適用于微電網(wǎng)的軟開關(guān)型高效光伏并網(wǎng)微型逆變器

許亞坡，胡海兵，邢 巖

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210016）

適用于微電網(wǎng)的軟開關(guān)型高效光伏并網(wǎng)微型逆變器

許亞坡，胡海兵，邢 巖

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210016）

針對光伏并網(wǎng)小功率逆變器應(yīng)用場合，提出一種能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的兩級式微型逆變器，其前級采用有源箝位正反激變換器電路，通過箝位電路實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管漏源極電壓箝位,利用漏感電流為主開關(guān)管結(jié)電容放電實(shí)現(xiàn)零電壓開通；后級采用基于臨界電流連續(xù)控制的傳統(tǒng)單相全橋逆變器，通過控制電感電流雙向流動，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。搭建的250 W并網(wǎng)逆變器樣機(jī)驗(yàn)證了所提方案的可行性和正確性。結(jié)果表明基于軟開關(guān)控制方式的微型逆變器能大大提高效率,適用于微電網(wǎng)中光伏并網(wǎng)微型逆變器等功率較小的應(yīng)用場合。

微型逆變器；有源箝位；軟開關(guān)；高效率

在全球性能源危機(jī)的影響下，高效清潔、可再生的太陽能作為一種具有廣闊發(fā)展前景的可再生能源，越來越受到人們的關(guān)注和重視[1]。微型逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，如何提高效率、減小體積、降低成本、提高壽命是目前微型逆變器面臨的主要挑戰(zhàn)。微型逆變器按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為3類：單級式微型逆變器、DC-DC-AC兩級式微型逆變器（以下簡稱兩級式微型逆變器）和DC-AC-AC兩級式微型逆變器[2，3]。單級式微型逆變器常采用反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)[4，5]，采用有源箝位電路實(shí)現(xiàn)零電壓開通ZVS（zero voltage switching）[6]、準(zhǔn)諧振實(shí)現(xiàn)零電流開通 ZCS（zero current switching）[7]。 兩級式微型逆變器的前級若采用反激拓?fù)?，效率較低；采用LLC諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)自然軟開關(guān)[8]，但體積和成本較高；采用正反激變換器需要加入有源箝位才能實(shí)現(xiàn)ZVS[9]，體積和成本相對較低。DC-AC-AC兩級式微型逆變器需要雙向開關(guān)滿足電流雙向流動，成本和體積較大，設(shè)計(jì)較為不便，目前國內(nèi)外研究的技術(shù)很少采用。相對單級式微型逆變器，兩級式微型逆變器雖然結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，效率相對較低，但其前后級控制較靈活，解耦電容較小，容易實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，因此具有較好的應(yīng)用前景和研究意義。

應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)可以提高開關(guān)頻率，減小體積，降低成本，提高逆變器性能。在兩級式微型逆變器中，針對后級DC/AC逆變器的軟開關(guān)技術(shù)主要有無源軟開關(guān)技術(shù)和有源軟開關(guān)技術(shù)[10]。無源軟開關(guān)有開關(guān)損耗，且增加了體積和重量；有源軟開關(guān)通過在直流側(cè)或者交流側(cè)加入輔助諧振電路來實(shí)現(xiàn)被動式的軟開關(guān)，但輔助諧振電路增加了體積和成本，降低了可靠性，不適合微型逆變器。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于臨界電流模式的逆變器控制方式，控制電感電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)雙向流動，在不增加額外器件的條件下為開關(guān)管ZVS開通提供條件。

本文基于軟開關(guān)控制策略采用兩級式微型逆變器拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一臺250 W并網(wǎng)逆變器樣機(jī)，其前級變換器采用能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)的有源箝位正反激變換器，后級逆變器使用傳統(tǒng)的單極性調(diào)制的全橋逆變器和基于臨界電流模式的控制方式來實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。前級變換器和后級逆變器的最高效率在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中分別達(dá)到了97.4%和98.5%。

1 兩級式微型逆變器拓?fù)?/h2>

圖1所示為兩級式微型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。前級DC/DC變換器采用有源箝位正反激變換器，其有源箝位電路可以回收漏感能量并實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管軟開關(guān)，同時(shí)倍壓整流電路能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓增益，從而可以把光伏板25～40 V的低電壓高效率地升壓至后級逆變器所需要的400 V直流母線電壓。后級DC/AC逆變器采用傳統(tǒng)的單極性單相全橋逆變器，一個(gè)橋臂工作在開關(guān)頻率，另一個(gè)橋臂以工頻周期工作，可以有效降低開關(guān)損耗。同時(shí)基于臨界電流模式控制第1個(gè)電感電流來實(shí)現(xiàn)高頻臂開關(guān)管的軟開關(guān)，提高逆變器的效率。

圖1 兩級式微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of two-stage micro-inverter

2 有源箝位正反激變換器軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)

2.1 基本工作原理

圖2為有源箝位正反激變換器的拓?fù)?，及其在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作波形。主開關(guān)管的開通時(shí)間等于漏感與倍壓電容諧振周期的一半，實(shí)現(xiàn)了副邊正激二極管的零電流關(guān)斷。箝位開關(guān)管只開通一小段時(shí)間，減小了導(dǎo)通損耗。箝位電容用來對主開關(guān)管的漏源極電壓進(jìn)行箝位，同時(shí)吸收漏感能量然后利用漏感實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS開通。

為簡化分析，假設(shè)變換器已經(jīng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；所有電容容量均足夠大，電容電壓近似認(rèn)為恒定；所有器件均為理想器件。

圖2 有源箝位正反激變換器拓?fù)浼肮ぷ鞑ㄐ蜦ig.2 Active-clamp forward-flyback converter topology and its waveforms

模態(tài) I[t0-t1]：如圖 3（a）所示，主開關(guān)管 S1導(dǎo)通，正激二極管D1導(dǎo)通，倍壓電容C1與漏感Lk諧振充電，此模態(tài)時(shí)間等于諧振半周期，正激二極管電流iD1波形為諧振半波波形。

模態(tài) II[t1-t2]：如圖 3（b）所示，主開關(guān)管 S1關(guān)斷，其結(jié)電容CS1通過漏感電流iLk充電。正激二極管電流iD1在本模態(tài)結(jié)束前已諧振到0，正激二極管ZCS關(guān)斷，避免了反向恢復(fù)帶來的電流尖峰和損耗。

模態(tài) III[t2-t3]：如圖 3（c）所示，主開關(guān)管漏源極電壓vDS_S1充電至輸入電壓vin與箝位電容電壓vc之和后，箝位開關(guān)管體二極管DS2和反激二極管D2導(dǎo)通，vDS_S1得到箝位。漏感電流iLk為箝位電容Cc充電，激磁感電流iLm線性減小。

模態(tài) IV[t3-t4]：如圖 3（d）所示，漏感電流 iLk減小到0后箝位開關(guān)管體二極管DS2截止，反激二極管D2繼續(xù)導(dǎo)通，激磁感電流iLm繼續(xù)線性減小。

模態(tài) V[t4-t5]：如圖 3（e）所示，箝位開關(guān)管 S2導(dǎo)通，漏感電流iLk反向線性增大，反激二極管電流iD2也線性增大。

模態(tài) VI[t5-t6]：如圖 3（f）所示，箝位開關(guān)管 S2關(guān)斷，主開關(guān)管結(jié)電容CS1通過漏感電流諧振放電。

模態(tài) VII[t6-t7]：如圖 3（g）所示，主開關(guān)管結(jié)電容CS1電壓放電到0后，二極管DS1導(dǎo)通，為主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS開通提供條件。漏感電流iLk反向線性減小。

圖3 有源箝位正反激變換器模態(tài)Fig.3 Active-clamp forward-flyback converter mode

2.2 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

從上述模態(tài)分析過程可以看出，主開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton1等于漏感與倍壓電容諧振周期Tr的一半時(shí)，副邊正激二極管可以實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷，從而避免主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)副邊二極管的反向恢復(fù)問題。另外箝位開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為主開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的1/20～1/10，可以減小箝位電路的導(dǎo)通損耗，即

式中，N=Ns/Np。

箝位電路能夠?qū)χ鏖_關(guān)管的漏源極電壓進(jìn)行箝位，還能利用吸收的漏感能量來實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的軟開關(guān)。根據(jù)工作原理分析可以得出：主開關(guān)管的軟開關(guān)條件是箝位開關(guān)管關(guān)斷瞬間漏感的能量不小于主開關(guān)管結(jié)電容的能量，即

式中：iLk（t5）為箝位開關(guān)管關(guān)斷后的漏感電流;uDS_S1（t5）為箝位開關(guān)管關(guān)斷后主開關(guān)管漏源極電壓，即結(jié)電容電壓。

在漏感能量滿足軟開關(guān)條件的前提下，主開關(guān)管結(jié)電容在箝位開關(guān)管和主開關(guān)管之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)通過漏感電流放電到零才能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。漏感能量等于主開關(guān)管結(jié)電容能量的情況下，死區(qū)時(shí)間等于漏感與結(jié)電容諧振周期的1/4。死區(qū)時(shí)間過長會則結(jié)電容會重新充電，死區(qū)時(shí)間過短則結(jié)電容不能放電到0，不合理的死區(qū)時(shí)間都會導(dǎo)致主開關(guān)管無法實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。死區(qū)時(shí)間表示為

3 軟開關(guān)單相全橋逆變器實(shí)現(xiàn)

3.1 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)原理

圖4（a）給出了全橋逆變器在BCM工作下電感電流iLs在一個(gè)電網(wǎng)工頻周期內(nèi)的波形示意。iLs在每半個(gè)電網(wǎng)工頻周期內(nèi)是雙向流動的，可以對高頻臂開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充放電，為開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS開通提供條件。如圖 4（b）所示為電感電流在電網(wǎng)電壓正半周的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的展開示意，高頻臂下管Q2在電網(wǎng)電壓正半周內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)自然軟開關(guān)，而高頻臂上管Q1實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)需要控制電感電流達(dá)到一定的反向電流值，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)對高頻臂上管的結(jié)電容進(jìn)行放電使其體二極管導(dǎo)通，在體二極管導(dǎo)通期間開通開關(guān)管就可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)[11]。電網(wǎng)電壓負(fù)半周的情況是對稱的。

3.2 開關(guān)頻率范圍選取

通過控制電感電流iLs雙向流動，對開關(guān)管的結(jié)電容進(jìn)行充放電，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)高頻臂開關(guān)管的ZVS開通，而傳統(tǒng)的SPWM控制方式在每半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)高頻臂開關(guān)管的ZVS開通。為了使電感電流的平均值即輸出電流等于Iosin（ωt），根據(jù)工作原理可以得到在電網(wǎng)電壓正半周期內(nèi)電感電流上、下包絡(luò)線的表達(dá)式分別為

式中，IB為電感電流反向時(shí)下包絡(luò)線的電流，用來實(shí)現(xiàn)高頻臂上管的ZVS開通。

由此，電感電流在高頻臂上下開關(guān)管死區(qū)時(shí)間內(nèi)對其結(jié)電容進(jìn)行充放電從而實(shí)現(xiàn)高頻臂開關(guān)管的ZVS開通，所以必須保證死區(qū)時(shí)間內(nèi)高頻臂上、下開關(guān)管的結(jié)電容分別完全充電和放電才能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，由電荷守恒可以得到死區(qū)時(shí)間的表達(dá)式

要控制電感電流為圖 4所示的波形，可以根據(jù)電感電流的上下包絡(luò)線和電感伏秒平衡原理計(jì)算高頻臂開關(guān)管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，從而得到整個(gè)電網(wǎng)工頻周期內(nèi)的開關(guān)管驅(qū)動信號。利用式（6）和式（7）可以得到高頻臂上管Q1的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間以及開關(guān)頻率，表達(dá)式分別為

根據(jù)式（11），可以繪制出開關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓相位角和逆變器負(fù)載變化的曲線，如圖5所示。由圖可以看出，逆變器負(fù)載越輕，整體開關(guān)頻率越高。而從開關(guān)頻率的表達(dá)式（11）還可以得出，在其他參數(shù)確定的情況下，第1個(gè)電感的選擇會影響最高開關(guān)頻率。

圖5 不同負(fù)載下的開關(guān)頻率趨勢Fig.5 Switching frequency trends under different loads

3.3 數(shù)?；旌蠈?shí)現(xiàn)策略

根據(jù)電感電流控制的分析，可以采用軟件計(jì)算方式計(jì)算開關(guān)管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間來控制電感電流波形，而不需要額外的硬件電路，但是準(zhǔn)確性不高，會有一定累積誤差；也可以采用硬件復(fù)位方式，即滯環(huán)控制方式，準(zhǔn)確地控制電感電流波形，但是需要額外的硬件電路。結(jié)合這兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，本文采用一種數(shù)模混合實(shí)現(xiàn)方式，即開通時(shí)間由軟件計(jì)算獲得，電感電流的下包絡(luò)線（電網(wǎng)電壓正半周期，負(fù)半周期對應(yīng)上包絡(luò)線）由硬件進(jìn)行復(fù)位控制，如圖 6（a）所示。圖 6（b）是采用數(shù)模混合實(shí)現(xiàn)方式的微型并網(wǎng)逆變器的控制框圖，dsPIC使用高速AD采樣直流母線電壓和電網(wǎng)電壓，然后根據(jù)電流參考計(jì)算對應(yīng)開關(guān)管的開通時(shí)間；同時(shí)電感電流采樣信號送至dsPIC內(nèi)部的高速模擬比較器與電感電流復(fù)位線比較來觸發(fā)PWM模塊的時(shí)基復(fù)位，控制開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間。

圖6 微型并網(wǎng)逆變器混合實(shí)現(xiàn)方式Fig.6 Hybrid implementation of grid-tied micro-inverter

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 樣機(jī)參數(shù)

為了驗(yàn)證上述所提出的控制方式，搭建了1臺250 W光伏并網(wǎng)微型逆變器樣機(jī)，其中前級采用有源箝位正反激變換器電路，后級采用軟開關(guān)全橋逆變器電路，其主要參數(shù)分別如表1和表2所示，樣機(jī)如圖7所示。圖中控制芯片采用的是微芯公司的dsPIC33FJ16GS504，其擁有高分辨率的PWM模塊、高速10bit AD模塊、高速模擬比較器以及適合數(shù)據(jù)運(yùn)算的DSP。

表1 微型逆變器樣機(jī)前級變換器參數(shù)Tab.1 Converter parameters of micro-inverter prototype

表2 微型逆變器樣機(jī)后級逆變器參數(shù)Tab.2 Inverter parameter of micro-inverter prototype

圖7 光伏并網(wǎng)微型逆變器樣機(jī)Fig.7 Photovoltaic grid-tied micro-inverter prototype

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8和圖9分別給出了前級變換器在輸入電壓分別為25 V和40 V時(shí)的穩(wěn)態(tài)工作波形，其中S1、S2、ip、VDS-S1分別是主開關(guān)管驅(qū)動信號、箝位開關(guān)管驅(qū)動信號、變壓器原邊電流、主開關(guān)管漏源極電壓。由圖 8（b）和圖 9（b）可知，在 2種輸入電壓下主開關(guān)管S1均實(shí)現(xiàn)了ZVS開通。

圖8 25 V輸入時(shí)有源箝位正反激變換器工作波形Fig.8 Waveforms of active-clamp forward-flyback in 25 V input

圖9 40 V輸入時(shí)有源箝位正反激變換器工作波形Fig.9 Waveforms of active-clamp forward-flyback in 40 V input

圖 10（a）是逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的波形，其中Q4、iLs、vg、io分別是低頻臂下管驅(qū)動信號、電感電流、電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流，可以看出電感電流波形與理論分析的一致，輸出電流正弦度好，無明顯畸變。圖 10（b）是逆變器軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)情況，可以看出在開關(guān)管Q1開通之前，其漏源極電壓已經(jīng)降為0，實(shí)現(xiàn)了ZVS開通。

圖11是逆變器并網(wǎng)電流的諧波情況，從曲線可以看出，并網(wǎng)電流THD基本都在6%以內(nèi)，滿載時(shí)并網(wǎng)電流的THD只有1.67%，總諧波失真很小。

微型逆變器的效率曲線如圖12所示，圖12（a）是前級有源箝位正反激變換器的效率曲線，最高效率97.4%；圖 12（b）是后級軟開關(guān)逆變器的效率曲線，即使在開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到80 kHz的情況下，其最高效率也能達(dá)到98.5%。

圖10 逆變器工作波形Fig.10 Inverter operating waveforms

圖11 逆變器并網(wǎng)電流諧波情況Fig.11 Harmonic condition of grid-tied current

圖12 微型逆變器效率曲線Fig.12 Efficiency curves of micro-inverter

5 結(jié)語

本文分析并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種兩級式光伏并網(wǎng)微型逆變器，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①前級采用有源箝位正反激變換器，在全電壓范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，同時(shí)獲得了高電壓增益和變換效率；②對于后級全橋型逆變電路，采用基于臨界電流模式的控制方式，在不增加額外器件的條件下實(shí)現(xiàn)了高頻臂開關(guān)管的軟開關(guān)；③所設(shè)計(jì)的軟開關(guān)、高效率光伏并網(wǎng)微型逆變器適用于微電網(wǎng)等應(yīng)用場合。

[1]Plant P,Floorspace B.Energy Information Administration[J].Alphascript Publishing,2010,1.

[2]Hu Haibing,Harb S,Kutkut N,et al.Power decoupling techniques for micro-inverters in PV systems-a review[C]//Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE,2010:3235-3240.

[3]Hu Haibing,Harb S,Kutkut N,et al.A review of power decoupling techniques for microinverters with three different decoupling capacitor locations in PV systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,28 （6）:2711-2726.

[4]Kutkut N,Hu H.Photovoltaic micro-inverters:Topologies control aspects reliability issues and applicable standards[C]//Proc.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）.2010.

[5]Achille E,Martire T,Glaize C,et al.Optimized DC-AC boost converters for modular photovoltaic grid-connected generators[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.IEEE,2006,2:1005-1010.

[6]Kasa N,Iida T,Bhat A K S.Zero-voltage transition flyback inverter for small scale photovoltaic power system[C]//Power Electronics Specialists Conference,Pesc'05,IEEE.IEEE,2005:2098-2103.

[7]Tian F,Chen F,Rustom K,et al.Pulse frequency modulation with soft-switching flyback single-stage inverter[C]//Telecommunications Energy Conference.IEEE,2010:1-6.

[8]Harfman-Todorovic M,Tao F,Agamy M,et al.A high efficiency PV micro-inverter with grid support functions[C]//Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE,2014:4244-4250.

[9]Cha W J,Cho Y W,Kwon J M,et al.Highly efficient microinverter with soft-switching step-up converter and single-switch-modulation inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62（6）:3516-3523.

[10]Amirahmadi A,Hu Haibing,Grishina A,et al.Hybrid ZVS BCM current controlled three-phase microinverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,29 （4）:2124-2134.

[11]Zhang Qian,Hu Haibing,Zhang Dehua,et al.A controlledtype ZVS technique without auxiliary components for the low power DC/AC inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,28（7）:3287-3296.

許亞坡

許亞坡（1989-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子數(shù)字控制、并網(wǎng)逆變器研究，E-mail：xuyapple@nuaa.edu.cn。

胡海兵（1973-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子系統(tǒng)集成,電力電子裝置及其數(shù)字控制,電機(jī)傳動及電機(jī)控制，E-mail：huhaibing@nuaa.edu.cn。

邢巖（1964-），女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子變換器、功率變換中的數(shù)字控制技術(shù)、可再生能源發(fā)電及變換技術(shù)，E-mail：xingyan@nuaa.edu.cn。

A High-efficiency PV Grid-tied Micro-inverter with Soft Switching in Micro-grid Application

XU Yapo,HU Haibing,XING yan
（College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

A two-stage micro-inverter is proposed in this paper to achieve soft switching for PV grid-tied microinverter.The front-end stage of micro-inverter employs active-clamp forward-flyback converter which can clamp the drain-source voltage of main switch and achieve zero voltage switching（ZVS） by discharging the parasitic capacitor with the leak inductor current.While,the second stage is a traditional single-phase full-bridge based on boundary current mode（BCM）with a control strategy of controlling the inductor current bidirectional to achieve ZVS.A 250 W prototype is built to verify the validity of design.The results show that the soft switching controlled mode can hence improve the efficiency of micro-inverter,which is especially suitable for low power application such as micro-inverter in micro-grid.

micro-inverter;active-clamp;soft switching;high-efficiency

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.75

TM464

A

2015-10-31；

2016-10-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177070）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51177070）