准单级式交错并联微逆变器设计与控制策略

1 引言

　　传统的光伏并网发电系统，通过光伏电池板的串并联方式，在提升母线电压后，为并网逆变器提供电能，进而输送至电网。这类系统结构简便，转换效率高，特别适用于日照条件优越的电站。然而，在东部城乡地区，由于云层、建筑物、树木遮挡以及单块电池板故障等因素，会显著减少系统的发电量。安装在每个光伏组件后的微型逆变器，通过独立控制各组件，使它们在*大功率点工作，显著增强了系统对局部阴影的抵抗能力，并提升了整体发电量。尽管成本较高，但其模块化设计、高可靠性、高发电量、便捷安装等特点，使其成为分布式光伏发电的重要发展方向。

　　本文详细阐述了某型准单级式交错并联微逆变器的设计、分析和控制策略。高频环节逆变技术不仅实现了微逆变输入输出电压的大比例匹配，还通过初次级电气隔离解决了不隔离系统的漏电流问题；同时，基于有源箝位技术吸收漏感能量，实现了开关管的零电压开关。皖南电机系统控制框图及流程显示，采用变步长的扰动观察法可实现*大功率点跟踪，而输入电压前馈方法则可解决准单级式微逆母线电压崩溃问题。

　　2 主电路拓扑

　　2.1 拓扑选择

　　准单级式反激逆变器仅需一级功率变换，拓扑结构简单，非常适合低成本应用。在断续模式（DCM）和临界连续模式（BCM）下，其呈现电流源特性，控制系统设计简便，是目前光伏微逆变器的理想拓扑。鉴于反激变换器输出功率有限，在微逆变器系统结构中，我们采用了如图1所示的交错并联技术：将两路反激变换器输入并联，输出并联，原边的主管交错180度导通以减小输入输出电流纹波，同时公用一组输出极性翻转桥。考虑到反激变压器漏感的存在，我们进一步采用了有源钳位技术回收漏感，并实现了主管和辅助管的零电压开关，有效减小了开关损耗，提高了电路效率。皖南电机

　　图1 交错并联反激型微逆变器拓扑结构

　　此时，光伏组件经过反激变换器主开关SPWM高频调制，得到单极性工频正弦半波包络的输出电流。交流侧的工频换向桥驱动时序跟踪电网电压，将单极性工频正弦半波翻转为正弦波并网电流，与电网电压同频同相。

　　2.2工作模式分析

　　根据变压器磁通是否连续，反激变换器的工作模式可分为电感电流连续模式（CCM）、DCM和BCM三种。CCM模式下反激逆变器稳定性较差，需妥善处理。目前主流的反激逆变器以DCM和BCM为主，但BCM模式下需采用变频控制，计算和控制较为复杂，因此我们采用DCM。皖南电机价格表 相比BCM和CCM，DCM的优点是恒频工作，控制简单，且消除了次级二极管反向恢复问题；缺点是相比CCM，此时励磁电感较小，器件峰值电流应力较大。

　　为确保变换器工作在DCM，需使其初级电感Lp即励磁电感小于临界连续电感值。定义工频周期Tgrid是高频开关周期的2k倍，定义dp为*大占空比，由于输入电流大小和占空比成正比，因此每个开关周期的占空比也是正弦波形dpsin(iπ/k)，则变压器原边电流idc的平均值为：化简得将Pin=Udc*Idc,avg带入上式可得变压器原边电感：

　　3 控制系统

　　3.1控制框图

　　准单级式微逆变器需同时完成MPPT、锁相、孤岛检测和入网电流控制。如图2所示，通过MPPT计算提供并网电流基准幅值Io大小，确保光伏组件以*大功率向电网传输能量。锁相提供并网电流的相位信息，确保入网电流与电网电压同频同相。孤岛检测是并网逆变器必须具备的功能，在电网异常情况下关闭逆变器，确保人员和设备安全。入网电流控制是并网逆变器的核心控制部分，通过采样输出电流闭环控制，确保了高质量的并网电流。

　　图2 控制系统

　　3.2准单级式系统MPPT及直流母线电压控制

　　MPPT通过相应算法不断调整并网电流基准，调整逆变器输出功率，调节光伏组件输出功率，使其达到*大值。

　　扰动观察法原理简单，易于实现，是MPPT算法中*常用的方法之一。其算法原理是当前次的输出功率与前一次的输出功率作比较，假设P(k+1)>P(k)，那么将光伏输出电压基准继续向着这一次变化的相同方向进行扰动；反之，若输出功率变小，则在下个周期改变扰动的方向，如此反复扰动、比较直至光伏系统输出功率达到*大。算法流程如图3所示。扰动观察法步长的大小决定了算法跟踪的速度和系统在*高处附近来回振荡的幅度，因此，本文采取一种变步长的扰动观察法，具体方式是当功率较小时，扰动值C取值加大；当功率较大后，适当减小扰动值C的取值。

　　在准单级并网逆变系统中，单纯的MPPT环无法保证良好的动态性能，实现系统的稳定。当发生外界条件突变或程序误判时，直流母线电压会剧烈震荡甚至崩溃。如图3所示，在原有的控制基础上加一个输入电压环，防止在MPPT误判时直流母线电压的剧烈震荡，可以有效防止母线电压的崩溃，实现系统的稳定运行。

　　4 实验结果

　　为验证上述交错并联准单级高频环节光伏并网微逆变器方案，在实验室完成了基于DSP28035控制的220W微逆变器样机研制。前级直流输入电压Vpv=35VDC，并网电压Vo=220VAC，电网频率fac=50Hz，主管V1开关频率fs=135KHz，滤波电感L1=1mH，光伏组件及交流电网采用光伏模拟器及交流电源模拟。图4a，b分别为轻载与满载时并网电流io的输出波形，可见io与ug同频同相，且io波形质量都较好；由图5c可见，V1在开通与关闭前，漏源极电压为零，实现了V1的零电压开关；图4e给出了变压器初级电压up、次级电压us和电流is，ug的波形，验证了工频翻转桥的可行性。

　　(a) 轻载输出

　　(b) 满载输出

　　(c) 主开关管波形

　　(d) 箝位管波形

　　(e) 变压器原副边电压波形

　　图4 实验波形

　　图5给出光伏模拟器测试的MPPT效果，MPPT效率为99.5%。

　　图5   I-U和P-U曲线

　　图6a效率测试曲线进一步表明微逆变器整机在整个负载范围内均达到了较高的效率，满载*大效率达到了94%，图6b为在不考虑辅助电源损失下功分析仪测试结果，*高效率为95%，并网电流THD小于1.5%，验证了微逆变器方案的可行性。

　　图6 效率曲线及THD测试

　　5 结论

　　本文介绍了某型准单级式交错并联微逆变器的设计、分析和控制策略。该微型逆变器具有以下特点：基于高频环节逆变技术，有效实现了初次级电气隔离，解决了不隔离系统的漏电流问题；采用有源箝位技术吸收漏感能量，实现了开关管的零电压开关，减小开关损耗；采用变步长的扰动观察法实现*大功率点跟踪，基于输入电压前馈方法解决准单级式微逆母线电压崩溃问题；220W样机整机*大功率跟踪效率为99.5%，满载*高效率达到94%。不考虑辅助电源时，*高效率为95%，并网电流总谐波畸变率小于1.5%。

　　文章来源：《电力电子技术》2014年第6期

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