准单级交错并联反激式微型逆变器研究与测试*

韩天宝， 任一峰， 李　阳

(中北大学 电气与控制工程学院， 山西 太原 030051)

0　引　言

近年来， 随着煤炭和石油资源的过度开发和利用， 能源和环境问题越来越突出， 太阳能成为众多国家替代能源的首选. 光伏板产生的直流电， 通过逆变器被转化为交流电之后被送入电网. 传统的组串式结构光伏系统能源利用率低， 安装不便， 维护不易. 并网微型逆变器逐渐成为了光伏发电系统的研究热点[1]. 一台微型逆变器对应一块光伏电池板， 保证了光伏系统的每一块电池板都能在最大功率点(MPP)下工作， 提高了能源利用效率， 而且， 微型逆变器(Micro-inverter)具有安装方便， 维护简单， 逆变效率高， 可靠性好等特点.

在微型逆变器中逐渐采用了反激式DC-DC变换器结构， 提高了能源利用效率. 采用隔离型反激式逆变器结构会有漏感现象发生， 通常采用有源钳位电路来实现漏感能量的回收利用[2].

本文对高频隔离的反激式逆变器展开研究， 采用有源钳位电路， 提高能源效率. 反激式逆变器有3种工作模式： 电流临界模式(boundary conduction mode， BCM)， 电流断续模(discontinuous conduction mode， DCM)和电流连续模式(continuous conduction mode CCM)[3]. BCM模式需要采用变频控制， 实际应用会比较复杂； DCM模式电流峰值大， RMS高； CCM 虽结构简单， 效率高， 但稳定性较差. 虽然CCM控制频率低， 开关损耗小， 电流纹波少， 但在CCM工作模式下， 并网功率因素、 谐波畸变和并网电流输出波形不理想， 为了提高这几项参数， 本文提出了重复控制方法(repetitive controller， RC)[4].

在大多数的微逆设计中， DC控制电路部分的主控芯片都采用MPPT控制器实现功率输出的最大化[5]. 常采用的MPPT控制方法有： 扰动观察法(Perturb and Observe， P&O)和电导增量法(Incremental Conductance， INC)[6].

本文采用改进的扰动观察法(Perturbation and Observation method， P&O)提高MPPT追踪效率， 最终在一台250 W的试验样机上， 通过光伏模拟器和交流电源， 验证了该样机的静态MPPT效率为99.5%， 动态MPPT效率为98.5%， 转换效率为94.5%， 谐波畸变低于5%.

1　有源钳位反激式逆变电路

1.1　反激式逆变电路拓扑

高频准单级反激逆变器的电路结构简单， 只有一级的功率变换电路， 适用于小功率、 成本低的光伏系统[7]. 反激式拓扑结构由于转换效率高， 损耗小， 控制系统设计简单， 逐渐成为光伏微型逆变器的常用拓扑[2].

图 1　准单级反激式光伏微型逆变器拓扑Fig.1　Topology of Quasi-single-stage Microinverter

图 1 所示为微型光伏逆变器反激式结构的拓扑. 由光伏组件、 交错并联准单级反激电路和全桥变换电路组成. MOSFET开关管组成的两路开关分别控制两路DC-DC变换器. 每一路的开关采用同一驱动控制信号， 频率采用PWM调制， 实现高频隔离、 MPP跟踪. DC-DC变换电路采用高频链环节来提高能源转换效率， 后级全桥逆变电路由开关管VS1，VS2，QS1，QS2实现， 开关管控制信号频率与电网信号频率一致， 采用工频控制， 实现反激输出波形与电网电压的同步反转， 由馒头波反转为正弦波， 最后经由LC滤波电路汇入电网.

两路并联交错的反激式变换电路减少了输出电流脉动和总谐波失真(Total Harmonic Distortion， THD)， 提高了逆变器的电源转换效率； 采用两组控制开关， 对输入电流进行分流， 降低了每个开关的能量损耗和热损耗， 提高了系统的安全性和能源效率. 轻载时， 交错并联结构可使微逆只工作一路， 减小了开关损耗， 提高了系统效率.

1.2　反激式工作模式选择

效率和成本是考量微逆的两项重要因素[8]. 因此， 作为低成本、 简结构、 易控制的准单级反激式逆变电路成为微逆设计的首选， 通过控制方法和结构的优化来实现效率的最大化.

2　重复控制策略

利用内模控制原理， 重复控制技术在逆变器设计中可以消除周期干扰和减少输出电压和电流的谐波[9，10]. 内模数学模型描述的是一个周期性的信号,因而使得闭环控制系统能够无静差地跟踪周期信号. 重复控制的传递函数公式为

当输入信号以基波周期重复出现， 输出对输入信号的逐周期累加， 即使输入衰减至零， 内模仍然会持续不断地逐周期重复输出与上周期波形相同的信号. 将这个周期信号保持器引入到反馈控制系统内部， 通过补偿环节使系统稳定， 可在一个周期内跟踪给定并且消除扰动. 此控制器加入到光伏系统之后， 可一定程度上降低并网输出端电压和电流的干扰， 提高电网质量.

图 2　重复控制器框图Fig.2　Diagram of repetitive controller

3　改进的MPPT算法

图 3　改进的MPPT方法Fig.3　Flowchart of modified MPPT

恒定电压法是指光伏阵列达到最大输出功率时， 输出电压保持在一个稳定的值. 根据经验公式， 该值大约0.75～0.85 V[12]. 但是随着光强和温度的变化， 最大功率点的输出电压也会随之变化， 因此该方法虽控制简单， 追踪速度快， 但是精度较差[13].

扰动观察法(P&O)是最常用的MPPT算法之一[14]， 其原理是在系统内加入一个小的干扰， 观察干扰对输出电压的影响， 计算输出功率， 通过与上一时刻的功率进行比较来确定下次干扰的方向. 先增加DC-DC变化器的占空比D， 若光伏阵列的输出功率增加， 则增加占空比， 反之， 减小占空比. 占空比的变化值称为扰动步长Δd(步长增量).

本文采用恒定电压法和扰动观察法相结合的方法实现最大功率点的跟踪. 在逆变器启动阶段或者光强、 温度突然变化的时候， 采用恒定电压法U=0.8 V将输出电压控制在最大功率点经验值附近， 再采用扰动观察法进行判断. 该方法流程如图 3 所示.

4　实验结果与分析

4.1　实验参数选择

本文设计了一台250 W的实验样机. 实验参数为： 并网电压UAC=220 V； 并网频率fac=50 Hz； 逆变电路开关频率f=50 Hz； DC-DC开关频率fs=125 kHz. 本实验采用AMETECK的光伏模拟器和交流电源. 利用光伏模拟器测试了模拟一天的光照变化情况下的MPPT效率和功率. 在实验样机250 W的工作功率下， 测试了其静态MPPT效率， 采集并网输出电流和电压波形.

4.2　实验波形

图 4、 图 5 和图 6 分别是逆变器在功率为低功率(50 W)、 半功率(150 W)和满功率(250 W)各个阶段的MPPT追踪效果. 图中白曲线表示U-I曲线， 灰曲线代表P-U曲线， 白长条表示当前跟踪的点. 实验结果显示： 在低功率或满功率时， MPPT都取得了较好的结果， 都可以跟踪在最大功率点附近. 图 7 是在光伏模拟器设备下， 模拟逆变器一天工作当中的功率曲线. 图 7 显示微型逆变器在晴天工作条件下， 一天当中功率的追踪效果都很好， 保持了功率的最大输出.

图 4　P=50 W MPPT追踪曲线Fig.4　Curve of P=50 W MPPT

图 5　P=150 W MPPT 追踪曲线Fig.5　Curve of P=150 W MPPT

图 6　P=250 W MPPT追踪曲线Fig.6　Curve of P=250 W MPPT

图8和图9是逆变器接入电网时所测输出电网的并网波形，THD达到了预期效果，控制在5%以内.

图 7　MPPT晴天测试Fig.7　Sunny day test of MPPT

图 8　输出的电压电流波形Fig.8　Waveform of output voltage and output current

图 9　输出的谐波畸变Fig.9　THD of output

5　结　论

本文介绍了交错并联反激式微型逆变器的设计、 控制策略及MPPT控制方法. 交错并联反激式结构降低了DC-DC变换的能源损耗, 采用改进的扰动观察法， 提高了MPPT响应速度效率， 达到了99.5%. 采用重复控制方法， 很大程度上改善了逆变器并网电流的输出质量， THD不超过5%； 在保证输出波形质量的同时， 仍具有较高的转换效率， 达到了约94%左右. 测试的结果验证了实验样机投入实际生产的可行性.

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