基于反激拓撲的高效率太陽能微型單級并網(wǎng)逆變器

潘銘航，蘇秀蓉，王正仕

（浙江大學 電氣工程學院，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及空氣污染，太陽能、風能等可再生的清潔能源越來越受到人們的重視。太陽能微型并網(wǎng)逆變器是為每塊太陽能電池板配備一個逆變器，構(gòu)成一個相對獨立的系統(tǒng)［1］。與應用于大型光伏發(fā)電的中央逆變器及組串式逆變器相比，太陽能微型逆變器實現(xiàn)了對每塊太陽能電池板的最大功率點跟蹤，有效地解決了因為太陽能板之間老化差異、烏云遮擋或存在污物等緣故對光伏陣列的影響，能提高整個系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率［2］。

太陽能微型逆變器并網(wǎng)可采用單級拓撲、兩級拓撲和多級拓撲。單級拓撲直接將太陽能電池板的直流輸出電壓通過一級高頻開關(guān)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成交流電壓。兩級拓撲則是將太陽能電池板輸出的直流低電壓通過一級DC/DC環(huán)節(jié)變化到一個直流的高電壓，再通過一級DC/AC環(huán)節(jié)并入電網(wǎng)［3］。由于單級拓撲并網(wǎng)方案只有一級高頻開關(guān)電路，可以達到更高的效率。采用反激電路并通過電流峰值控制可以使電路工作于臨界連續(xù)模式，原邊開關(guān)管工作于準諧振模式，達到原邊開關(guān)管的零電壓開通，副邊二極管的零電流關(guān)斷，減少開關(guān)損耗［4-7］，且反激電路結(jié)構(gòu)簡單，非常適合應用于光伏并網(wǎng)微型逆變器中。

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

1 電路結(jié)構(gòu)及控制

基于反激拓撲的單級并網(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

本研究通過采樣太陽能電池板的輸出電壓和輸出電流，檢測太陽能電板輸出功率的大小，再通過采樣電網(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關(guān)管電流控制的參考信號，即系統(tǒng)當Imos電流到達Iref值時關(guān)斷開關(guān)管，當檢測Is過零時開通開關(guān)管，在Stage1通過反激變換器使得C上電壓幅值為與電網(wǎng)電壓幅值相當?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LC濾波環(huán)節(jié)并入電網(wǎng)。

2 電路的分析與計算

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最大功率點的跟蹤都與Iref有關(guān)，本研究對開關(guān)管電流控制信號Iref與輸出電流Io及輸出功率Po的關(guān)系進行推導。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|，為了方便計算，本研究將其寫成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，則應有反激輸出電流峰值構(gòu)成的即包絡線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)成的包絡線Ipp(t)=N·Ips·s i nθ=Iref·s i nθ，假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓，太陽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，開關(guān)管電流達到包絡線即峰值電流時間Ton，副邊電流過零時間Toff分別為:

開關(guān)周期時間為:

對副邊輸出電流取平均值，得輸出電流為:

進而得輸出功率為:

2.2 最大功率點跟蹤算法

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

3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上的分析計算，筆者得到如圖1所示的太陽能微型并網(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。

通過以上數(shù)據(jù)可使反激電路工作于準諧振模式，即當副邊整流二級管電流過零關(guān)斷時，變壓器原邊勵磁電感和漏感與開關(guān)管兩端電容及副邊反射回來的電容一起參與諧振，當開關(guān)管DS兩端寄生電容上的電壓諧振為零時，開通開關(guān)管。

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

圖4 開關(guān)管DS及GS兩端電壓波形

在開關(guān)管開通信號來臨之前，Vds兩端電壓已降為零，開關(guān)管零電壓開通，由于本研究將半控型的晶閘管用于電網(wǎng)電壓過零換相，在過零點留有一定量的死區(qū)，這樣可以保證晶閘管在電網(wǎng)電壓過零時能有效的自然關(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時效率達到91%。因為晶閘管在過零點時自然關(guān)斷，不可控，在過零點時電流有一定的畸變。

圖5 并網(wǎng)電壓及并網(wǎng)電流波形

4 結(jié)束語

本研究詳細分析了基于反激拓撲的光伏微型并網(wǎng)逆變器的工作原理，給出了電流控制信號與并網(wǎng)輸出電流波形及輸出功率的關(guān)系函數(shù)，分析了MPPT下的電流參考信號控制，搭建了100 W的實驗樣機，通過合理地設(shè)計反激變壓器，使得反激電路工作于準諧振模式，使得反激原邊開關(guān)管能夠工作在最低電壓開通，降低了開通損耗；采用單級并網(wǎng)方案，使得并網(wǎng)側(cè)功率器件工作在低頻模式，沒有開關(guān)損耗。

筆者通過實驗有效地證明了上述兩點。該結(jié)果在微型逆變器的設(shè)計中有較大參考價值。

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