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；）

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。詳盡介紹了某型準單級式交錯并聯(lián)微逆變器的設(shè)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(shù)，有效實現(xiàn)了初、次級電氣隔離，解決了漏電流問題；采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量，實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開關(guān)（ZVS）；采用變步長的擾動觀察法實現(xiàn)最大功率點跟蹤（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%，最高效率達到95%。

關(guān)鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節(jié)；最大功率點跟蹤

      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(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(jié)構(gòu)簡單，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(gòu)、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(shè)計、分析及控制策略。高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)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(shù)吸收漏感能量，實現(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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)中，這里采取如圖1所示交錯并聯(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(zhuǎn)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(shù)回收漏感，并實現(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 交錯并聯(lián)反激型微逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

此時光伏組件經(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)動時序跟蹤電網(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(yīng)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(guān)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(guān)周期的占空比也是正弦脈絡(luò)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(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(yīng)的算法，不斷調(diào)整并網(wǎng)電流基準，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(shè)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(chǔ)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(jié)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(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(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(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(nèi)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(jié)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(jié)論

介紹了某型準單級式交錯并聯(lián)微逆變器設(shè)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(shù)，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(shù)吸收漏感能量，實現(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%。

文章來源：《電力電子技術(shù)》2014年第6期

參考文獻

[1] 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.

[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(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4] 嵇保健，王建華，趙劍鋒. 一種高效率H6 結(jié)構(gòu)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

[5] 古俊銀，吳紅飛，陳國呈，邢巖. 軟開關(guān)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

[6] 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.

[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.

作者簡介：徐玉麗 (1984-)，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，技術(shù)工程師，主要研究方向為智能電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)。技術(shù)交流：0510-86179968 傳真：0510-86179975 手機：18860995108  QQ:2880157873