基于反激拓?fù)涞母咝侍?yáng)能微型單級(jí)并網(wǎng)逆變器

潘銘航，蘇秀蓉，王正仕

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

由于傳統(tǒng)石化能源極大地增加了溫室效應(yīng)及空氣污染，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生的清潔能源越來(lái)越受到人們的重視。太陽(yáng)能微型并網(wǎng)逆變器是為每塊太陽(yáng)能電池板配備一個(gè)逆變器，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)［1］。與應(yīng)用于大型光伏發(fā)電的中央逆變器及組串式逆變器相比，太陽(yáng)能微型逆變器實(shí)現(xiàn)了對(duì)每塊太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤，有效地解決了因?yàn)樘?yáng)能板之間老化差異、烏云遮擋或存在污物等緣故對(duì)光伏陣列的影響，能提高整個(gè)系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率［2］。

太陽(yáng)能微型逆變器并網(wǎng)可采用單級(jí)拓?fù)洹杉?jí)拓?fù)浜投嗉?jí)拓?fù)洹渭?jí)拓?fù)渲苯訉⑻?yáng)能電池板的直流輸出電壓通過(guò)一級(jí)高頻開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成交流電壓。兩級(jí)拓?fù)鋭t是將太陽(yáng)能電池板輸出的直流低電壓通過(guò)一級(jí)DC/DC環(huán)節(jié)變化到一個(gè)直流的高電壓，再通過(guò)一級(jí)DC/AC環(huán)節(jié)并入電網(wǎng)［3］。由于單級(jí)拓?fù)洳⒕W(wǎng)方案只有一級(jí)高頻開(kāi)關(guān)電路，可以達(dá)到更高的效率。采用反激電路并通過(guò)電流峰值控制可以使電路工作于臨界連續(xù)模式，原邊開(kāi)關(guān)管工作于準(zhǔn)諧振模式，達(dá)到原邊開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，副邊二極管的零電流關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)損耗［4-7］，且反激電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適合應(yīng)用于光伏并網(wǎng)微型逆變器中。

本研究詳細(xì)分析該微型逆變器的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過(guò)程，并給出控制框圖，分析電流峰值控制中參考電流信號(hào)與并網(wǎng)輸出電流的關(guān)系，最后搭建100 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，給出實(shí)驗(yàn)波形。

1 電路結(jié)構(gòu)及控制

基于反激拓?fù)涞膯渭?jí)并網(wǎng)方案如圖1所示。圖1中，Step1虛線框中電路為反激電路，Step2虛線框中電路為晶閘管橋臂換相電路。

圖1 微型逆變器主電路

電路的控制框圖如圖2所示。

圖2 電路的控制框圖

本研究通過(guò)采樣太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和輸出電流，檢測(cè)太陽(yáng)能電板輸出功率的大小，再通過(guò)采樣電網(wǎng)電壓，根據(jù)電網(wǎng)電壓的幅值和相位根據(jù)MPPT算法和PLL（Phase Lock Loop）計(jì)算出參考電流Iref［8-10］，電路各階段近似波形如圖3所示。

圖3 電路各階段近似波形

Iref為100 Hz的正弦饅頭波作為反激開(kāi)關(guān)管電流控制的參考信號(hào)，即系統(tǒng)當(dāng)Imos電流到達(dá)Iref值時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，當(dāng)檢測(cè)Is過(guò)零時(shí)開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，在Stage1通過(guò)反激變換器使得C上電壓幅值為與電網(wǎng)電壓幅值相當(dāng)?shù)恼茵z頭波，再在Stage2經(jīng)晶閘管橋臂換相成正弦交流電壓，再經(jīng)過(guò)LC濾波環(huán)節(jié)并入電網(wǎng)。

2 電路的分析與計(jì)算

2.1 參考電流值與并網(wǎng)輸出電流的關(guān)系

由于控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相以及對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤都與Iref有關(guān)，本研究對(duì)開(kāi)關(guān)管電流控制信號(hào)Iref與輸出電流Io及輸出功率Po的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)。電網(wǎng)輸出電壓vgs i nθ，θ=ωt，ω=2πf則在晶閘管換相之前，C上電壓可近似為vg|s i nθ|，為了方便計(jì)算，本研究將其寫(xiě)成vgs i nθ，θ∈[0,π]，為了使濾波后的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，則應(yīng)有反激輸出電流峰值構(gòu)成的即包絡(luò)線Is(t)=Ips·s i nθ，設(shè)變壓器原副邊匝比為1∶N，則原邊電流峰值構(gòu)成的包絡(luò)線Ipp(t)=N·Ips·s i nθ=Iref·s i nθ，假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓，太陽(yáng)能電池板電壓基本保持不變，反激電路工作于臨界連續(xù)模式時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流達(dá)到包絡(luò)線即峰值電流時(shí)間Ton，副邊電流過(guò)零時(shí)間Toff分別為:

開(kāi)關(guān)周期時(shí)間為:

對(duì)副邊輸出電流取平均值，得輸出電流為:

進(jìn)而得輸出功率為:

2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤算法

由式（6）可得，輸出功率除了與Iref值有關(guān)，還與太陽(yáng)能電池板電壓和電網(wǎng)電壓有關(guān)，本研究通過(guò)在工頻周期內(nèi)取足夠數(shù)量的點(diǎn)采樣太陽(yáng)能電池板的輸入電壓及輸出電流取平均值，以計(jì)算太陽(yáng)能電池板的輸出功率，再在電網(wǎng)電壓相位達(dá)到峰值點(diǎn)附近時(shí)采樣電網(wǎng)峰值電壓，通過(guò)與之前存儲(chǔ)的功率進(jìn)行比較，以確定Iref值變化的方向，從而調(diào)節(jié)MPPT點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上的分析計(jì)算，筆者得到如圖1所示的太陽(yáng)能微型并網(wǎng)逆器的各電路參數(shù)為:Lr=0.12μH，Lm=5.45 μH ，Cs=9.4 nF，Cr=0.1 nF，C=47 nF，Cf=220 nF ，Lf=500 μH ，變壓器原副邊匝比為1∶6。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可使反激電路工作于準(zhǔn)諧振模式，即當(dāng)副邊整流二級(jí)管電流過(guò)零關(guān)斷時(shí)，變壓器原邊勵(lì)磁電感和漏感與開(kāi)關(guān)管兩端電容及副邊反射回來(lái)的電容一起參與諧振，當(dāng)開(kāi)關(guān)管DS兩端寄生電容上的電壓諧振為零時(shí)，開(kāi)通開(kāi)關(guān)管。

實(shí)驗(yàn)中，本研究采用3節(jié)串聯(lián)的12 V的蓄電池模擬光伏太陽(yáng)能電池板輸入，輸出并入電網(wǎng)，截取了電路工作于90 W時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，示波器各通道探頭的設(shè)置直接編輯于圖上，開(kāi)關(guān)管上波形如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)管DS及GS兩端電壓波形

在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通信號(hào)來(lái)臨之前，Vds兩端電壓已降為零，開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通，由于本研究將半控型的晶閘管用于電網(wǎng)電壓過(guò)零換相，在過(guò)零點(diǎn)留有一定量的死區(qū)，這樣可以保證晶閘管在電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)能有效的自然關(guān)斷。輸出并網(wǎng)電壓并網(wǎng)電流波形如圖5所示，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，在90 W時(shí)效率達(dá)到91%。因?yàn)榫чl管在過(guò)零點(diǎn)時(shí)自然關(guān)斷，不可控，在過(guò)零點(diǎn)時(shí)電流有一定的畸變。

圖5 并網(wǎng)電壓及并網(wǎng)電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究詳細(xì)分析了基于反激拓?fù)涞墓夥⑿筒⒕W(wǎng)逆變器的工作原理，給出了電流控制信號(hào)與并網(wǎng)輸出電流波形及輸出功率的關(guān)系函數(shù)，分析了MPPT下的電流參考信號(hào)控制，搭建了100 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)反激變壓器，使得反激電路工作于準(zhǔn)諧振模式，使得反激原邊開(kāi)關(guān)管能夠工作在最低電壓開(kāi)通，降低了開(kāi)通損耗；采用單級(jí)并網(wǎng)方案，使得并網(wǎng)側(cè)功率器件工作在低頻模式，沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)有效地證明了上述兩點(diǎn)。該結(jié)果在微型逆變器的設(shè)計(jì)中有較大參考價(jià)值。

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