0 引言

    在新能源領域，光伏發電是研究熱點之一^[1-3]。近年來，高轉換效率、高可靠性微型并網逆變器的研發受到了廣泛關注，但并網微型逆變器存在著提高轉換效率和改進可靠性、降低成本相互矛盾等關鍵技術問題。

    光伏系統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，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DC/AC向電網傳輸能量，該架構結構簡潔。由于連接方式為串聯，組件受陰影或灰塵影響較大，進而導致性能下降，整個系統的性能和轉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，但系統效率也由于兩級轉換而降低。(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換為交流進行能量傳輸。微型逆變器被認為是光伏發電領域未來的發展趨勢之一^[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換效率并且在應用上也具有很大的優勢，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來穩定電壓，實現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構^[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管組成的升降壓結構。利用這一技術可把電容值降低30倍,從3 mF降為0.1 mF。但是，逆變器系統總體效率低^[9]。其他類似的技術在文獻[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構在文獻[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穩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，轉換效率一定低于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雜，且只能應用于傳輸電流非連續工作模式，實際應用中較難實現。

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

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構：兩路互補電流全隔離單級反激DC/AC轉換結構，如圖1所示。圖中開關管S₁、S₂和變壓器T₁構成逆變器的第一路電路，開關管S₃、S₄、變壓器T₂和一個升降壓模塊構成第二路電路。該拓撲結構應用NMOS開關器件S₂和S₄作為副邊開關器件，與傳統選擇二極管相比，這樣能降低功耗。

1.2 工作原理

    當S₁導通時，S₂關斷，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比，V_in是輸入電壓。當S₁關斷時，S₂導通，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。

    設穩定環境下逆變系統的輸入電流I_in為恒定值，輸出電流按正弦規律變化且可分解為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為正半周，即I₁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，相對穩定的外部環境下光伏電池板兩端即使不用并聯電容，其輸出電壓也是穩定的。實際上由于I₁和I₂都是不連續的高頻脈沖電流，故輸入端還需并聯一個小容值電容。

    如果在一個周期T內對I₁進行積分，就可得到：

    其中V_m是電網峰值電壓采樣得到，f是電網頻率。也就是說在每一個周期內，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

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計實現，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是由電網電壓用電阻分壓后得到，應用簡單的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換實現 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)。如果設置R₁=R₂=R₃，則V_SW2=(V_m-V_SW1)。

2.2 第二相電流向電網的能量傳輸

    由于I₁和電網電壓同相且呈現正弦半波波形，輸出電流I_o1通過開關S₅-S₈控制直接送到電網。如圖3所示，開關S₅和S₈的控制信號是相同的，S₆和S₇的控制信號是相同的。在電網正半周時S₅和S₈導通，S₆和S₇關斷。在電網負半周時，S₆和S₇導通，S₅和S₈關斷。

    第二路變壓器副邊電流I_link傳輸到電網則不同于I_o1的方式，將電流I_link先存儲在電容C_link上，再通過升降壓結構實現從電容C_link到C_out的電流傳輸轉換。升降壓模塊由電感L₁、L₂、電容C₁和開關Q₁、Q₂以及其控制子電路構成的，如圖3所示。

    開關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。如果每一級的轉換效率是95%，兩級轉換的總效率就是90.5%。本文所提出拓撲的轉換效率估算如下（滿載功率轉換情況下）：

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

3 系統并聯小薄膜電容設計分析

    逆變系統仍需并聯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定，保證MPPT一直處于正常狀態，而電容只有70 μF，可以直接用高可靠性的薄膜電容來實現。

4 仿真結果

    圖4(a)是V_SW2和V_SW1的仿真結果。圖4(b)為基于輸入直流40 V，輸出功率為250 W時輸出到交流電網的電流波形，它是基于圖4(a)的總體方案得到的仿真結果，結果表明輸出到交流電網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 結論

    本文提出一種采用兩相互補電流控制實現光伏并網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傳輸能量，不需要使用電解電容，僅并聯一個小薄膜電容即可實現光伏電池板兩端輸出電壓或工作電壓在相對穩定的外部環境下也保持穩定，保證了MPPT的實現和電池板輸出功率最大化，同時實現高可靠性和高轉換效率。

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作者信息:

傅  敏，嵇保健，黃勝明

（南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816）