圖5給出光伏模擬器測試的MPPT效果，MPPT效率為99.5%。

圖5   I-U和P-U曲線

    圖6a效率測試曲線進一步表明微逆變器整機在整個負載范圍內均達到了較高的效率，滿載zui大效率達到了94%，圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測試結果，zui率為95%，并網電流THD小雨1.5%，驗證了微逆變器方案的可行性。

圖6 效率曲線及THD測試

5 結論

    介紹了某型準單級式交錯并聯微逆變器設計、分析及控制策略。該微型逆變器具有以下特點：基于高頻環(huán)節(jié)逆變技術，實現了初次級電氣隔離，解決了不隔離系統漏電流問題；采用有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關管的零電壓開關，減小開關損耗；采用變步長的擾動觀察法實現zui大功率點跟蹤，基于輸入電壓前饋方法解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題；220W樣機整機zui大功率跟蹤效率為99.5%，滿載zui率達到94%。不考慮輔助電源時，zui率為95%，并網電流總諧波畸變率小于1.5%。

文章來源：《電力電子技術》2014年第6期

參考文獻

• 1. 張 興，曹仁賢.太陽能光伏并網發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.
  2. Woo-Young Choi，Jason Lai．High-efficiency grid-connected photovoltaic module integrated converter system with high-speed communication interfaces for small-scale distribution power generation[J]．Solar Energy，2010，84(4)：636–649
  3. 陳道煉.DC/AC逆變技術及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.
  4. 嵇保健，王建華，趙劍鋒. 一種率H6 結構不隔離單相光伏并網逆變器[J]. 中國電機工程學報,2012,32(18):9-15
  5. 古俊銀，吳紅飛，陳國呈，邢巖. 軟開關交錯反激光伏并網逆變器[J].中國電機工程學報.2011,31(36):40-45
  6. 王  璐，微型光伏并網逆變器研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.
  7. D.Lalili, A.Mellit, N.Lourci, et al.  Input output feedback linearization control and variable step size MPPT algorithm of a grid-connected photovoltaic inverter[J]. Renewable Energy,2011, 36(12):3282-3291.