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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)（VS）；采用變步長的擾動觀察法實(shí)現(xiàn)大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級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%，率達(dá)到95%。
關(guān)鍵詞：微逆變器；高頻環(huán)節(jié)；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(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，通過對各組件的獨(dú)立控制使其工作在大功率點(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。盡管其成本相對較高，但模塊化架構(gòu)、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(zhǔn)單級式交錯(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VS。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(shí)現(xiàn)MPPT，輸入電壓前饋方法可解決準(zhǔn)單級式微逆母線電壓崩潰問題。
2 主電路拓?fù)?/span>
基于微型逆變器的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中微型逆變器直接安裝在太陽能模塊背后，交流輸出可以直接與電網(wǎng)相連。
圖1 微型逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 拓?fù)溥x擇
準(zhǔn)單級式反激逆變器僅有一級的功率變換[4]，拓?fù)浜唵危绕溥m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(jì)簡單，市目前光伏微逆變器的理想拓?fù)洹Ｓ捎?/span>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(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VS，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BCM及CCM，DCM的點(diǎn)是恒頻工作，控制簡單，且了次級二極管反向恢復(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Tgrid是高頻開關(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(tǒng)
3.1控制框圖
準(zhǔn)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MPPT計(jì)算提供得到的并網(wǎng)電流的基準(zhǔn)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(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較高）。
圖2 控制系統(tǒng)
3.2準(zhǔn)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(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大。
擾動觀察法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，是MPPT算法中常用的方法。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；反之，若輸出功率變小，則在下個(gè)周期改變擾動的方向，如此進(jìn)行反復(fù)擾動、比較直至光伏系統(tǒng)輸出功率達(dá)到大。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(dāng)功率較每小時(shí)，擾動值C取值加大；當(dāng)功率較大后，適當(dāng)減小擾動值C的取值。
圖3擾動觀察法算法流程
在準(zhǔn)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(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(shí)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(shí)現(xiàn)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(yàn)證了工頻翻轉(zhuǎn)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試結(jié)果，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。
5 結(jié)論
介紹了某型準(zhǔn)單級式交錯(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；采用變步長的擾動觀察法實(shí)現(xiàn)大功率點(diǎn)跟蹤，基于輸入電壓前饋方法解決準(zhǔn)單級式微逆母線電壓崩潰問題；220W樣機(jī)整機(jī)大功率跟蹤效率為99.5%，滿載率達(dá)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%。
文章來源：《電力電子技術(shù)》2014年6期
參考文獻(xiàn)
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