低輸入電壓高效率并網(wǎng)微逆變器的研究

張曉玲，王慧馨，馬凱莉，劉拓夫，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

低輸入電壓高效率并網(wǎng)微逆變器的研究

張曉玲，王慧馨，馬凱莉，劉拓夫，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

針對單個(gè)光伏電池輸出電壓較低這一問題，提出了一種低輸入電壓、高效率的單相兩級光伏并網(wǎng)微逆變器拓?fù)?。該拓?fù)淝凹壊捎靡环N高效率的高增益DC/DC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)；后級為全橋逆變結(jié)構(gòu)，采用單電感濾波，應(yīng)用軟件鎖相和重復(fù)控制電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)等軟件控制方法實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)。研制了一臺額定功率為300 W的單相光伏并網(wǎng)微逆變器。經(jīng)測試，該逆變器滿載時(shí)并網(wǎng)電流總諧波含量（THD）為1.3%，效率為93.6%，驗(yàn)證了所提拓?fù)涞目尚行耘c有效性。

光伏；微逆變器；高增益DC/DC；軟開關(guān)；高效率

引言

隨著太陽能應(yīng)用的不斷加深，光伏逆變器迅速發(fā)展。微逆變器也因具有高可靠性、高效率、易擴(kuò)展、易安裝等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的關(guān)注［1］。而要實(shí)現(xiàn)單個(gè)光伏電池的低輸出電壓到逆變器高輸入電壓的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的Boost電路并不能滿足要求［2］，因此多種高增益高效率的DC/DC變換器拓?fù)湟矐?yīng)運(yùn)而生。

為提高變換器增益，在電路中加入電壓倍增器模塊是一種可行的方法［3，4］。同時(shí)，該方法可以減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，減輕二極管反向恢復(fù)問題；但是增益越高需要的電容和二極管的數(shù)量就越多，電路結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜。另一種提高變換器增益的方法是在Boost變換器中加入耦合電感［5，6］，該方法電路結(jié)構(gòu)簡單并且開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，但是由于耦合電感存在漏感，需要加入有源箝位電路抑制在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)引起的電壓過沖，并且二極管仍面臨較高的電壓應(yīng)力。還有一種思路是采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost升壓變換器［7，8］，其開關(guān)管電壓應(yīng)力低，二極管反向恢復(fù)問題也因漏感存在大大減輕，然而它需要更多的功率器件和磁性元件。級聯(lián)型變換器也可以實(shí)現(xiàn)高增益［9，10］，并且效率高、輸入電流紋波小，但元器件數(shù)量多，控制較為復(fù)雜，而且開關(guān)管的電壓應(yīng)力也比較高。

本文采用的DC/DC變換器包含電壓倍增器模塊、耦合電感和有源箝位模塊［11］。它可以用相對較少的元器件實(shí)現(xiàn)更高的升壓比，又可有效減小開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力；通過合理利用漏感可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，大大減輕二極管的反向恢復(fù)問題，從而實(shí)現(xiàn)高效率。從拓?fù)涮匦陨峡?，該拓?fù)浞浅＿m合用于實(shí)現(xiàn)低輸入電壓高效率的微型逆變器。

1　電路分析

1.1電路結(jié)構(gòu)及工作過程分析

本文提出的微逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。前級為耦合電感高增益升壓DC/DC變換器，它在傳統(tǒng)的BOOST電路基礎(chǔ)上增加了耦合電感和2個(gè)電壓倍增器模塊，由此可在占空比相同的情況下獲得更高的升壓比。同時(shí)，增加有源箝位模塊以重復(fù)利用漏感能量減小開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓沖擊，并且實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通ZVS（zero voltage switch）。其中，L1、L2為耦合電感，“·”標(biāo)識的一側(cè)為同名端。開關(guān)管Sc和電容Cc構(gòu)成有源箝位模塊；電感L2、電容C1、Cc和二極管D1構(gòu)成電壓倍增器模塊1；電感L2、電容C2和二極管D2構(gòu)成了電壓倍增器模塊2。

圖1　微逆變器主電路結(jié)構(gòu)Fig.1　Main circuit structure of micro-inverter

后級為全橋逆變電路。采用單電感濾波器L；其中橋臂上下管互補(bǔ)開通：Q1、Q4動(dòng)作一致，Q2、Q3動(dòng)作一致；電路工作在雙極性模式?？刂葡到y(tǒng)通過軟件鎖相實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，同時(shí)加入電壓外環(huán)控制兩級間電容C0兩端電壓恒定，并且利用重復(fù)控制提高并網(wǎng)電流品質(zhì)。

圖2給出了前級開關(guān)時(shí)序。與圖2各時(shí)段對應(yīng)的電路各個(gè)模態(tài)的工作狀態(tài)示意如圖3所示。其中，耦合電感由理想變壓器、勵(lì)磁電感Lm和漏感Lk等效。

圖2　前級DC/DC變換器開關(guān)時(shí)序Fig.2　Switching sequence of DC/DC converter

各個(gè)子區(qū)間的主要工作過程如下。

子區(qū)間1（t0～t1）：開關(guān)管S導(dǎo)通，Sc關(guān)斷，輸入電壓Vin加在勵(lì)磁電感Lm和漏感Lk上。同時(shí)，能量通過耦合電感傳遞到電容C1和C2，具體表現(xiàn)為Cc通過D1、L2給C1充電，耦合電感L2通過D2給C2充電。輸出二極管D0反偏。

子區(qū)間2（t1～t2）：二極管的反向恢復(fù)問題不僅會(huì)增加損耗，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響電路的正常工作。針對該問題實(shí)驗(yàn)中合理配置電容Cc和C1的大小，確保在開關(guān)管S關(guān)斷前Cc通過D1、L2給C1充電結(jié)束（t1時(shí)刻）。由此實(shí)現(xiàn)了二極管D1在承受反向電壓前電流自然降為0，大大減輕了關(guān)斷時(shí)二極管的反向恢復(fù)問題，有效減小了開關(guān)損耗和電磁干擾。

子區(qū)間3（t2～t3）：在t2時(shí)刻，開關(guān)管S關(guān)斷，漏感Lk和S的寄生電容Cs發(fā)生諧振，由于電容Cs很小，VCs迅速上升到VCc為止。與此同時(shí)D1反偏，耦合電感L2繼續(xù)通過D2給C2充電。

子區(qū)間4（t3～t5）：在t3時(shí)刻，VCs上升到VCc，開關(guān)管Sc的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，將S兩端電壓箝位在VCc。在t4時(shí)刻開關(guān)管Sc導(dǎo)通，由此實(shí)現(xiàn)了Sc的ZVS；耦合電感L2繼續(xù)通過D2給C2充電，充電電流逐漸下降。

圖3　DC/DC變換器各個(gè)模態(tài)工作狀態(tài)Fig.3　Modal working states of DC/DC converter

子區(qū)間5（t5～t6）：在t5時(shí)刻，耦合電感L2的電流降為0，D2關(guān)斷。此時(shí)耦合電感L1和L2的電壓、電流均反向，二極管D0正偏導(dǎo)通。儲存在C1和C2中的能量開始向負(fù)載傳輸，Cc上的充電電流iCc逐漸減小至0。

子區(qū)間6（t6～t7）：在t6時(shí)刻，Cc上的電流反向，Cc由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，流過漏感Lk的電流逐漸減小。

子區(qū)間7（t7～t10）：在t7時(shí)刻，開關(guān)管Sc關(guān)斷，主開關(guān)管S的寄生電容Cs向負(fù)載供電，因?yàn)镃s很小，S兩端電壓快速下降。在t8時(shí)刻，開關(guān)管S并聯(lián)電容上的能量釋放完畢，其兩端電壓降為0，此時(shí)S兩端的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，為實(shí)現(xiàn)零電壓開通創(chuàng)造了條件。在t9時(shí)刻，開關(guān)管S導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，漏感Lk兩端電壓保持高電位，流過漏感的電流繼續(xù)上升，流過二極管D0的電流減小。

子區(qū)間8（t10～t12）：在t10時(shí)刻，開關(guān)管S的電流反向，流過漏感的電流繼續(xù)上升，流過L2的電流減小。在t11時(shí)刻，流過L2的電流自然降為0，D0實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷；二極管D1導(dǎo)通，漏感Lk上的電壓減小。直到t12時(shí)刻，漏感上的電壓減小到可以使電感L2上的電壓大于電容C2上的電壓，二極管D2導(dǎo)通，電路重新回到子區(qū)間1的工作狀態(tài)。

1.2軟開關(guān)

由上述工作過程的分析中可見，箝位開關(guān)管Sc的零電壓開通比較容易實(shí)現(xiàn)。在主開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，它兩端產(chǎn)生的電壓尖峰會(huì)使Sc的反并聯(lián)二極管開通，并把主開關(guān)兩端電壓箝位在VCc。這樣Sc在實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的同時(shí)還限制了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力。而要實(shí)現(xiàn)主開關(guān)S的零電壓開通，需確保在S的驅(qū)動(dòng)信號到達(dá)開關(guān)管的開通閾值之前，儲存在電容Cc中的能量衰減至0，這樣S的反并聯(lián)二極管才會(huì)開通。因此要滿足條件：箝位開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲存在漏感中的能量要大于儲存在主開關(guān)管并聯(lián)電容上的能量，其表達(dá)式為

由于漏感LK的存在，二極管D0和D2的電流下降斜率受到限制；通過合理配置電容Cc和C1的大小，確保在開關(guān)管S關(guān)斷前，Cc通過D1、L2給C1充電結(jié)束，即二極管D1在承受反向電壓前電流自然降為0。由此可見3個(gè)二極管的反向恢復(fù)問題均得到解決。

綜上所述，開關(guān)管和二極管的損耗大大減小，前級DC/DC變換器的效率得到提升。

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該微逆變器方案的可行性，設(shè)計(jì)了1臺額定功率為300 W的光伏并網(wǎng)微逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。該微逆變器采用DSP2808進(jìn)行全數(shù)字控制，前級為定頻定占空比模式工作，后級應(yīng)用軟件鎖相、電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)等軟件控制方法實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，并且特別在電流內(nèi)環(huán)中加入重復(fù)控制以獲得并網(wǎng)電流總諧波含量更低的并網(wǎng)電流波形。

逆變器輸入電壓Vin為45～50 V；升壓后直流母線電壓Vdc=345 V；輸出電壓Vgrid=220 V；輸出頻率f=50 Hz；前級固定開關(guān)頻率100 kHz，固定占空比53%，死區(qū)時(shí)間200 ns；后級采用單電感濾波，濾波電感L=10 mH，開關(guān)頻率為20 kHz。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：DC/DC勵(lì)磁電感Lm=43.3 μH；耦合電感變比為1∶2；漏感Lk=10 μH；DC/DC電容Cc=1 μF；電容C1=2.2 μF；電容C2=4.4 μF；直流母線電容C0= 940 μF。

圖4給出了逆變器在額定功率時(shí)的并網(wǎng)電壓電流波形。由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，電網(wǎng)電壓Ugrid和電網(wǎng)電流Ig同頻同相；加入重復(fù)控制后并網(wǎng)電流波形正弦性較好，經(jīng)Wavestar分析得出該電流THD 為1.3%。圖5為效率曲線，該樣機(jī)在額定功率300 W時(shí)的整機(jī)效率可達(dá)93.6%；在功率為額定功率的60%左右處效率達(dá)到最高，約為94%。圖6為前級DC/ DC變換器中各器件的軟開關(guān)波形。由圖（a）、（b）可以看出，主開關(guān)管和箝位開關(guān)管都在DS兩端電壓降為0后才有驅(qū)動(dòng)信號，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，大大減少了開關(guān)損耗；圖（c）、（e）分別為前級二極管D0、D1、D2的電壓電流波形，其中D0和D2都在電流自然降為0時(shí)開始承受反壓，D1在電流降為0一段時(shí)間后開始承受反壓。由此可見3個(gè)二極管的反向恢復(fù)問題都大大減輕。以上測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了重復(fù)控制算法及該微逆變器結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

圖4　逆變器并網(wǎng)電壓電流波形Fig.4　Output voltage and current waveforms of micro-inverter

圖5　效率曲線Fig.5 Efficiency curve

圖6　DC/DC變換器各器件軟開關(guān)波形Fig.6　Soft switching waveforms of DC/DC converter

3　結(jié)語

本文提出了一種新型兩級式光伏并網(wǎng)微逆變器拓?fù)?，分析了基于耦合電感、有源箝位和電壓倍增器的高增益DC/DC電路的工作原理以及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、抑制二極管反向恢復(fù)獲得高效率的條件；通過采用跟蹤性更好的重復(fù)控制算法，提高了并網(wǎng)電流的品質(zhì)。最后研制了1臺300 W的微逆變器樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路拓?fù)渚哂袃?yōu)良的入網(wǎng)波形質(zhì)量和高轉(zhuǎn)換效率。

［1］王麗艷.光伏發(fā)電微逆變器的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2014.Wang Liyan.The Research on Photovoltaic Micro Inverter ［D］.Beijing∶Beijing Jiaotong University，2014（in Chinese）.

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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

張曉玲

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.56

TM 464

A

張曉玲（1991-），女，碩士研究生，研究方向：LED驅(qū)動(dòng)和光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)，E-mail：21310045@zju.edu.cn。

王慧馨（1992-），女，碩士研究生，研究方向：開關(guān)電源相關(guān)，E-mail：252292792 5@qq.com。

馬凱莉（1987-），女，碩士研究生，研究方向：開關(guān)電源和光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)，E-mail：Makl_ee@126.com。

劉拓夫（1990-），男，碩士研究生，研究方向：開關(guān)電源和光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)，E-mail：549966962@qq.com。

王正仕（1965-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：包括新型高性能DC/DC變換器、逆變器的先進(jìn)數(shù)字控制、電動(dòng)汽車與新能源中電能變換與應(yīng)用，E-mail：wzs @zju.edu.cn。

2015-10-26

浙江省公益性工業(yè)技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015C31121）

Project Supported by Zhejiang Province Public Welfare Technology Industrial Research Project（2015C31121）