交錯並聯反激式準單級光伏並網微逆變器

師晴晴

米兰 江蘇江陰214405

摘要：獨立光伏組件的微型逆變器能克服傳(chuan) 統光伏係統存在的陰影問題。詳盡介紹了某型準單級式交錯並聯微逆變器的設計、分析及其控製策略。該微型逆變器基於(yu) 高頻環節逆變技術，實現了初、次級電氣隔離，解決(jue) 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(guan) 管的零電壓開關(guan) （ZVS）；采用變步長的擾動觀察法實現功率點跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決(jue) 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製策略的可行性，整機MPPT效率為(wei) 99.5%，效率達到95%。-交錯並聯反激式準單級光伏並網微逆變器

關(guan) 鍵詞：微逆變器；高頻環節；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-交錯並聯反激式準單級光伏並網微逆變器

1 引言

傳(chuan) 統集中式、組串式光伏並網發電係統通過對光伏電池板的串並聯，在提高母線電壓後，供給並網逆變器將電能輸送到電網。其結構簡單，轉換效率高，尤其適合於(yu) 日照較好的電站係統。但在東(dong) 部城鄉(xiang) 地區，雲(yun) 層及建築物、樹木遮擋，以及單塊電池板發生故障等因素，將嚴(yan) 重降低整個(ge) 係統的發電量。配備在每一個(ge) 光伏組件後麵的微型逆變器，通過對各組件的獨立控製使其工作在功率點，大大提高了係統抗局部陰影的能力，以及整體(ti) 發電量。盡管其成本相對較高，但模塊化架構、高可靠性、高發電量、安裝方便等優(you) 點使其為(wei) 目前分布式光伏發電的一個(ge) 重要方向。

在此詳盡介紹了某型準單級式交錯並聯微逆變器設計、分析及控製策略。高頻環節逆變技術不僅(jin) 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(jue) 不了不隔離係統漏電流問題；而且基於(yu) 有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關(guan) 管的ZVS。係統控製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(jue) 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(jin) 有**的功率變換[4]，拓撲簡單，尤其適合低成本應用場合的要求。在斷續模式（DCM）及臨(lin) 界連續模式（BCM）下，其呈現電流源特性，控製係統設計簡單，市目前光伏微逆變器的理想拓撲。由於(yu) 反激變換器輸出功率有限，在微逆變器係統結構中，這裏采取如圖1所示交錯並聯技術：將兩(liang) 路反激變換器輸入並聯，輸出並聯，原邊的主管交錯180度導通以減小輸入輸出電流紋波，同時公用一組輸出極性翻轉橋；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，並實現了主管和輔助管的ZVS，減小開關(guan) 損耗，提高了電路效率。

圖1 交錯並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(guan) SPWM高頻調製，得到包絡線為(wei) 單極性工頻正弦半波的輸出電流。交流側(ce) 的工頻換向橋驅動時序跟蹤電網電壓，將前麵的單極性工頻正弦半波翻轉為(wei) 正弦波並網電流，與(yu) 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，可將反激變換器的工作模式分為(wei) 電感電流連續模式（CCM）、DCM及BCM 3種。CCM模式下反激逆變器相對穩定性較差，需要妥善處理。目前主流的反激逆變器以DCM及BCM為(wei) 主，但由於(yu) 在BCM模式下，需要采用變頻控製，計算和控製都較為(wei) 複雜，因此這裏采用DCM。相對BCM及CCM，DCM的優(you) 點是恒頻工作，控製簡單，且消除了次級二極管反向恢複問題；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(wei) 確保變換器工作在DCM，需其初級電感Lp即勵磁電感小於(yu) 臨(lin) 界連續電感值。定義(yi) 工頻周期Tgrid是高頻開關(guan) 周期的2k倍，定義(yi) dp為(wei) 占空比，由於(yu) 輸入電流大小和占空比成正比，因此每個(ge) 開關(guan) 周期的占空比也是正弦脈絡dpsin(iπ/k)，則變壓器原邊電流idc的平均值為(wei) ：

化簡得

將Pin=Udc*Idc,avg帶入上式可得變壓器原邊電感：

3 控製係統

3.1控製框圖

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製[5][6]。如圖2所示，通過MPPT計算提供得到的並網電流的基準幅值Io大小，從(cong) 而確保光伏組件以功率向電網傳(chuan) 輸能量。鎖相提供並網電流的相位信息，確保入網電流與(yu) 電網電壓同頻同相。孤島檢測是並網逆變器所具備的功能，在電網異常情況下關(guan) 閉逆變器，確保人員和設備的**。入網電流控製是並網逆變器的核心控製部分，這裏通過采樣輸出電流閉環控製，確保了高質量的並網電流（理論上在DCM下，開環控製即可實現電流源並網，但其並網電流總諧波含量相對較高）。

圖2 控製係統

  3.2準單級式係統MPPT及直流母線電壓控製

MPPT是通過相應的算法，不斷調整並網電流基準，調整逆變器輸出功率，從(cong) 而調節光伏組件的輸出功率，使得光伏組件輸出功率。

擾動觀察法原理簡單，易於(yu) 實現，是MPPT算法中常用的方法之一。其算法原理是當前次的輸出功率與(yu) 前一次的輸出功率作比較，假設P(k+1)>P(k)，那麽(me) 將光伏輸出電壓基準繼續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(ge) 周期改變擾動的方向，如此進行反複擾動、比較直至光伏係統輸出功率達到。算法流程如圖3所示。擾動觀察法步長的大小決(jue) 定了算法跟蹤的速度和係統在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(ti) 方式當功率較每小時，擾動值C取值加大；當功率較大後，適當減小擾動值C的取值。

圖3擾動觀察法算法流程

在準單級並網逆變係統中，單純的MPPT 環無法保證很好的動態性能，實現係統的穩定。當發生外界條件突變或者程序誤判斷時，直流母線電壓會(hui) 劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示，在原有的控製基礎上加一個(ge) 輸入電壓環，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，實現係統的穩定運行。

4 實驗結果

為(wei) 驗證上述交錯並聯準單級高頻環節光伏並網微逆變器方案，在實驗室完成了基於(yu) DSP28035控製的220W微逆變器樣機研製。前級直流輸入電壓Vpv=35VDC，並網電壓Vo=220VAC，電網頻率fac=50Hz, 主管V1開關(guan) 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(wei) 輕載與(yu) 滿載時並網電流io的輸出波形，可見io與(yu) ug同頻同相，且io波形質量都較好；由圖5c可見，V1在開通與(yu) 關(guan) 閉前，漏源極電壓為(wei) 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(guan) 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(wei) 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(ge) 負載範圍內(nei) 均達到了較高的效率，滿載效率達到了94%，圖6b為(wei) 在不考慮輔助電源損失下功分析儀(yi) 測試結果，效率為(wei) 95%，並網電流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並聯微逆變器設計、分析及控製策略。該微型逆變器具有以下特點：基於(yu) 高頻環節逆變技術，實現了初次級電氣隔離，解決(jue) 了不隔離係統漏電流問題；采用有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關(guan) 管的零電壓開關(guan) ，減小開關(guan) 損耗；采用變步長的擾動觀察法實現功率點跟蹤，基於(yu) 輸入電壓前饋方法解決(jue) 準單級式微逆母線電壓崩潰問題；220W樣機整機功率跟蹤效率為(wei) 99.5%，滿載效率達到94%。不考慮輔助電源時，效率為(wei) 95%，並網電流總諧波畸變率小於(yu) 1.5%。

[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(ye) 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並網逆變器[J]. 中國電機工程學報,2012,32(18):9-15

[5] 古俊銀，吳紅飛，陳國呈，邢岩. 軟開關(guan) 交錯反激光伏並網逆變器[J].中國電機工程學報.2011,31(36):40-45

[6] 王  璐，微型光伏並網逆變器研究[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

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