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：獨立光伏組件的微型逆變器能有效克服傳統光伏系統存在的陰影問(wèn)題。詳盡介紹了某型準單級式交錯并聯(lián)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)節逆變技術(shù)，有效實(shí)現了初、次級電氣隔離，解決了漏電流問(wèn)題；采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量，實(shí)現了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)（VS）；采用變步長(cháng)的擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線(xiàn)電壓崩潰問(wèn)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%，率達到95%。

關(guān)鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節；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

傳統集中式、組串式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統通過(guò)對光伏電池板的串并聯(lián)，在有效提高母線(xiàn)電壓后，供給并網(wǎng)逆變器將電能輸送到電網(wǎng)。其結構簡(jiǎn)單，轉換效率高，尤其適合于日照較好的電站系統。但在東部城鄉地區，云層及建筑物、樹(shù)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(gè)系統的發(fā)電量。配備在每一個(gè)光伏組件后面的微型逆變器，通過(guò)對各組件的獨立控制使其工作在大功率點(diǎn)，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)節逆變技術(shù)不僅實(shí)現了微逆變輸入輸出電壓大升壓比匹配，同時(shí)初次級電氣隔離解決不了不隔離系統漏電流問(wèn)題；而且基于有源箝位技術(shù)吸收漏感能量，實(shí)現了開(kāi)關(guān)管的VS。系統控制框圖及流程表明采用變步長(cháng)的擾動(dòng)觀(guān)察法能實(shí)現MPPT，輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線(xiàn)電壓崩潰問(wèn)題。

2 主電路拓撲

基于微型逆變器的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統結構如圖1 所示，其中微型逆變器直接安裝在太陽(yáng)能模塊背后，交流輸出可以直接與電網(wǎng)相連。 

圖1 微型逆變器系統結構

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(jiǎn)單，尤其適合低成本應用場(chǎng)合的要求。在斷續模式（DCM）及臨界連續模式（BCM）下，其呈現電流源特性，控制系統設計簡(jiǎn)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(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(shí)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(jìn)一步采取有源鉗位技術(shù)回收漏感，并實(shí)現了主管和輔助管的VS，有效減小開(kāi)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構

此時(shí)光伏組件經(jīng)過(guò)反激變換器主開(kāi)關(guān)SPWM高頻調制，得到包絡(luò )線(xiàn)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(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

根據變壓器的磁通是否連續，可將反激變換器的工作模式分為電感電流連續模式（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的點(diǎn)是恒頻工作，控制簡(jiǎn)單，且了次級二極管反向恢復問(wèn)題；缺點(diǎn)是相比CCM此時(shí)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電感值。定義工頻周期Tgrid是高頻開(kāi)關(guān)周期的2k倍，定義dp為大占空比，由于輸入電流大小和占空比成正比，因此每個(gè)開(kāi)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：

將Pin=Udc*Idc,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(shí)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(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現電流源并網(wǎng)，但其并網(wǎng)電流總諧波含量相對較高）。

圖2 控制系統

  3.2準單級式系統MPPT及直流母線(xiàn)電壓控制

MPPT是通過(guò)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，從而調節光伏組件的輸出功率，使得光伏組件輸出功率大。

擾動(dòng)觀(guān)察法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，是MPPT算法中常用的方法。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向著(zhù)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)行反復擾動(dòng)、比較直至光伏系統輸出功率達到大。算法流程如圖3所示。擾動(dòng)觀(guān)察法步長(cháng)的大小決定了算法跟蹤的速度和系統在高處附近來(lái)回振蕩的幅度，因此，本文采取一種變步長(cháng)的擾動(dòng)觀(guān)察法[7]，具體方式當功率較每小時(shí)，擾動(dòng)值C取值加大；當功率較大后，適當減小擾動(dòng)值C的取值。

圖3擾動(dòng)觀(guān)察法算法流程

在準單級并網(wǎng)逆變系統中，單純的MPPT 環(huán)無(wú)法保證很好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現系統的穩定。當發(fā)生外界條件突變或者程序誤判斷時(shí)，直流母線(xiàn)電壓會(huì )劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示，在原有的控制基礎上加一個(gè)輸入電壓環(huán)，防止在MPPT 誤判斷時(shí)直流母線(xiàn)電壓的劇烈震蕩，可以有效防止母線(xiàn)電壓的崩潰，實(shí)現系統的穩定運行。

4 實(shí)驗結果

為驗證上述交錯并聯(lián)準單級高頻環(huán)節光伏并網(wǎng)微逆變器方案，在實(shí)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(kāi)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(mǎn)載時(shí)并網(wǎng)電流io的輸出波形，可見(jiàn)io與ug同頻同相，且io波形質(zhì)量都較好；由圖5c可見(jiàn)，V1在開(kāi)通與關(guān)閉前，漏源極電壓為零，實(shí)現了V1的VS；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。

圖5給出光伏模擬器測試的MPPT效果，MPPT效率為99.5%。

圖6a效率測試曲線(xiàn)進(jìn)一步表明微逆變器整機在整個(gè)負載范圍內均達到了較高的效率，滿(mǎn)載大效率達到了94%，圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測試結果，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。

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(diǎn)：基于高頻環(huán)節逆變技術(shù)，有效實(shí)現了初次級電氣隔離，解決了不隔離系統漏電流問(wèn)題；采用有源箝位技術(shù)吸收漏感能量，實(shí)現了開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗；采用變步長(cháng)的擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現大功率點(diǎn)跟蹤，基于輸入電壓前饋方法解決準單級式微逆母線(xiàn)電壓崩潰問(wèn)題；220W樣機整機大功率跟蹤效率為99.5%，滿(mǎn)載率達到94%。不考慮輔助電源時(shí)，率為95%，并網(wǎng)電流總諧波畸變率小于1.5%。

文章來(lái)源：《電力電子技術(shù)》2014年6期

參考文獻

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