基于反激拓扑的高效率太阳能微型单级并网逆变器

潘铭航，苏秀蓉，王正仕

（浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

由于传统石化能源极大地增加了温室效应及空气污染，太阳能、风能等可再生的清洁能源越来越受到人们的重视。太阳能微型并网逆变器是为每块太阳能电池板配备一个逆变器，构成一个相对独立的系统［1］。与应用于大型光伏发电的中央逆变器及组串式逆变器相比，太阳能微型逆变器实现了对每块太阳能电池板的最大功率点跟踪，有效地解决了因为太阳能板之间老化差异、乌云遮挡或存在污物等缘故对光伏阵列的影响，能提高整个系统的能源转化效率［2］。

太阳能微型逆变器并网可采用单级拓扑、两级拓扑和多级拓扑。单级拓扑直接将太阳能电池板的直流输出电压通过一级高频开关环节转化成交流电压。两级拓扑则是将太阳能电池板输出的直流低电压通过一级DC/DC环节变化到一个直流的高电压，再通过一级DC/AC环节并入电网［3］。由于单级拓扑并网方案只有一级高频开关电路，可以达到更高的效率。采用反激电路并通过电流峰值控制可以使电路工作于临界连续模式，原边开关管工作于准谐振模式，达到原边开关管的零电压开通，副边二极管的零电流关断，减少开关损耗［4-7］，且反激电路结构简单，非常适合应用于光伏并网微型逆变器中。

本研究详细分析该微型逆变器的结构、工作原理、工作过程，并给出控制框图，分析电流峰值控制中参考电流信号与并网输出电流的关系，最后搭建100 W的实验样机，给出实验波形。

1 电路结构及控制

基于反激拓扑的单级并网方案如图1所示。图1中，Step1虚线框中电路为反激电路，Step2虚线框中电路为晶闸管桥臂换相电路。

图1 微型逆变器主电路

电路的控制框图如图2所示。

图2 电路的控制框图

本研究通过采样太阳能电池板的输出电压和输出电流，检测太阳能电板输出功率的大小，再通过采样电网电压，根据电网电压的幅值和相位根据MPPT算法和PLL（Phase Lock Loop）计算出参考电流Iref［8-10］，电路各阶段近似波形如图3所示。

图3 电路各阶段近似波形

Iref为100 Hz的正弦馒头波作为反激开关管电流控制的参考信号，即系统当Imos电流到达Iref值时关断开关管，当检测Is过零时开通开关管，在Stage1通过反激变换器使得C上电压幅值为与电网电压幅值相当的正弦馒头波，再在Stage2经晶闸管桥臂换相成正弦交流电压，再经过LC滤波环节并入电网。

2 电路的分析与计算

2.1 参考电流值与并网输出电流的关系

由于控制输出电流与电网电压同频同相以及对最大功率点的跟踪都与Iref有关，本研究对开关管电流控制信号Iref与输出电流Io及输出功率Po的关系进行推导。电网输出电压vgs i nθ，θ=ωt，ω=2πf则在晶闸管换相之前，C上电压可近似为vg|s i nθ|，为了方便计算，本研究将其写成vgs i nθ，θ∈[0,π]，为了使滤波后的输出电流与电网电压同频同相，则应有反激输出电流峰值构成的即包络线Is(t)=Ips·s i nθ，设变压器原副边匝比为1∶N，则原边电流峰值构成的包络线Ipp(t)=N·Ips·s i nθ=Iref·s i nθ，假设在一个开关周期内电网电压，太阳能电池板电压基本保持不变，反激电路工作于临界连续模式时，开关管电流达到包络线即峰值电流时间Ton，副边电流过零时间Toff分别为:

开关周期时间为:

对副边输出电流取平均值，得输出电流为:

进而得输出功率为:

2.2 最大功率点跟踪算法

由式（6）可得，输出功率除了与Iref值有关，还与太阳能电池板电压和电网电压有关，本研究通过在工频周期内取足够数量的点采样太阳能电池板的输入电压及输出电流取平均值，以计算太阳能电池板的输出功率，再在电网电压相位达到峰值点附近时采样电网峰值电压，通过与之前存储的功率进行比较，以确定Iref值变化的方向，从而调节MPPT点。

3 实验结果及分析

根据以上的分析计算，笔者得到如图1所示的太阳能微型并网逆器的各电路参数为:Lr=0.12μH，Lm=5.45 μH ，Cs=9.4 nF，Cr=0.1 nF，C=47 nF，Cf=220 nF ，Lf=500 μH ，变压器原副边匝比为1∶6。

通过以上数据可使反激电路工作于准谐振模式，即当副边整流二级管电流过零关断时，变压器原边励磁电感和漏感与开关管两端电容及副边反射回来的电容一起参与谐振，当开关管DS两端寄生电容上的电压谐振为零时，开通开关管。

实验中，本研究采用3节串联的12 V的蓄电池模拟光伏太阳能电池板输入，输出并入电网，截取了电路工作于90 W时的实验波形，示波器各通道探头的设置直接编辑于图上，开关管上波形如图4所示。

图4 开关管DS及GS两端电压波形

在开关管开通信号来临之前，Vds两端电压已降为零，开关管零电压开通，由于本研究将半控型的晶闸管用于电网电压过零换相，在过零点留有一定量的死区，这样可以保证晶闸管在电网电压过零时能有效的自然关断。输出并网电压并网电流波形如图5所示，并网电流与电网电压同频同相，在90 W时效率达到91%。因为晶闸管在过零点时自然关断，不可控，在过零点时电流有一定的畸变。

图5 并网电压及并网电流波形

4 结束语

本研究详细分析了基于反激拓扑的光伏微型并网逆变器的工作原理，给出了电流控制信号与并网输出电流波形及输出功率的关系函数，分析了MPPT下的电流参考信号控制，搭建了100 W的实验样机，通过合理地设计反激变压器，使得反激电路工作于准谐振模式，使得反激原边开关管能够工作在最低电压开通，降低了开通损耗；采用单级并网方案，使得并网侧功率器件工作在低频模式，没有开关损耗。

笔者通过实验有效地证明了上述两点。该结果在微型逆变器的设计中有较大参考价值。

（References）:

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