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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(xué)，電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210096；

3. 南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(dú)立光伏組件的微型逆變器能有效克服傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)存在的陰影問題。詳盡介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器的設(shè)計(jì)、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(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了初、次級(jí)電氣隔離，解決了漏電流問題；采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）；采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問題。220W樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案及控制策略的可行性，整機(jī)MPPT效率為99.5%，最高效率達(dá)到95%。

關(guān)鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節(jié)；最大功率點(diǎn)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(tǒng)集中式、組串式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)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(yán)重降低整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電量。配備在每一個(gè)光伏組件后面的微型逆變器，通過對(duì)各組件的獨(dú)立控制使其工作在最大功率點(diǎn)，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(duì)較高，但模塊化架構(gòu)、高可靠性、高發(fā)電量、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)使其為目前分布式光伏發(fā)電的一個(gè)重要方向。

    在此詳盡介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器設(shè)計(jì)、分析及控制策略。高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了微逆變輸入輸出電壓大升壓比匹配，同時(shí)初次級(jí)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(shù)吸收漏感能量，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。系統(tǒng)控制框圖及流程表明采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法能實(shí)現(xiàn)MPPT，輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問題。

2 主電路拓?fù)?/strong>

2.1 拓?fù)溥x擇

    準(zhǔn)單級(jí)式反激逆變器僅有一級(jí)的功率變換^[4]，拓?fù)浜?jiǎn)單，尤其適合低成本應(yīng)用場(chǎng)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，市目前光伏微逆變器的理想拓?fù)洹Ｓ捎诜醇ぷ儞Q器輸出功率有限，在微逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，這里采取如圖1所示交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)：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(cuò)180度導(dǎo)通以減小輸入輸出電流紋波，同時(shí)公用一組輸出極性翻轉(zhuǎn)橋；考慮到反激變壓器漏感的存在，進(jìn)一步采取有源鉗位技術(shù)回收漏感，并實(shí)現(xiàn)了主管和輔助管的ZVS，有效減小開關(guān)損耗，提高了電路效率。

圖1 交錯(cuò)并聯(lián)反激型微逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    此時(shí)光伏組件經(jīng)過反激變換器主開關(guān)SPWM高頻調(diào)制，得到包絡(luò)線為單極性工頻正弦半波的輸出電流。交流側(cè)的工頻換向橋驅(qū)動(dòng)時(shí)序跟蹤電網(wǎng)電壓，將前面的單極性工頻正弦半波翻轉(zhuǎn)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BCM 3種。CCM模式下反激逆變器相對(duì)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(jì)算和控制都較為復(fù)雜，因此這里采用DCM。相對(duì)BCM及CCM，DCM的優(yōu)點(diǎn)是恒頻工作，控制簡(jiǎn)單，且消除了次級(jí)二極管反向恢復(fù)問題；缺點(diǎn)是相比CCM此時(shí)勵(lì)磁電感較小，器件峰值電流應(yīng)力較大。

    為確保變換器工作在DCM，需其初級(jí)電感Lp即勵(lì)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(guān)周期的2k倍，定義d_p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(gè)開關(guān)周期的占空比也是正弦脈絡(luò)d_psin(iπ/k)，則變壓器原邊電流i_dc的平均值為：

化簡(jiǎn)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(tǒng)

3.1控制框圖

    準(zhǔn)單級(jí)式微逆變器需同時(shí)完成MPPT、鎖相、孤島檢測(cè)和入網(wǎng)電流控制^[5][6]。如圖2所示，通過MPPT計(jì)算提供得到的并網(wǎng)電流的基準(zhǔn)幅值I_o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(cè)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(guān)閉逆變器，確保人員和設(shè)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(zhì)量的并網(wǎng)電流（理論上在DCM下，開環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)電流源并網(wǎng)，但其并網(wǎng)電流總諧波含量相對(duì)較高）。

圖2 控制系統(tǒng)

  3.2準(zhǔn)單級(jí)式系統(tǒng)MPPT及直流母線電壓控制

    MPPT是通過相應(yīng)的算法，不斷調(diào)整并網(wǎng)電流基準(zhǔn)，調(diào)整逆變器輸出功率，從而調(diào)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(dòng)觀察法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是MPPT算法中最常用的方法之一。其算法原理是當(dāng)前次的輸出功率與前一次的輸出功率作比較，假設(shè)P(k+1)>P(k)，那么將光伏輸出電壓基準(zhǔn)繼續(xù)向著這一次變化的相同的方向進(jìn)行擾動(dòng)；反之，若輸出功率變小，則在下個(gè)周期改變擾動(dòng)的方向，如此進(jìn)行反復(fù)擾動(dòng)、比較直至光伏系統(tǒng)輸出功率達(dá)到最大。算法流程如圖3所示。擾動(dòng)觀察法步長(zhǎng)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(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法^[7]，具體方式當(dāng)功率較每小時(shí)，擾動(dòng)值C取值加大；當(dāng)功率較大后，適當(dāng)減小擾動(dòng)值C的取值。

圖3擾動(dòng)觀察法算法流程

    在準(zhǔn)單級(jí)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中，單純的MPPT 環(huán)無法保證很好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)生外界條件突變或者程序誤判斷時(shí)，直流母線電壓會(huì)劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示，在原有的控制基礎(chǔ)上加一個(gè)輸入電壓環(huán)，防止在MPPT 誤判斷時(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為驗(yàn)證上述交錯(cuò)并聯(lián)準(zhǔn)單級(jí)高頻環(huán)節(jié)光伏并網(wǎng)微逆變器方案，在實(shí)驗(yàn)室完成了基于DSP28035控制的220W微逆變器樣機(jī)研制。前級(jí)直流輸入電壓V_pv=35VDC，并網(wǎng)電壓V_o=220VAC，電網(wǎng)頻率fac=50Hz, 主管V1開關(guān)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(shí)并網(wǎng)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(zhì)量都較好；由圖5c可見，V1在開通與關(guān)閉前，漏源極電壓為零，實(shí)現(xiàn)了V1的ZVS；圖4e給出了變壓器初級(jí)電壓up、次級(jí)電壓us和電流is，ug的波形，驗(yàn)證了工頻翻轉(zhuǎn)橋的可行性。

(a) 輕載輸出

(b) 滿載輸出

(c) 主開關(guān)管波形

(d) 箝位管波形

(e) 變壓器原副邊電壓波形

圖4 實(shí)驗(yàn)波形

      圖5給出光伏模擬器測(cè)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(cè)試曲線進(jìn)一步表明微逆變器整機(jī)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均達(dá)到了較高的效率，滿載最大效率達(dá)到了94%，圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測(cè)試結(jié)果，最高效率為95%，并網(wǎng)電流THD小雨1.5%，驗(yàn)證了微逆變器方案的可行性。

圖6 效率曲線及THD測(cè)試

5 結(jié)論

    介紹了某型準(zhǔn)單級(jí)式交錯(cuò)并聯(lián)微逆變器設(shè)計(jì)、分析及控制策略。該微型逆變器具有以下特點(diǎn)：基于高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了初次級(jí)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(shù)吸收漏感能量，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)，減小開關(guān)損耗；采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，基于輸入電壓前饋方法解決準(zhǔn)單級(jí)式微逆母線電壓崩潰問題；220W樣機(jī)整機(jī)最大功率跟蹤效率為99.5%，滿載最高效率達(dá)到94%。不考慮輔助電源時(shí)，最高效率為95%，并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于1.5%。