基于DSP的微逆變器雙頻率控制方法及實現(xiàn)

楊波勇 ，王 軍 ，閻鐵生 ，孫 章

（1.四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039；3.流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039）

基于DSP的微逆變器雙頻率控制方法及實現(xiàn)

楊波勇1，2，3，王 軍1，2，3，閻鐵生1，2，3，孫 章1，2，3

（1.四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，成都 610039；3.流體及動力機械教育部重點實驗室（西華大學(xué)），成都 610039）

傳統(tǒng)交錯反激微逆變器原邊電流峰值與變壓器體積、損耗較大。針對此問題，提出了一種基于原邊峰值電流控制且電感電流斷續(xù)模式（DCM）的雙頻率控制策略。推導(dǎo)了DCM模式下的參考電流表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了雙頻率控制策略中開關(guān)頻率切換點的選取原則，推導(dǎo)了其選取表達(dá)式。該策略可根據(jù)負(fù)載大小變化自動調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，在減小峰值電流的同時最大程度上減少開關(guān)次數(shù)，減小開關(guān)損耗。最后，通過PSIM仿真分析驗證了設(shè)計的有效性，并研制出了以數(shù)字信號處理器（DSP）為核心控制器的實驗平臺。實驗結(jié)果表明，該控制策略在減小原邊電流峰值的同時能保證系統(tǒng)效率并實現(xiàn)較小的并網(wǎng)電流諧波畸變率（THD）。

交錯反激；微逆變器；DCM模式；雙頻率控制

能源短缺與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，導(dǎo)致尋找新能源替代傳統(tǒng)化石能源的步伐迫在眉睫。太陽能是一種資源豐富且極具潛力的新能源，并網(wǎng)發(fā)電是開發(fā)太陽能的有效方式之一[1-2]。并網(wǎng)逆變器中，微型逆變器能獨立實現(xiàn)單塊電池的最大功率追蹤MPPT（maximum power point tracking），目前已成為未來分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

在中小功率場合中，反激拓?fù)溆捎谄浣Y(jié)構(gòu)簡單且具有電氣隔離的特點，在微逆變器中受到了廣泛的關(guān)注[3]。反激逆變器工作在電流臨界連續(xù)模式BCM（boundary current mode）、 電流斷續(xù)模式 DCM（discrete current mode）下均具備電流源特性[3]。有相關(guān)文獻(xiàn)對反激微逆變器的工作模式進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[5-6]均對反激逆變器工作在BCM模式下的效率與功率密度進(jìn)行了詳細(xì)分析，并指出此模式下系統(tǒng)有較高效率，但系統(tǒng)變頻控制復(fù)雜；文獻(xiàn)[7]提出了一種DCM與BCM雙模式混合控制策略，提高了整體功率密度，但增加了系統(tǒng)控制復(fù)雜程度；文獻(xiàn)[8]指出，在DCM模式下采用雙頻率控制策略，其重載時開關(guān)工作在低頻率狀態(tài)，雖然降低了重載損耗，但大大增加了原邊峰值電流。

針對上述問題，本文詳細(xì)分析了反激逆變器在DCM模式下的并網(wǎng)電流表達(dá)式，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于原邊電流控制的雙頻率并網(wǎng)控制策略。該策略通過頻率分區(qū)段固定，在瞬時輸出功率較大時采用較高頻率，瞬時輸出功率較小時采用較低頻率，從而實現(xiàn)原邊峰值電流的減小與開關(guān)損耗的降低。最后在PSIM中對所提控制策略進(jìn)行了仿真分析，并研制了一臺250 W微逆變器樣機。仿真與實驗結(jié)果均證明了所提方案的有效性。

1 交錯反激光伏并網(wǎng)微逆變器系統(tǒng)

本文研究的交錯反激光伏并網(wǎng)微型逆變器系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包含解耦電容C1、2個耦合的反激式變換器T1和T2、工頻極性變換電路以及CL濾波器。解耦電容C1平衡輸入與輸出的功率波動；主變壓器T1與從變壓器T2提供光伏側(cè)與電網(wǎng)側(cè)電氣隔離；主開關(guān)管S1和從開關(guān)管S2在高頻脈沖信號的調(diào)制下使得流過副邊二極管的電流呈現(xiàn)正弦全波形狀。 開關(guān)管 S3、S4、S5、S6組成極性翻轉(zhuǎn)橋?qū)⒎醇ぷ儞Q器輸出的正弦全波電流翻轉(zhuǎn)成正弦電流，經(jīng)濾波后送入電網(wǎng)。

1.1 DCM原邊控制電流基準(zhǔn)分析

交錯反激微逆變器由2個單端反激變換器并聯(lián)而成，并將開關(guān)管S1、S2二者驅(qū)動脈沖交錯180°控制。其工作原理與單端反激變換器相同。交錯并聯(lián)的目的是實現(xiàn)其等效電路開關(guān)頻率加倍，提高輸出功率等級與系統(tǒng)功率密度，減小輸出電流紋波。反激電路是反激逆變器的核心，其簡化電路拓?fù)淙鐖D2所示。反激逆變器工作在DCM模式下的原邊電流、參考電流與驅(qū)動信號波形如圖3所示。

圖1 交錯反激光伏并網(wǎng)微逆變器系統(tǒng)Fig.1 Grid connected system of interleaved micro inverter

圖2 反激變換器簡化電路拓?fù)銯ig.2 Simplified circuit topology of flyback converter

圖3 單頻率DCM控制原理Fig.3 Principle of single frequency DCM control

根據(jù)反激變換器工作原理，當(dāng)原邊主開關(guān)管S1導(dǎo)通時,變壓器勵磁電感電流從0開始上升。導(dǎo)通時間結(jié)束時的電流峰值ip，p可以表示為

式中：Vpv為反激逆變器輸入電壓；Lm為變壓器勵磁電感；ton為變壓器原邊開關(guān)管的導(dǎo)通時間。

當(dāng)主開關(guān)管S1關(guān)斷時，變壓器向副邊傳遞能量，副邊二極管電流開始下降。理想情況下，電網(wǎng)電壓可表示為

式中：Vo為電網(wǎng)電壓有效值；θ為電網(wǎng)電壓相位角；vo為電網(wǎng)電壓瞬時值。由伏秒平衡原理可得，二極管電流下降到0的時間toff為

式中，N為變壓器副邊與原邊匝數(shù)之比。

由等面積原則可得，1個開關(guān)周期內(nèi)變壓器副邊電流均值 is，avg為

令式（4）與式（5）相等，并結(jié)合式（1）～式（3），將ip，p用Iref替換，可得峰值電流控制下的原邊電流基準(zhǔn)為

式中，T為主開關(guān)管開關(guān)周期。

假設(shè)Po為輸出功率，輸出功率等于輸入功率，則輸出電流io可表示為

式中，fDCM為DCM模式下主開關(guān)管開關(guān)頻率，fDCM=1/T。在此模式下fDCM固定，一個開關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為Po、Lm不變，峰值電流Iref即是參考電流，控制其正弦化即可控制輸出并網(wǎng)電流正弦波化。

相對傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)而言，原邊峰值電流控制具有自帶原邊電流保護(hù)，無需整定PI參數(shù)，無需隔離采樣副邊電流的優(yōu)點，并且原邊控制可節(jié)省一個光耦與附帶電路，能減小系統(tǒng)體積，提高功率密度。本文將原邊峰值電流控制引入雙頻率控制策略中。

1.2 雙頻率DCM控制策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)在一天之中大多數(shù)情況都不能時刻輸出最大功率?；诖?，本文提出一種雙頻率控制策略，可根據(jù)負(fù)載功率的變化改變開關(guān)頻率，其原理如圖4所示。DCM模式下，工作在重載時切換到較高頻率運行，減小峰值電流；輕載時降頻率運行，減小開關(guān)次數(shù)，以提高系統(tǒng)整體輸出功率。

電路采用原邊峰值電流控制，固定時間開啟開關(guān)管，原邊電流達(dá)到參考電流時關(guān)斷開關(guān)管，在開通與關(guān)斷中產(chǎn)生PWM波。圖4中給出主開關(guān)管S1的驅(qū)動脈沖波形，從開關(guān)管S2在S1脈沖的基礎(chǔ)上交錯180°控制，電路在電流峰值點工作于BCM模式，其余時間段工作于DCM模式，觸發(fā)頻率固定，控制簡單易實現(xiàn)。圖5給出具體了峰值電流模式下的雙頻率DCM控制框圖，其中I*p為按照開關(guān)頻率為25 kHz設(shè)計，輸出功率達(dá)到極限時的原邊電流參考值；Ip為采集的原邊電流參考值。

圖4 雙頻率DCM控制原理Fig.4 Schematic diagram of dual frequency DCM control

圖5 峰值模式雙頻率DCM控制原理Fig.5 Dual frequency DCM control principle of peak mode

通過采樣輸出交流電壓、輸入直流電壓與電流，計算得到基準(zhǔn)電流，并與采集的原邊電流值比較得到脈沖波形送入RS觸發(fā)器R端，比較計算I*p與Ip得到所需的脈沖頻率送入RS觸發(fā)器S端，RS觸發(fā)器邏輯判斷輸出所需要的SPWM波，最后將SPWM波作為驅(qū)動信號S1輸入給原邊主開關(guān)管，并移相180°得到驅(qū)動信號S2輸入給原邊從開關(guān)管。輸出交流電壓與過零比較器比較產(chǎn)生工頻互補的PWM，并作為驅(qū)動信號S3～S6輸入給工頻極性轉(zhuǎn)換橋。

如何選取頻率功率切換點對系統(tǒng)原邊參考電流有直接影響。從式（6）發(fā)現(xiàn)，在DCM模式下，原邊參考電流Iref與成反比，即

從式（7）可以看出，重載時候?qū)㈩l率fDCM提高或減小A倍，相應(yīng)的原邊參考電流Iref將減小或增大倍。從變壓器角度考慮，本文采用重載時提高開關(guān)頻率，以降低峰值電流從而減小變壓器體積。頻率的改變次數(shù)與輸出電流波形正弦度相關(guān)，頻率改變次數(shù)越多，輸出電流正弦度越差，并且多頻率控制相對較復(fù)雜。本文采用雙頻率控制，25 kHz作為較低開關(guān)頻率，50 kHz作為較高開關(guān)頻率。高頻時開關(guān)頻率提高2倍，其電流基準(zhǔn)降低倍，約為

為確定雙頻率控制策略下的開關(guān)頻率切換點，首先，需保證按照高頻設(shè)計的變壓器能滿足低頻工作工況（磁芯不能飽和），則必須保證低頻模式工作時給定參考電流小于高頻模式工作時的電流參考，即Iref需在區(qū)間；其次，為了在減小峰值電流的同時最大程度上減少開關(guān)次數(shù)，設(shè)計時盡可能地讓系統(tǒng)工作在低頻狀態(tài)，即讓電流參考值盡可能大，其在低頻工作時間越長，其損耗越低，所以選取作為兩種工作模式的切換點。

2 仿真與實驗分析

2.1 仿真驗證

為驗證提出的雙頻DCM控制策略，利用PSIM仿真軟件搭建了250 W交錯反激微型逆變器模型與控制系統(tǒng)，電路拓?fù)渑c系統(tǒng)模型如圖1與圖5所示，仿真參數(shù)如表1。

表1 交錯反激微型逆變器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of interleaved flyback inverter

圖6為單頻率控制下仿真截止時間為0.1 s的電流波形，并局部放大峰值點（仿真時間為0.015 s）時的原邊電流波形，其中，Ip1和Ip2分別為主變壓器T1、從變壓器T2電流波形。由圖6中電流波形可以看出，其峰值電流為15.9 A，對于25 kHz開關(guān)頻率的微逆變器來說，其電流較大。

圖6 單頻率控制原邊電流波形Fig.6 Primary current waveforms of single frequency control

圖7 所提控制策略原邊電流波形Fig.7 Original side current waveforms of the proposed control strategy

圖7為雙頻率控制下原邊電流波形。從圖7可看出，所提自適應(yīng)控制策略DCM模式下的原邊峰值電流為11.14 A，比單頻率DCM模式下的原邊峰值電流小了1.414倍，與理論分析相符，也驗證了原邊峰值電流控制的正確性。而變壓器峰值電流小意味著變壓器磁芯更小，即更小體積的變壓器，有效證明了提出方法能減小峰值電流，實現(xiàn)小型化的有效性。

圖8是所提控制策略的原邊主、從開關(guān)管驅(qū)動波形，其波形相差半個周期。取橫坐標(biāo)時間為0.01 s，電流從0開始上升，其驅(qū)動波形占空比亦呈緩慢上升趨勢。

圖9為并網(wǎng)電流Iac與縮小100倍的并網(wǎng)電壓Vac波形，二者相位保持一致。測量顯示，并網(wǎng)電流諧波總畸變率THD為2.49%，達(dá)到了較為理想的效果，滿足并網(wǎng)電流要求。也保證了對系統(tǒng)低成本、小型化研究的前提。

圖8 原邊開關(guān)管驅(qū)動波形Fig.8 Driving waveforms of primary switch tube

圖9 并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓波形Fig.9 Waveforms of grid current and grid voltage

2.2 實驗驗證

針對文中所提出的控制策略，按照表1中250 W主電路參數(shù)，搭建了實驗樣機，如圖10所示。樣機使用直流電源替代光伏電源作為逆變器輸入，樣機參數(shù)：變壓器磁芯選用PC40（EE42），原邊開關(guān)管為IRFP460，全橋開關(guān)管為IRFP460，副邊二極管為FR307，采用DSP2812做系統(tǒng)主控制器。電壓信號通過電阻分壓與電壓調(diào)理電路被采樣；原邊電流信號通過電阻取樣與電流調(diào)理電路被采樣。

圖11給出交錯反激逆變器主開關(guān)管MOSFET驅(qū)動波形，其占空比處于變化之中。驅(qū)動電路采用光耦隔離與IR2110驅(qū)動芯片配合將DSP輸出信號放大。此時間斷處于原邊電流上升的區(qū)域，其占空比一直增大，符合SPWM波邏輯。

圖12給出輸出并網(wǎng)電壓與電流的實驗波形。從圖12中看出，并網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流相位基本一致，表明了鎖相的正確性。對電流波形做諧波分析，測量顯示出輸出電流諧波總畸變率THD為3.44%，能較好的實現(xiàn)并網(wǎng)。圖12中測量出輸出交流電流有效值為0.96 A，計算可得其整體效率可達(dá)84%。表明了提出方法在減小原邊峰值電流、減小系統(tǒng)體積、提高系統(tǒng)功率密度的同時能有效保證并網(wǎng)電流質(zhì)量。

圖10 實驗樣機平臺Fig.10 Prototype platform

圖11 原邊主開關(guān)管驅(qū)動波形Fig.11 Driving waveform of primary side main switch

圖12 并網(wǎng)電壓與電流實驗波形Fig.12 Experimental waveforms of grid voltage and current

3 結(jié)語

本文提出了一種DCM模式下的原邊雙頻率控制策略，分析了雙頻率控制模式的功率切換點范圍，仿真與實驗結(jié)果均驗證了通過該控制策略能減小變壓器峰值電流，減小系統(tǒng)體積，保證系統(tǒng)效率，提高系統(tǒng)功率密度的有效性。從成本方面考慮，較小的變壓器與易于設(shè)計的控制系統(tǒng)將使系統(tǒng)成本降低，這對于降低微型逆變器成本,推動微逆變器的廣泛應(yīng)用具有積極意義。

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楊波勇

楊波勇（1992-），男，碩士研究生，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：779895 388@qq.com。

王軍（1966-），女，通信作者，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電機控制與電力電子變換技術(shù)、智能控制算法等，E-mail：junwang66@tom.com。

閻鐵生（1981-），男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向：功率因素矯正變換器及其控制技術(shù)研究、電力電子變換在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用等，E-mail：tiesheng yan@163.com。

孫章（1986-），男，博士研究生，講師，研究方向：微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與電力變換控制，E-mail：383623076@qq.com

Dual Frequency Control Method and Implementation of Micro Inverter Based on DSP

YANG Boyong1，2，3,WANG Jun1，2，3,YAN Tiesheng1，2，3,SUN Zhang1，2，3
（1.Sichuan Province Key Laboratory of Power Electronics Energy-saving Technologiesamp;Equipment,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.School of Electrical Engineering and Electronic Information,Xihua University,Chengdu 610039,China;3.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua University,Chengdu 610039,China）

The peak value of the primary side current,the volume and the loss of the transformer in the conventional interleaved flyback inverters are relatively large.To solve these problems,an dual frequency control strategy based on the primary peak current control and the inductor discontinuous current mode（DCM） was proposed.First,the expression of reference current in DCM mode was derived.On this basis,the selection principle of switching frequency switching point in dual frequency control strategy was analyzed in detail,and the expression of selection was derived.This method can automatically adjust the switching frequency according to the change of the load size.Then the number of switches is reduced and the switching loss is reduced to the maximum extent.Finally,the validity of the design is verified by PSIM simulation analysis,and an experimental platform with a digital signal processor（DSP） as the core controller is developed.The experimental results show that the control strategy can reduce the peak value of the primary current and ensure the system efficiency,achieve a lower current harmonic distortion rate（THD）.

interleaved flyback;micro-inverter;discontinuous current mode;adaptive control

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.68

TM464

A

2017-06-29；

2017-10-09

四川省科技廳資助項目（2017KZ0020）；四川省科技創(chuàng)新苗子工程資助項目（2016106，2016111）；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（ycjj2017059，ycjj2017058）

Project Supported by Sichuan Provincial Department of Science and Technology Project（2017KZ0020）;Sichuan Province Science and Technology Innovation Talent Project（2016106,2016111）;Innovation Fund for Graduate Students of Xihua U-niversity（ycjj2017059,ycjj2017058）