DSP的有源钳位反激式光伏并网逆变器设计*

汲德明，任一峰，韩天宝，李阳

(中北大学 计算机与控制工程学院，太原 030051)

DSP的有源钳位反激式光伏并网逆变器设计*

汲德明，任一峰，韩天宝，李阳

(中北大学 计算机与控制工程学院，太原 030051)

本文设计了一套以TI公司的TMS320F28335浮点型DSP为控制核心的单相光伏并网微型逆变器，光伏电池输出的直流电经交错并联反激式变换器转换为2倍于电网频率的正弦双半波电流，再用极性反转桥将正弦双半波电流转换为与电网同频同相的交流电并入电网。采用有源钳位电路能使MOSFET管实现零电压开关(ZVS)。提出的一种改进型扰动观察法，可提高MPPT效率。样机实验波形表明，该光伏逆变器输出电流谐波含量较少，能够向电网输送高质量的电能。

TMS320F28335；有源钳位电路；反激式变换器；光伏并网逆变器

引 言

随着能源枯竭与环境污染的日益加重，新能源的利用引起了人们的关注。光伏并网发电系统以其体积小、便于维护和污染小等优点成为解决能源危机的理想方案之一[1]。

本文以TI公司的TMS320F25335DSP为控制核心，设计了一套功率为248 W微型光伏并网逆变器，采用有源钳位电路吸收反激式变压器的漏感；全桥逆变电路采用SPWM技术进行控制；锁相环采用DSP软件锁相控制[2]。

经过试验验证,该逆变器符合GB/T 30427-2013标准。

1 微逆变器系统电路拓扑结构

反激式变换器输出的峰值功率等于并网逆变器输出的峰值功率，采用交错并联方式时变压器的峰值功率能成倍减小，从而减小变压器的体积和磁芯损耗。交错并联方式还能使变压器副边等效开关频率成倍提高，减小输出滤波器体积和输出电流高频纹波。交错并联反激式光伏并网逆变器拓扑如图1所示。

图1 交错并联反激式光伏并网逆变器拓扑

有源钳位交错并联反激式光伏并网逆变器的拓扑：两个交错并联反激变换器分别为Flyback1和Flyback2，其相位相差180°，利用高频斩波升压，将光伏电池板的直流电转换为2倍于电网频率的正弦双半波电流，再由后级极性反转桥将双半波电流转换为与电网同频同相的交流电；有源钳位能够吸收反激式变压器的漏感；采用LC滤波[3]。

2 有源钳位电路工作原理

反激式变换电路中变压器的漏感会使开关器件在关断时形成高峰电压，极大地增加了开关器件的电压应力，严重时会击穿开关器件。然而当电路中增加有源钳位电路后则能回收漏感，使本来对电路有危害的能量反馈给输入端，提高变换器转换效率[4]。

本设计采用的低边有源钳位电路，在一个开关周期内，有源钳位电路可以分为 6 个工作状态，各阶段等效电路如图2所示。其中，VPV为光伏电池输出电压，主开关管Q1为N沟道MOSFET；辅助开关管Q2为P沟道MOSFET，T为反激变压器，Lleakage为漏感，Cclamp为钳位电容，VD为二次侧续流二极管，VD1和VD2为MOS管的并联二极管，C1和C2为MOS管的并联电容，C为二次侧储能电容，R为负载。

图2 有源钳位反激电路关键波形

① 模态1[t0,t1]：t0时刻Q1开通、Q2关断，变压器T输出电压为负，二极管D反向偏置。此间，输出电容提供负载所需能量。有源钳位反激变换器工作模态如图3所示。

图3 有源钳位反激变换器工作模态

② 模态2[t1,t2]：t1时刻Q2关断，Lleakage、Lm和C1发生谐振，利用励磁电流给结电容C1充电，直到t2时刻上升到PVinput+Vout/N(即PV输入电压与整流折射电压的和，N是T的匝数比))。在此期间，T输出端电压由正转负，输出二极管D正向偏置，磁芯中存储的能量通过VD2传到次级，为C充电并给负载提供能量。

③ 模态3[t2,t3]：t2时刻VD1导通，辅助Q2能在零电压下导通。又Cclamp≫C1，在此期间Lleakage、Lm和Cclamp发生谐振，给Cclamp充电。随着钳位电容两端电压升高，变压器二次感应电压随之缓慢上升，当超过瞬时电网电压时，变压器二次侧VD导通。

④ 模态4[t3,t4]：t3时刻VD导通，Lleakage和Cclamp发生谐振，使电流iL由正变负，二次侧输出电流由于受到Lm影响以正弦规律变化。iL方向在改变之前Q2导通，即实现ZVS。

⑤ 模态5[t4,t5]：t4时刻Q2关断，使Cclamp关断，同时Lm和C1发生谐振，变压器一次侧电压仍被大电网钳制，当流经Lm的电流等于流经Lleakage的电流时，变压器二次侧电流较少至零，VD反向截止。

⑥ 模态6[t5,t6]：t5时刻Lm和C1发生谐振，C1开始放电，C2开始充电，当C1放电等于零时，VD1导通，为Q1的零电压导致提供条件。至此Q1开通后，完成一个开关周期，t6时刻开始重复以上过程。

3 变步长扰动观察MPPT算法

MPPT是光伏电池和反激变换器之间的控制算法，当外界因素(光照、温度等)发生变化时，能使DC-DC转换器工作在MPPT处。扰动观察法相对于其他MPPT控制算法，控制策略简单高效，且成本相对较低。为解决扰动观察法存在跟踪速度与控制精度之间的矛盾，本文提出一种简单高效的变步长扰动观察法，其控制思想是将步长设定在一定范围内，不仅能防止步长过小影响跟踪速度，还能防止步长过大影响控制精度[5]。光伏电池输出功率P与占空比D关系如图4所示。

图4 光伏电池输出功率P与占空比D关系

由图4可知， |dP/dD|的取值会随着接近最大功率点处而减小，因此可得实时步长为：d(k+1)=ε|ΔP|/d(k) ，式中：d(k+1)为占空比D的调整步长，ε为灵敏度系数[6]。

由上式可知，扰动步长随着ΔP的减小而减小；当ΔP较大时，扰动步长会增大，由此可以较快地实现MPPT。ε反映了控制精度，ε越大时控制精度越高，ε取值应根据当前系统的需求选取。

变步长扰动观察法的算法流程图如图5所示。首先，检测当前光伏电池输出工作电压U(k)、工作电流I(k)，计算得出输出功率P(k)，与前一时刻的输出功率P(k-1)比较得ΔP=P(k)-P(k)。当ΔP>0，继续当前扰动方向，当ΔP<0时，改变当前扰动方向；变量flag代表扰动步长的符号位，决定了占空比D 的扰动方向，取-1或1[7]。变步长扰动观察法流程图如图5所示。

图5 变步长扰动观察法流程图

同时改变温度和光照强度后，从图6的仿真结果可知系统在0.06 s左右搜索到MPP，并保持稳定。光伏电池的输出电压和输出电流，在系统到达MPP后也保持稳定状态。

图6 光伏电池输出功率、电压、电流仿真波形

4 系统硬件实现

反激式变换器高频为高频环节，采用PWM方式控制，开关频率为100 kHz；全桥逆变为工频频率，采用双极性SPWM方式控制。其中开关器件需要进行隔离驱动[8]。系统硬件结构如图7所示。

图7 系统硬件结构

4.1 去耦电容设计

由于光伏电池板输入端需要加去耦电容以降低光伏电池板的纹波电压，实现最大功率利用率[9]。光伏电池板纹波电压越大，系统工作点离MPP越远，纹波电压公式：

(1)

其中，α、β为二阶泰勒多项式系数，KPV是利用因数，PMPP是光伏电池板最大输出功率，UMPP是最大输出电压。

由上所述得满足纹波规范的电容：

(2)

4.2 反激变压器设计

反激式变压器的匝数比关系式为：

(3)

式中电网尖峰电压UPEAK=311V，光伏电池板最小输出电压UPV=18V，由于有源钳位电路会在关断期间去除变压器磁芯的能量，选择占空比Dmax=0.75。为留出裕量，变压器匝数比N≈7，初级匝数为6[10]。

钳位网络的谐振频率为：

(4)

4.3 系统工作模式选择

反激式逆变器工作在DCM模式下控制简单、成本较低，在传统DCM模式中加入输出电流采样环节，取其绝对值与电流基准比较，再将误差经PI调节后与三角载波交接产生正弦脉冲波，由此改为闭环控制策略。SPLL由DSP的eCAP模块对电网电压信号进行软硬件交互效验，再通过数模转换，由软件实现锁相环[11]。DCM模式控制策略如图8所示。

图8 DCM模式控制策略

4.4 直流电压、电流采样电路

系统的采样电路通过电压和电流传感器检测到光伏电池板的的电压UPV和电流IPV信号，再经过信号调理电路送给DSP的A/D采样端口。直流电压、电流采样电路如图9所示。

图9 直流电压、电流采样电路

4.5 电网电压过零点采样电路

通过电压传感器检测电网电压Uac送到DSP的A/D端口，将电网电压值按比例输出给比较器，得到的偏差值经过限幅传送给DSP的CAP端口。当方波为上升沿时既认为此时电网电压过零点，DSP产生中断子程序会把正弦表复位，重复执行以上动作。电网电压过零点采样电路如图10所示。

图10 电网电压过零点采样电路

4.6 逆变输出电流检测电路

通过电流传感器检测到全桥逆变输出电流Iout，信号经过调理电路后被送入DSP的A/D转换端口[12]。逆变电流检测电路如图11所示。

图11 逆变电流检测电路

5 实验结果

基于以上理论分析，在实验室搭建一台以TMS320F28335为控制核心的248 W样机进行试验验证。逆变器输入直流电压为32 V，主开关频率为100 kHz，漏感Lleakage=1.3 mH，滤波电感Lf=1 mH，滤波电容Cf=10 μF。电网侧实际电压为238 V，电网电压频率50 Hz。

图12为反激式变压器初级电压up、次级电压us、输出电流is和电网电压ug波形。由图可知反激变换器输出电流为2倍于电网频率的正弦双半波(即“馒头波”)。

图12 反激变压器波形

对交错并联反激变换器其中一个有源钳位电路测试，如图13所示，由钳位管Q2开通与关断时刻的源漏电压与驱动波形可知，主开关关断瞬间的电压尖峰被抑制，同时电压也被钳位，基本实现了主开关管ZVS。

图13 有源钳位波形

经过反转桥再作滤波后，逆变器输出电流与电网电压并网波形呈现同频同相的正弦波，THD约为2.8%，如图14所示。

图14 逆变器输出电流与电网电压波形

图15 实测逆变器效率曲线

当逆变器并网后，测得不同输出功率的效率曲线如图15，满载时效率达到93.8%，半载功率也到达了90.5%。半载时效率相较于满载下降是由于磁芯损耗、驱动损耗等硬件消耗量增加所致。

结 语

[1] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 谭洋.基于DSP的光伏并网逆变器研制[D].成都：电子科技大学，2012.

[3] 古俊银，吴红飞，陈国呈，等. 软开关交错反激光伏并网逆变[J].中国电机工程学报，2011，36(1)：40-45.

[4] 王志彬.光伏微逆变器和优化器的研究[D].扬州：扬州大学，2013.

[5] Zhu Yanwei,Shi Xinchun,et al.Application of PSO algorithm in global MPPT for PV arry[J].Proceeding of the CSEE,2012,32(4):42-48.

[6] 陈令军，戴瑜兴，全慧敏.基于改进的扰动观察法在光伏发电MPPT中的应用[J].电源技术，2016，40(3)：614-616.

[7] Do H L.A soft-switching DC/DC converter with high voltage gain[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(5):1193-1200.

[8] 王佳美.基于TMS320F28335的并网微型逆变器的研制[D]. 天津：河北工业大学，2012.

[9] 张锦吉,王小彬,毛行奎.交错反激微功率光伏并网逆变器的设计[J].电力电子技术，2013,47(4)：43-45.

[10] 蓝舟.反激式光伏并网逆变器的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[11] 彭敏.反激型光伏并网微型逆变器研究[D].长沙：中南大学，2013.

[12] 王璐.微型光伏并网逆变器研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.

汲德明(硕士研究生)，研究方向为电气传动与控制、光伏并网微型逆变器；任一峰(教授)，研究方向为电气传动与控制、先进控制技术、复杂系统仿真与控制等。

Active-clamp Flyback Type PV Grid-connected Inverter Based on DSP

Ji Deming,Ren Yifeng,Han Tianbao,Li Yang

(School of Computer Science and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In the paper,a set of single-phase PV grid micro inverter with TI company TMS320F28335 floating-point DSP as the control core is designed.The DC output of photovoltaic cells is converted to 2 times the grid frequency sinusoidal double-half-wave current by staggered parallel flyback converter.And then the polarity reversal bridge will convert the sinusoidal double-half-wave current into AC power as the same frequency and phase with grid into the grid.The use of active clamp circuit enables the MOSFET to achieve zero voltage switching(ZVS).The improved perturbation observation method can improve the efficiency of MPPT.The experimental waveforms show that the PV inverter output current harmonic content is little,which can deliver high-quality electrical energy to the grid.

TMS320F28335;active clamp circuit;flyback converter;PV grid-connected inverter

山西省基础研究计划项目(2015011043)；中北大学自然科学研究基金项目(XJJ2016032)；中北大学研究生科技立项项目(20161353)。

TP334

A

迪娜

2016-12-19)