反激式光伏并网微逆变器的研究

胡 喆，张 敏

（国网浙江嘉善县供电公司 浙江 嘉兴 314100）

反激式光伏并网微逆变器的研究

胡 喆，张 敏

（国网浙江嘉善县供电公司 浙江 嘉兴 314100）

针对反激式高频链电流型微逆变器存在的开关管的电流应力较高等问题，设计了交错并联有源箝位反激式微逆变器结构，分析了其工作原理、工作模态和主要电路器件，并设计出以dsPIC33FJ06GS504为主控单片机的控制软件，研制出实验样机对设计电路和控制策略的可行性进行研制，结果表明该微逆变器符合相关并网要求。

光伏并网；逆变器；反激式；有源箝位

光伏并网逆变器是光伏电池和电网的重要接口设备,其性能直接决定光伏系统的发电效率。反激式高频链电流型微逆变器具有结构简单、元器件少、成本低、高频隔离、稳定性高等优势,是微逆变器拓扑的研究热点[1-3]。但是,反激式高频链电流型微逆变器工作通常是断续模式,开关管的电流应力较高[4]；另外,高频变压器的漏感易与开关管的寄生电容产生谐振,会导致开关管电压应力的增加,且漏感存储的能量消耗在电路中,降低了电路的效率,输入电流纹波大,可靠性低[5]。为克服传统反激式微逆变器的上述缺点,本文设计了交错并联有源箝位反激式微逆变器结构,并进行了实验验证。

1 结构设计

通过有源箝位电路吸收漏感能量,减小开关管的电压应力并能提高效率；通过交错并联技术减小输入电容上的电流纹波,增加微逆变器的可靠性并增加输出功率等级[6]。微逆变器的主电路原理如图1所示。电路结构的上前级部分由两路有源箝位反激电路并联组成,其主要作用是：实现光伏电池板的最大功率输出；将反激电路的输出电流的平均值调制为正弦半波；实现反激输出电压的隔离升压。后级主要是全桥逆变电路和并网滤波器。全桥电路由两路桥臂组成,工作于工频极性转换状态,将正弦半波电流逆变为正弦电流并入电网。

图1 交错并联有源箝位反激微逆变器结构图Fig.1 Interleaved active clamp flyback micro inverter structure diagram

1.1 有源箝位反激电路工作模态分析

单路有源箝位反激电路的结构如图2所示,其电路工作稳态的关键波形如图3所示。

电路工作状态如下所述：

阶段1[t0～t1]：在t0时刻,主开关Q1导通,辅助开关Sa关断,输出二极管Ds1反向偏置,励磁电感中的电流线性增加。

阶段2[t1～t2]：在t1时刻,主开关Q1关断,漏感、励磁电感与Cr发生谐振。由于Cr值很小,谐振周期很短,Cr上的电压近似线性上升。

图2 单路有源箝位反激电路Fig.2 Single active clamp flyback circuit

图3 高频开关周期内的稳态波形Fig.3 Steady state waveform of high frequency switching period

阶段3[t2～t3]：随着Cr上电压的上升,在t2时刻,Cr上的电压Vds等于输入电压加上箝位电容上的电压时,辅助开关管Sa上的反并联二极管导通。由于箝位二极管的容量值远大于Cr,漏感、励磁电感和箝位电容C11发生谐振,箝位电容Cl1上的电压逐渐上升。

阶段 4[t3～t5]：随着谐振电容上电压的上升,副边二极管Ds1开始导通,变压器原边绕组电压被箝位在Vo/N,励磁电感Lm退出谐振回路。漏感Lk1和箝位电容及寄生电容Cr继续谐振,在谐振电流反向之前,在t4时刻,辅助开关Sa实现零电压导通,可以减小开关损耗。

阶段5[t5～t6]：副边二极管Ds1中电流衰减至零关断,励磁电感Lm重新加入谐振回路。

阶段6[t6～t7]：在t6时刻,辅助开关管Sa关断,谐振回路发生改变,因辅助开关Sa的寄生电容容值很小且与箝位电容串联,可以近似为箝位电容Cl1退出谐振回路。因此,主开关Q1的电容Cr上的电压开始迅速下降,如果之前漏感和励磁电感中存储的能量足够,Cr上的电压可以下降至零,可以实现Q1管的零电压开通,或Q1管谷底开通,减小Q1的开通损耗。

1.2 反激变压器的设计

图4为反激变压器中的原副边电流波形图,其中左图为半个工频周期的电流示意图,右图为一个开关周期的电流示意图。

输入功率可以根据式(1)求得：

图4 变压器原副边电流波形Fig.4 Transformer primary side and secondary side current waveform

由式(1)可知,励磁电感Lm和开关周期一定时,光伏电池板电压下降,导通时间TON会增加。因此,只要在最低光伏电池板最低电压满足断续条件即可实现在全范围的输入电压条件下的电感电流断续模式。

由伏秒守恒可推出：

其中Upv_min为光伏电池板最小输出电压。Uac_pk为反激输出电压的峰值。设定最大占空比 Dmax为0.75,可得 N2/N1= 5.78。留适当余量取匝比为6。

根据在半个工频周期里功率守恒原理：

将式(7)带入式(4),可求出励磁电感的大小：

根据面积乘积法选取变压器的磁芯尺寸：

其中ΔB=0.25T,K2=0.006,Ip_rms为原边电流的有效值,其计算如式(10)所示。

将式(2)带入上式,可得到：

根据计算得到的 AP值,选用了磁芯截面积较大的PQ3220磁芯。PQ磁芯优化了磁芯体积,表面积和绕组绕制面积的比率,用尽可能小的磁芯体积,获得最大的输出功率,是专门为开关电源用变压器设计而成的。

反激变压器原边绕组匝数的计算：

其中S为磁芯截面积,S=164mm2,Ipp为原边电流最大峰值。

反激变压器副边绕组的匝数可以根据式(12)得到：

磁芯气隙长度的计算：

其中μo=4π·10-6H/m为真空磁导率。

根据式2类似的方法,可以得到变压器副边电流的有效值为：

根据式(11)和式(15),通过既定的电流密度,J=430 A/cm2可以选取合适的导线。

1.3 功率开关管的设计

反激主功率MOS管的电压应力为输入电压加上输出端电压折射到原边的电压为式(16)：

原边开关管的电流应力为式(17)：

根据以上计算,综合考虑MOS管的导通电阻等特性,选用IR公司IRFS4321。

由式(17)得到的原边最大峰值电流折算到副边,可以求出副边整流二极管的电流应力。另外整流二极管的最大反向电压出现在最大光伏电压输入且MOS管导通的时候,其电压应力如下表示：

综合考虑整流二极管的反向恢复问题,最后选用CREE公司的SiC二极管C4D02120A。

后级工频逆变开关管的电压应力即最大电网电压峰值。其电流应力为最大并网电流的峰值,考虑到电网电压的浪涌等,后级工频逆变MOS管选用Infineon公司的SPP17N80C3。相应地,工频逆变上桥臂的晶闸管也选用TECCOR公司的S8016N晶闸管,其反向击穿电压为800 V,正向最大电流为16 A。

1.4 有源箝位电容的选择

根据之前的模态分析可知,一般情况下,箝位电容上的电压纹波控制在10%以下,将箝位电容上的电压视为固定值分析。变压器漏感中的能量在主开关关断的时候,将全部转移到箝位电容CL中,由此可列出等式(19)：

箝位电容的容值选用2颗100 nF/100 V瓷片电容并联,箝位开关管选用仙童公司的FDS86240。

2 控制策略

2.1 软件设计

选用Microchip公司的dsPIC33FJ06GS504作为主控单片机,对系统进行控制,论述通过dsPIC主控单片机实现的功能,并给出软件控制框图,如图5所示。整个数字控制系统所必需的DSC资源主要4路AD采样,1路捕获模块和6路PWM通道,其中6路PWM主要是实现反激电路主开关和有源箝位开关及后级H桥工频逆变的控制。

图5 控制方案框图Fig.5 Block diagram of control program

交错并联有源箝位反激微型逆变器工作模式由DSC程序的状态机来确定。状态机在定时器中断服务程序中每隔一定的时间执行一次。系统初始化时,状态机检测所有系统的初始化条件及故障,包括光伏电池板电压、电网电压、电网频率和逆变器输出交流电流的条件等。如果系统没有故障且相关条件在指定的范围内,则系统状态机会将系统切换到启动模式,否则,系统将进入错误模式,停止输出。在启动模式下,状态机再次检查系统条件,如果一切正常,系统将重新初始化相应的变量和外设,根据采样到的光伏电池板电压和电网电压及频率,设置相应的系统状态标志位,切换到白天工作模式或夜晚工作模式。

2.2 MPPT控制环

采用简单,运算量小,对DSC要求较低的爬山法实现最大功率跟踪(MPPT)算法。在实际控制系统中,因为系统原本需要时刻监控电网电压和并网的电流,通过功率守恒,可以间接得到太阳能电池板的输出功率。所以,样机中没有采样光伏电池板的输出电流。这样做的优点是省去了电流互感器和采样调理电路,既可以节省PCB版面空间,又降低成本。

3 实验

按照上文分析,研制一套实验样机,其主要参数：原边励磁电感Lm为7.2 μH,原边漏感Llk为0.24 μH,有源箝位电容Cclamp为470 nF,开关频率fs为125 kHz。

在并网条件下,测试不同输出功率等级时的并网电压和并

网电流波形,并利用电能质量分析仪测试出了并网电流的并网电流畸变率THD。实验发现：并网功率较小时,系统将进入单路反激逆变模式,在电网电压过零点附近存在着较大的失真,这时THD也较大,如并网功率为74W时THD达到13%左右,见图6(a)；并网功率继续增大时,在电网电压过零点附近的失真变更小,如并网功率为210W时THD缩小到3%左右,见图6(b)；在3/4满载至满载工作时,THD小于5%,并网电流与电网电压同频同相,且正弦度高,符合并网要求。

图6 并网电压和并网电流波形Fig.6 The grid voltage and grid current waveform

在不同输出功率情况下,反激微逆变器的效率如图7所示。当输出功率低于100 W时,为提高系统效率,交错并联反激微逆变器只有单路反激电路工作；当输出功率大于100 W时,两路反激电路同时工作,系统最高效率达到94.6%。

图7 样机在不同输出功率时的效率Fig.7 Prototype efficiency under different output power

4 结束语

文中针对微逆变器开关管的电流应力较高等问题,采用有源箝位电路吸收漏感能量,减小开关管的电压应力并能提高效率,通过交错并联技术减小输入电容上的电流纹波,增加微逆变器的可靠性并增加输出功率等级。

1)对有源箝位反激电路的工作原理进行了详细的介绍,对硬件主功率电路的各个模态进行了探讨,对功率电路的主要器件的电压和电流应力做了分析,为器件选择提供依据。

2)对dsPIC33FJ06GS504作为主控单片机所需实现的主要功能做了详细的设计,给出总体的软件设计框图,采用爬山法实现最大功率跟踪(MPPT)算法。

3)按照设计思路,研制了一套实验样机,测试了不同输出功率时的并网电压和并网电流波形、并网电流畸变率THD和微逆变器的效率等,结果表明该微逆变器能达到并网要求。

[1]刘倩.基于内高频链的光伏并网逆变器的研究与设计[D].成都：电子科技大学，2013.

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[3]Zhe Zhang，Min Chen.Design and Analysis of the Synehronization Control Method for BCM/DCM Currentmode Flybaek Micro-inverter.Proceedings of IEEEAppfied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)[C].Long Beach，USA，2013：68-75.

[4]石林,牟龙华.反激型光伏微型逆变器不同工作模式的分析与比较[J].通信电源技术,2012,29(4)：1-4.

[5]魏少翀,张广明,嵇保健.一种高效率低输入纹波电流的光伏并网微逆变器[J].电力系统自动化,2014,38(8)：91-96.

[6]张凤阁,朱仕禄,殷孝雎,等.交错反激式光伏并网微逆变器的控制器实现[J].电工技术学报,2013,28(5)：142-147.

Research on flyback type photovoltaic grid-connected micro-inverter

HU Zhe,ZHANG Min
(Zhejiang Jiashan power Supply Company of State Grid,Jiaxing 314100,China)

Aiming at the current switch flyback high frequency link inverter current type micropipe stress were higher,the leakage inductance energy absorption based on the principle of active clamp circuit,to reduce the voltage stress of the switches and can improve the efficiency of the design,the interleaving active clamp flyback micro inverter structure,analysisthe working principle,working mode and main circuit devices,and design a control softwareusing dsPIC33FJ06GS504 as the main control chip,developed the experimental prototypedevelopment feasibility of circuit design and the control strategy,the results show that themicro grid inverter in conformity with the relevant requirements.

Photovoltaic；inverter；flyback；active clamp

TM464

：A

:1674-6236(2015)23-0094-04

2015-03-23稿件编号：201503305

胡 喆(1976—)，男，浙江嘉善人，硕士，工程师。研究方向：光伏并网技术。