季曉春1，王建華2，嵇保健3，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；）

關鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節(jié)；最大功率點跟蹤

1引言

傳統(tǒng)集中式、組串式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過對光伏電池板的串并聯(lián)，在有效提高母線電壓后，供給并網(wǎng)逆變器將電能輸送到電網(wǎng)。其結構簡單，轉換效率高，尤其適合于日照較好的電站系統(tǒng)。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(tǒng)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最大功率點，大大提高了系統(tǒng)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(lián)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(xiàn)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(tǒng)漏電流問題；而且基于有源箝位技術吸收漏感能量，實現(xiàn)了開關管的ZVS。系統(tǒng)控制框圖及流程表明采用變步長的擾動觀察法能實現(xiàn)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(xiàn)電流源特性，控制系統(tǒng)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(tǒng)結構中，這里采取如圖1所示交錯并聯(lián)技術：將兩路反激變換器輸入并聯(lián)，輸出并聯(lián)，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，并實現(xiàn)了主管和輔助管的ZVS，有效減小開關損耗，提高了電路效率。

圖1 交錯并聯(lián)反激型微逆變器拓撲結構

此時光伏組件經(jīng)過反激變換器主開關SPWM高頻調制，得到包絡線為單極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(wǎng)電壓，將前面的單極性工頻正弦半波翻轉為正弦波并網(wǎng)電流，與電網(wǎng)電壓同頻同相。

2.2工作模式分析

根據(jù)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BCM3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，且消除了次級二極管反向恢復問題；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Tgrid是高頻開關周期的2k倍，定義dp為最大占空比，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dpsin(iπ/k)，則變壓器原邊電流idc的平均值為：

3控制系統(tǒng)

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(wǎng)電流控制[5][6]。如圖2所示，通過MPPT計算提供得到的并網(wǎng)電流的基準幅值Io大小，從而確保光伏組件以最大功率向電網(wǎng)傳輸能量。鎖相提供并網(wǎng)電流的相位信息，確保入網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。孤島檢測是并網(wǎng)逆變器所必須具備的功能，在電網(wǎng)異常情況下關閉逆變器，確保人員和設備的安全。入網(wǎng)電流控制是并網(wǎng)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(wǎng)電流（理論上在DCM下，開環(huán)控制即可實現(xiàn)電流源并網(wǎng)，但其并網(wǎng)電流總諧波含量相對較高）。

圖2 控制系統(tǒng)

3.2準單級式系統(tǒng)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(wǎng)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最大。

擾動觀察法原理簡單，易于實現(xiàn)，是MPPT算法中最常用的方法之一。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(tǒng)輸出功率達到最大。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(tǒng)在最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(wǎng)逆變系統(tǒng)中，單純的MPPT環(huán)無法保證很好的動態(tài)性能，實現(xiàn)系統(tǒng)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，可以有效防止母線電壓的崩潰，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4實驗結果

為驗證上述交錯并聯(lián)準單級高頻環(huán)節(jié)光伏并網(wǎng)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Vpv=35VDC，并網(wǎng)電壓Vo=220VAC，電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)電流io的輸出波形，可見io與ug同頻同相，且io波形質量都較好；由圖5c可見，V1在開通與關閉前，漏源極電壓為零，實現(xiàn)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，滿載最大效率達到了94%，圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測試結果，最高效率為95%，并網(wǎng)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(lián)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，有效實現(xiàn)了初次級電氣隔離，解決了不隔離系統(tǒng)漏電流問題；采用有源箝位技術吸收漏感能量，實現(xiàn)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(xiàn)最大功率點跟蹤，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樣機整機最大功率跟蹤效率為99.5%，滿載最高效率達到94%。不考慮輔助電源時，最高效率為95%，并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于1.5%。

參考文獻

00001.張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

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00004.嵇保健，王建華，趙劍鋒.一種高效率H6結構不隔離單相光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機工程學報,2012,32(18):9-15

00005.古俊銀，吳紅飛，陳國呈，邢巖.軟開關交錯反激光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機工程學報.2011,31(36):40-45

00006.王璐，微型光伏并網(wǎng)逆變器研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.