0 引言

    在新能源領(lǐng)域，光伏發(fā)電是研究熱點之一^[1-3]。近年來，高轉(zhuǎn)換效率、高可靠性微型并網(wǎng)逆變器的研發(fā)受到了廣泛關(guān)注，但并網(wǎng)微型逆變器存在著提高轉(zhuǎn)換效率和改進可靠性、降低成本相互矛盾等關(guān)鍵技術(shù)問題。

    光伏系統(tǒng)中電池板和逆變器的連接方式主要有三種^[4-6]。(1)將光伏電池板串聯(lián)，得到至少400 V以上的直流電壓，再接到一個集中逆變器，通過降壓實現(xiàn)DC/AC向電網(wǎng)傳輸能量，該架構(gòu)結(jié)構(gòu)簡潔。由于連接方式為串聯(lián)，組件受陰影或灰塵影響較大，進而導(dǎo)致性能下降，整個系統(tǒng)的性能和轉(zhuǎn)換效率都會受到影響甚至不能正常工作。(2)在單個的電池板上安裝獨立的DC/DC變換器，將電池板的直流低壓轉(zhuǎn)換為直流高壓，然后將直流高壓連接到集中逆變器。該方法克服第一種方法的某些缺點，但系統(tǒng)效率也由于兩級轉(zhuǎn)換而降低。(3)為解決上述問題，第三種微型逆變器得到了廣泛研究。對每一個電池板安裝一個微型逆變器，把單個電池板的直流低壓直接轉(zhuǎn)換為交流進行能量傳輸。微型逆變器被認為是光伏發(fā)電領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢之一^[4]。

    目前，兩級式微型逆變器總體效率很難達到95%以上。因此，對于輸出功率小于300 W的微逆變器，多采用單級轉(zhuǎn)換，文獻[5]介紹了一種隔離型反激拓撲，不僅可以提高逆變器轉(zhuǎn)換效率并且在應(yīng)用上也具有很大的優(yōu)勢，目前得到廣泛研究。文獻[7]給出了一種兩路全隔離單級反激拓撲，該拓撲采用電解電容并聯(lián)來穩(wěn)定電壓，實現(xiàn)MPPT。然而，電解電容的使用壽命短。

    延長逆變器壽命的有效途徑是應(yīng)用壽命較長的薄膜電容替換電解電容，但薄膜電容的容值較低，不能滿足典型功率在200 W的逆變模塊所需的容值。為了解決此矛盾，近年來眾多研究者提出了不同解決辦法^[8-11]，其原理都是利用額外電容作為儲能元件，存儲光伏電池輸出的過剩能量，再適時地把已存儲的能量釋放來彌補輸出能量不足的部分。Kyritsis提出了一種雙向的升降壓結(jié)構(gòu)^[8]，該電路中增加了儲能電容，并且增加了由一個電感和兩個開關(guān)管組成的升降壓結(jié)構(gòu)。利用這一技術(shù)可把電容值降低30倍,從3 mF降為0.1 mF。但是，逆變器系統(tǒng)總體效率低^[9]。其他類似的技術(shù)在文獻[10]中提出，盡管把電容值進一步降低，但峰值效率也下降到86.7%。一種三端口變壓器的單級反激拓撲結(jié)構(gòu)在文獻[11]中提出，是利用變壓器的第三級繞組端口和存儲電容來實現(xiàn)穩(wěn)定光伏電池工作電壓的目的。該研究中對于200 W的輸出功率，需用兩個40 μF的電容。盡管該文作者沒有說明具體轉(zhuǎn)換效率，但和文獻[8]相比，在存儲電容的充電和放電回路上都多用了控制開關(guān)，轉(zhuǎn)換效率一定低于90.5%。類似三端口逆變器拓撲在文獻[12]～文獻[15]中提出，存儲和釋放能量的控制方法過于復(fù)雜，且只能應(yīng)用于傳輸電流非連續(xù)工作模式，實際應(yīng)用中較難實現(xiàn)。

    本文在此基礎(chǔ)上提出一種全新兩路互補電流單級隔離反激拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用超小電容穩(wěn)定光伏電池工作電壓，可以使逆變器具有高轉(zhuǎn)換效率和高可靠性。

1 主電路原理

1.1 主電路拓撲

    本文提出了一種新型微型逆變電源拓撲結(jié)構(gòu)：兩路互補電流全隔離單級反激DC/AC轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中開關(guān)管S₁、S₂和變壓器T₁構(gòu)成逆變器的第一路電路，開關(guān)管S₃、S₄、變壓器T₂和一個升降壓模塊構(gòu)成第二路電路。該拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)用NMOS開關(guān)器件S₂和S₄作為副邊開關(guān)器件，與傳統(tǒng)選擇二極管相比，這樣能降低功耗。

1.2 工作原理

    當S₁導(dǎo)通時，S₂關(guān)斷，光伏板的能量先傳送到變壓器T₁的原邊，T₁副邊的正極電位等于V_o，負極電位是V_o+nV_in，其中，n是變壓器T₁副邊和原邊線圈匝數(shù)比，V_in是輸入電壓。當S₁關(guān)斷時，S₂導(dǎo)通，T₁原邊線圈上的能量傳送給輸出電容C_out。此時，S₁漏級電壓是V_in+V_o/n。S₃、S₄和T₂的工作原理與之相同，不同之處在于變壓器T₂的副邊輸出是連接到中間過渡電容C_link上。

    設(shè)穩(wěn)定環(huán)境下逆變系統(tǒng)的輸入電流I_in為恒定值，輸出電流按正弦規(guī)律變化且可分解為I₁+I₂，I₁為第一路的輸入電流，I₂為第二路的輸入電流。

    其中，f是電網(wǎng)頻率，t是時間。絕對值表示I₁和I₂恒大于零，把正弦波的負半周變?yōu)檎胫埽碔₁和I₂的頻率是2f。那么，電池板的總負載電流是：

    由上式可得出：逆變系統(tǒng)輸入電流I_in和電路輸入電流I₁+I₂是相等的。因此，理論上來說，相對穩(wěn)定的外部環(huán)境下光伏電池板兩端即使不用并聯(lián)電容，其輸出電壓也是穩(wěn)定的。實際上由于I₁和I₂都是不連續(xù)的高頻脈沖電流，故輸入端還需并聯(lián)一個小容值電容。

    如果在一個周期T內(nèi)對I₁進行積分，就可得到：

    其中V_m是電網(wǎng)峰值電壓采樣得到，f是電網(wǎng)頻率。也就是說在每一個周期內(nèi)，V_SW1大，V_SW2就小，反之亦然。在任何時刻，V_SW1+V_SW2=V_m恒定不變。

2 低輸入紋波微逆變器控制技術(shù)

2.1 兩路互補電流控制信號基準的生成

    兩路互補電流控制信號基準的生成用模擬集成電路來設(shè)計實現(xiàn)，這一算法控制功能是不難做到的，原理框圖如圖2所示。圖中第一路電流控制信號的基準電壓V_SW1是由電網(wǎng)電壓用電阻分壓后得到，應(yīng)用簡單的ADC可得到V_SW1的峰值V_m。再利用差分放大器、電流鏡和減法器等轉(zhuǎn)換實現(xiàn) V_SW1+V_SW2=V_m的功能，求得V_SW2。

    如圖2所示，V_m和V_SW1分別連接到兩個誤差放大器的負端，兩個誤差放大器的正輸入端分別連接到電阻R₁和R₂。

    由于放大器的特性，V₁=V_m，V₂=V_SW1成立。MP1和MP2，MP3和MP4，MN7和MN8分別構(gòu)成鏡像電流源，即流過MP2的電流和流過MP1的電流相同，得I_MP2=V₁/R₁=V_m/R₁，I_MN7=V_SW1/R₂。因此，電阻R₃上的壓降V_SW2=R₃(I_MP2-I_MN7)=R₃(V_m/R₁-V_SW1/R₂)。如果設(shè)置R₁=R₂=R₃，則V_SW2=(V_m-V_SW1)。

2.2 第二相電流向電網(wǎng)的能量傳輸

    由于I₁和電網(wǎng)電壓同相且呈現(xiàn)正弦半波波形，輸出電流I_o1通過開關(guān)S₅-S₈控制直接送到電網(wǎng)。如圖3所示，開關(guān)S₅和S₈的控制信號是相同的，S₆和S₇的控制信號是相同的。在電網(wǎng)正半周時S₅和S₈導(dǎo)通，S₆和S₇關(guān)斷。在電網(wǎng)負半周時，S₆和S₇導(dǎo)通，S₅和S₈關(guān)斷。

    第二路變壓器副邊電流I_link傳輸?shù)诫娋W(wǎng)則不同于I_o1的方式，將電流I_link先存儲在電容C_link上，再通過升降壓結(jié)構(gòu)實現(xiàn)從電容C_link到C_out的電流傳輸轉(zhuǎn)換。升降壓模塊由電感L₁、L₂、電容C₁和開關(guān)Q₁、Q₂以及其控制子電路構(gòu)成的，如圖3所示。

    開關(guān)Q₁、Q₂的控制信號也是SPWM形式。當C_link的電壓小于C_out的電壓時，電流傳輸是升壓方式；當C_link的電壓大于C_out的電壓時，是降壓方式。從而C_link上的電壓在C_out電壓的平均值上下波動。如果每一級的轉(zhuǎn)換效率是95%，兩級轉(zhuǎn)換的總效率就是90.5%。本文所提出拓撲的轉(zhuǎn)換效率估算如下（滿載功率轉(zhuǎn)換情況下）：

    第一路電流對總轉(zhuǎn)換效率的貢獻是63.7%×95%=60.52%；第二路電流對總轉(zhuǎn)換效率的貢獻是(1-0.637)×95%×95%=32.76%；總轉(zhuǎn)換效率是60.52%+32.76%=93.28%。

3 系統(tǒng)并聯(lián)小薄膜電容設(shè)計分析

    逆變系統(tǒng)仍需并聯(lián)一個小容值的薄膜電容，該電容容值大小由式(9)決定：

    因此，電池板上的電壓波動只有工作電壓的0.5%，即電池板電壓基本穩(wěn)定，保證MPPT一直處于正常狀態(tài)，而電容只有70 μF，可以直接用高可靠性的薄膜電容來實現(xiàn)。

4 仿真結(jié)果

    圖4(a)是V_SW2和V_SW1的仿真結(jié)果。圖4(b)為基于輸入直流40 V，輸出功率為250 W時輸出到交流電網(wǎng)的電流波形，它是基于圖4(a)的總體方案得到的仿真結(jié)果，結(jié)果表明輸出到交流電網(wǎng)的電流波形是完美的正弦波，驗證了本研究的正確性和可靠性。

5 結(jié)論

    本文提出一種采用兩相互補電流控制實現(xiàn)光伏并網(wǎng)微型逆變電源高效率和高可靠性的方法。該方法通過對兩相輸出電流疊加后向電網(wǎng)傳輸能量，不需要使用電解電容，僅并聯(lián)一個小薄膜電容即可實現(xiàn)光伏電池板兩端輸出電壓或工作電壓在相對穩(wěn)定的外部環(huán)境下也保持穩(wěn)定，保證了MPPT的實現(xiàn)和電池板輸出功率最大化，同時實現(xiàn)高可靠性和高轉(zhuǎn)換效率。

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作者信息:

傅  敏，嵇保健，黃勝明

（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816）