低输入电压高效率并网微逆变器的研究

2016-10-12张晓玲王慧馨马凯莉刘拓夫王正仕

电源学报 2016年3期

关键词：二极管电感电容

张晓玲，王慧馨，马凯莉，刘拓夫，王正仕

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

低输入电压高效率并网微逆变器的研究

张晓玲，王慧馨，马凯莉，刘拓夫，王正仕

（浙江大学电气工程学院，杭州310027）

针对单个光伏电池输出电压较低这一问题，提出了一种低输入电压、高效率的单相两级光伏并网微逆变器拓扑。该拓扑前级采用一种高效率的高增益DC/DC结构，实现了软开关技术；后级为全桥逆变结构，采用单电感滤波，应用软件锁相和重复控制电流内环、电压外环等软件控制方法实现逆变并网。研制了一台额定功率为300 W的单相光伏并网微逆变器。经测试，该逆变器满载时并网电流总谐波含量（THD）为1.3%，效率为93.6%，验证了所提拓扑的可行性与有效性。

光伏；微逆变器；高增益DC/DC；软开关；高效率

引言

随着太阳能应用的不断加深，光伏逆变器迅速发展。微逆变器也因具有高可靠性、高效率、易扩展、易安装等优点受到越来越多的关注［1］。而要实现单个光伏电池的低输出电压到逆变器高输入电压的转换，传统的Boost电路并不能满足要求［2］，因此多种高增益高效率的DC/DC变换器拓扑也应运而生。

为提高变换器增益，在电路中加入电压倍增器模块是一种可行的方法［3，4］。同时，该方法可以减小开关管电压应力，减轻二极管反向恢复问题；但是增益越高需要的电容和二极管的数量就越多，电路结构趋于复杂。另一种提高变换器增益的方法是在Boost变换器中加入耦合电感［5，6］，该方法电路结构简单并且开关管的电压应力低，但是由于耦合电感存在漏感，需要加入有源箝位电路抑制在开关管关断时引起的电压过冲，并且二极管仍面临较高的电压应力。还有一种思路是采用交错并联Boost升压变换器［7，8］，其开关管电压应力低，二极管反向恢复问题也因漏感存在大大减轻，然而它需要更多的功率器件和磁性元件。级联型变换器也可以实现高增益［9，10］，并且效率高、输入电流纹波小，但元器件数量多，控制较为复杂，而且开关管的电压应力也比较高。

本文采用的DC/DC变换器包含电压倍增器模块、耦合电感和有源箝位模块［11］。它可以用相对较少的元器件实现更高的升压比，又可有效减小开关管和二极管的电压应力；通过合理利用漏感可以实现软开关，大大减轻二极管的反向恢复问题，从而实现高效率。从拓扑特性上看，该拓扑非常适合用于实现低输入电压高效率的微型逆变器。

1　电路分析

1.1电路结构及工作过程分析

本文提出的微逆变器结构如图1所示。前级为耦合电感高增益升压DC/DC变换器，它在传统的BOOST电路基础上增加了耦合电感和2个电压倍增器模块，由此可在占空比相同的情况下获得更高的升压比。同时，增加有源箝位模块以重复利用漏感能量减小开关管关断时的电压冲击，并且实现开关管零电压开通ZVS（zero voltage switch）。其中，L1、L2为耦合电感，“·”标识的一侧为同名端。开关管Sc和电容Cc构成有源箝位模块；电感L2、电容C1、Cc和二极管D1构成电压倍增器模块1；电感L2、电容C2和二极管D2构成了电压倍增器模块2。

图1　微逆变器主电路结构Fig.1　Main circuit structure of micro-inverter

后级为全桥逆变电路。采用单电感滤波器L；其中桥臂上下管互补开通：Q1、Q4动作一致，Q2、Q3动作一致；电路工作在双极性模式。控制系统通过软件锁相实现并网，同时加入电压外环控制两级间电容C0两端电压恒定，并且利用重复控制提高并网电流品质。

图2给出了前级开关时序。与图2各时段对应的电路各个模态的工作状态示意如图3所示。其中，耦合电感由理想变压器、励磁电感Lm和漏感Lk等效。

图2　前级DC/DC变换器开关时序Fig.2　Switching sequence of DC/DC converter

各个子区间的主要工作过程如下。

子区间1（t0～t1）：开关管S导通，Sc关断，输入电压Vin加在励磁电感Lm和漏感Lk上。同时，能量通过耦合电感传递到电容C1和C2，具体表现为Cc通过D1、L2给C1充电，耦合电感L2通过D2给C2充电。输出二极管D0反偏。

子区间2（t1～t2）：二极管的反向恢复问题不仅会增加损耗，严重时还会影响电路的正常工作。针对该问题实验中合理配置电容Cc和C1的大小，确保在开关管S关断前Cc通过D1、L2给C1充电结束（t1时刻）。由此实现了二极管D1在承受反向电压前电流自然降为0，大大减轻了关断时二极管的反向恢复问题，有效减小了开关损耗和电磁干扰。

子区间3（t2～t3）：在t2时刻，开关管S关断，漏感Lk和S的寄生电容Cs发生谐振，由于电容Cs很小，VCs迅速上升到VCc为止。与此同时D1反偏，耦合电感L2继续通过D2给C2充电。

子区间4（t3～t5）：在t3时刻，VCs上升到VCc，开关管Sc的反并联二极管导通，将S两端电压箝位在VCc。在t4时刻开关管Sc导通，由此实现了Sc的ZVS；耦合电感L2继续通过D2给C2充电，充电电流逐渐下降。

图3　DC/DC变换器各个模态工作状态Fig.3　Modal working states of DC/DC converter

子区间5（t5～t6）：在t5时刻，耦合电感L2的电流降为0，D2关断。此时耦合电感L1和L2的电压、电流均反向，二极管D0正偏导通。储存在C1和C2中的能量开始向负载传输，Cc上的充电电流iCc逐渐减小至0。

子区间6（t6～t7）：在t6时刻，Cc上的电流反向，Cc由充电状态转为放电状态，流过漏感Lk的电流逐渐减小。

子区间7（t7～t10）：在t7时刻，开关管Sc关断，主开关管S的寄生电容Cs向负载供电，因为Cs很小，S两端电压快速下降。在t8时刻，开关管S并联电容上的能量释放完毕，其两端电压降为0，此时S两端的反并联二极管导通，为实现零电压开通创造了条件。在t9时刻，开关管S导通，实现了零电压开通，漏感Lk两端电压保持高电位，流过漏感的电流继续上升，流过二极管D0的电流减小。

子区间8（t10～t12）：在t10时刻，开关管S的电流反向，流过漏感的电流继续上升，流过L2的电流减小。在t11时刻，流过L2的电流自然降为0，D0实现了零电流关断；二极管D1导通，漏感Lk上的电压减小。直到t12时刻，漏感上的电压减小到可以使电感L2上的电压大于电容C2上的电压，二极管D2导通，电路重新回到子区间1的工作状态。

1.2软开关

由上述工作过程的分析中可见，箝位开关管Sc的零电压开通比较容易实现。在主开关S关断时，它两端产生的电压尖峰会使Sc的反并联二极管开通，并把主开关两端电压箝位在VCc。这样Sc在实现软开关的同时还限制了主开关管的电压应力。而要实现主开关S的零电压开通，需确保在S的驱动信号到达开关管的开通阈值之前，储存在电容Cc中的能量衰减至0，这样S的反并联二极管才会开通。因此要满足条件：箝位开关管关断时，储存在漏感中的能量要大于储存在主开关管并联电容上的能量，其表达式为

由于漏感LK的存在，二极管D0和D2的电流下降斜率受到限制；通过合理配置电容Cc和C1的大小，确保在开关管S关断前，Cc通过D1、L2给C1充电结束，即二极管D1在承受反向电压前电流自然降为0。由此可见3个二极管的反向恢复问题均得到解决。

综上所述，开关管和二极管的损耗大大减小，前级DC/DC变换器的效率得到提升。

2　实验验证

为验证该微逆变器方案的可行性，设计了1台额定功率为300 W的光伏并网微逆变器实验样机。该微逆变器采用DSP2808进行全数字控制，前级为定频定占空比模式工作，后级应用软件锁相、电流内环、电压外环等软件控制方法实现逆变并网，并且特别在电流内环中加入重复控制以获得并网电流总谐波含量更低的并网电流波形。

逆变器输入电压Vin为45～50 V；升压后直流母线电压Vdc=345 V；输出电压Vgrid=220 V；输出频率f=50 Hz；前级固定开关频率100 kHz，固定占空比53%，死区时间200 ns；后级采用单电感滤波，滤波电感L=10 mH，开关频率为20 kHz。具体实验参数如下：DC/DC励磁电感Lm=43.3 μH；耦合电感变比为1∶2；漏感Lk=10 μH；DC/DC电容Cc=1 μF；电容C1=2.2 μF；电容C2=4.4 μF；直流母线电容C0= 940 μF。

图4给出了逆变器在额定功率时的并网电压电流波形。由实验波形可以看出，电网电压Ugrid和电网电流Ig同频同相；加入重复控制后并网电流波形正弦性较好，经Wavestar分析得出该电流THD 为1.3%。图5为效率曲线，该样机在额定功率300 W时的整机效率可达93.6%；在功率为额定功率的60%左右处效率达到最高，约为94%。图6为前级DC/ DC变换器中各器件的软开关波形。由图（a）、（b）可以看出，主开关管和箝位开关管都在DS两端电压降为0后才有驱动信号，实现零电压开通，大大减少了开关损耗；图（c）、（e）分别为前级二极管D0、D1、D2的电压电流波形，其中D0和D2都在电流自然降为0时开始承受反压，D1在电流降为0一段时间后开始承受反压。由此可见3个二极管的反向恢复问题都大大减轻。以上测量数据验证了重复控制算法及该微逆变器结构的优越性。

图4　逆变器并网电压电流波形Fig.4　Output voltage and current waveforms of micro-inverter

图5　效率曲线Fig.5 Efficiency curve

图6　DC/DC变换器各器件软开关波形Fig.6　Soft switching waveforms of DC/DC converter

3　结语

本文提出了一种新型两级式光伏并网微逆变器拓扑，分析了基于耦合电感、有源箝位和电压倍增器的高增益DC/DC电路的工作原理以及实现软开关、抑制二极管反向恢复获得高效率的条件；通过采用跟踪性更好的重复控制算法，提高了并网电流的品质。最后研制了1台300 W的微逆变器样机，通过实验验证了该电路拓扑具有优良的入网波形质量和高转换效率。

［1］王丽艳.光伏发电微逆变器的研究［D］.北京：北京交通大学，2014.Wang Liyan.The Research on Photovoltaic Micro Inverter ［D］.Beijing∶Beijing Jiaotong University，2014（in Chinese）.

［2］Wai R J，Lin C Y，Duan R Y，et al.High-efficiency DCDC converter with high voltage gain and reduced switch stress［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，2007，54（1）∶354-364.

［3］Zhao Y，Xiang X，Li C，et al.Single-phase high step-up converter with improved multiplier cell suitable for halfbridge-based PV inverter system［J］.IEEE Trans.Power Electron，2014，29（6）∶2807-2816.

［4］Hsieh Y P，Chen J F，Liang T J，et al.Novel high step-up DC-DC converter with coupled-inductor and switched-capacitor techniques［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，2012，59 （2）∶998-1007.

［5］Wai R J.High step-up converter with coupled-inductor ［J］.IEEE Trans.Power Electron，2005，20（5）∶1025-1035.

［6］Zhao Q，Lee F C.High-efficiency，high step-up DC-DC converters［J］.IEEE Trans.Power Electron，2003，18（1）∶65-73.

［7］李武华，吴建德，邓焰，等.一种适用于光伏并网发电系统的高增益ZVT交错并联Boost变换器［J］.电源学报，2007，5（3）∶187-192.Li Wuhua，Wu Jiande，Deng Yan，et al.A high step-up ZVT interleaved boost converter for photovoltaic grid-connectedsystem［J］.Journal of Power Supply，2007，5（3）∶187-192 （in Chinese）.

［8］Li W，Zhao Y，Wu J，et al.Interleaved high step-up converter with winding-cross-coupled inductors and voltage multiplier cells［J］.IEEE Trans.Power Electron，2012，27（1）∶133-143.

［9］Chen S M，Liang T J，Yang L S，et al.A cascaded high step-up DC-DC converter with single switch for microsource applications［J］.IEEE Trans.Power Electron，2011，26（4）∶1146-1153.

［10］Vinnikov D，Roasto I，Strzelecki R，et al.Step-up DC/DC converters with cascaded Quasi-Z-source network［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，2013，59（10）∶3727-3736.

［11］Liu Tuofu，Wang Zhengshi，Pang Jinyong，et al.Improved high step-up DC-DC converter based on active clamp coupled inductor with voltage multiplier cells［J］.Industrial Electronics Society，IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE∶864-869.

［12］陈瑞睿.光伏并网发电系统运行控制技术研究［D］.杭州：浙江大学，2013. Chen Ruirui.Research on Operation Control of Grid-connected Photovoltaic Power System［D］.Hangzhou∶Zhejiang University，2013（in Chinese）.

Research on High Efficient Micro PV Grid-connected Inverter with Low Input Voltage

ZHANG Xiaoling，WANG Huixin，MA Kaili，LIU Tuofu，WANG Zhengshi
（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Single PV cell’s output voltage is low，concerning this issue，a novel topology of single-phase PV gridconnected inverter with high efficiency is proposed.Its preceding stage is a high step-up DC/DC converter with softswitching technology.Using single inductor filter，software phase-locked loop（SPLL），repetitive control and voltage-loop control are adopted to achieve a high quality of grid-connected current in full bridge inverter.Correspondingly，a prototype whose rated power is 300 W is set up to verify theoretical analysis results.Test result shows that the total harmonic distortion（THD）of grid-connected current is 1.3%and the efficiency is 93.6%when the inverter successfully connects to grid with full load.

pv；micro inverter；high step-up DC/DC；soft switching；high efficiency