一種連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

0   引言

由于全球人口增長及工業(yè)化程度快速推進(jìn)，導(dǎo)致能源需求逐年快速增長^[1]。太陽能因?yàn)榫邆淝鍧?、存量巨大、可再生、易獲取等優(yōu)點(diǎn)成為新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^[2]。太陽能發(fā)電由光伏板和并網(wǎng)逆變器兩部分組成，其中并網(wǎng)逆變器作為太陽能發(fā)電的核心部件成為廣大科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)對象^[3]。按功率等級可將光伏逆變器分成兩種：分布式逆變器和集中式逆變器^[4]。相比集中式光伏并網(wǎng)逆變器，分布式光伏并網(wǎng)逆變器可靠性高、MPPT 效率高、擴(kuò)展靈活、安裝方便，因此分布式逆變器應(yīng)用廣泛。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，分布式光伏并網(wǎng)逆變器可分為推挽式、全橋式、半橋式及反激式等拓?fù)漕愋?。其中，基于反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度較高、輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在光伏并網(wǎng)逆變器中得到廣泛應(yīng)用^[5]。反激轉(zhuǎn)換器的工作模式可分為：斷續(xù)導(dǎo)電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）、臨界導(dǎo)電模式（Boundary Conduction Mode，BCM）^[6] 及連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）。本文首先分析了反激式DC-AC 逆變器三種不同工作模式，然后設(shè)計(jì)了一種連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器，設(shè)計(jì)了逆變器參數(shù)以及閉環(huán)控制策略；最后對設(shè)計(jì)的反激式DC-AC 逆變器進(jìn)行MATLAB/Simulink 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的反激式DC-AC 逆變器可正常運(yùn)行且符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1   反激式光伏并網(wǎng)逆變器原理分析

1.1 反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理分析

圖1（a）所示是一種升降壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器。當(dāng)開關(guān)管Sa 開通時，變壓器勵磁電流iL 等于is 并線性增加，二極管D 截止，電容C 提供負(fù)載電流iR 。當(dāng)開關(guān)管Sa 關(guān)斷時，電感L 通過二極管D 對負(fù)載供電的同時給電容C 充電， iL 下降。根據(jù)其工作過程，該升降壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器電路的變壓比。

圖1（b）所示為反激式DC-DC 轉(zhuǎn)換器，變壓器2個繞組的電感分別為L1 、L2 。開關(guān)管Sb 根據(jù)PWM 導(dǎo)通關(guān)斷。在Sb 導(dǎo)通時間T DT on s = 期間，電源VS 給原邊線圈L1 充電，電感電流i1 根據(jù)斜率線性上升，此時磁通增加，電感L1 的儲能增加，此時副邊繞組的感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，因此二極管D 截止，電容C 提供負(fù)載電流iR ；當(dāng)Sb 關(guān)斷時，電源VS 停止向電感L1 充電，此時電感L1 的磁通減小，根據(jù)楞次定律， L2 的感應(yīng)電壓反向，在Sb 關(guān)斷期間，二極管導(dǎo)通，變壓器原邊電感L1 通過L2 向負(fù)載供電。反激式DC-DC 轉(zhuǎn)換器與升降壓DC-DC 轉(zhuǎn)換器相同，在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲能，僅在開關(guān)管截止期間才將儲存的能量傳至負(fù)載。因此，當(dāng)不考慮變壓器匝比時，反激式轉(zhuǎn)換器可以等效為隔離式Buck-Boost 轉(zhuǎn)換器?？梢缘玫椒醇な睫D(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換比為：

圖1（b）所示反激式轉(zhuǎn)換器可以選擇不同的變比n，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V_O 高于或者低于電源電壓V_S 。因此可以通過選擇變壓器匝比來實(shí)現(xiàn)更寬的輸出電壓的范圍。由于反激式轉(zhuǎn)換器是靠變壓器繞組電感儲能，然后釋放能量對負(fù)載供電，因此經(jīng)常用于設(shè)計(jì)小于200 W的小功率DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

1.2 反激式DC-AC逆變器工作模式分析

如圖1 所示，在開關(guān)管S_b 關(guān)斷期間，二次側(cè)電感L2 的電流i₂ 下降，如果二次側(cè)電流i₂ 在開關(guān)管Sb 關(guān)斷期間沒有降低到零，則稱為連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）；如果副邊電流i₂ 在開關(guān)管S_b關(guān)斷期間剛好減小為0，則稱為臨界導(dǎo)電模式（Boundary Conduction Mode，BCM）；如果副邊電流i₂ 在開關(guān)管Sb 關(guān)斷期間未結(jié)束時就減小為0，則稱為斷續(xù)導(dǎo)電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。

如圖2 所示為光伏逆變器前級拓?fù)洌渲凶儔浩鱐R 變比為，原邊電感為Lp 。輸入電池電壓為VPV ，并網(wǎng)電流為i_grid sinθ 。當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)逆變器運(yùn)行時，反激式轉(zhuǎn)換器部分輸出電壓為整流電網(wǎng)電壓。由于輸出電流和電壓均和電網(wǎng)角度相關(guān)，所以每個開關(guān)周期原副邊電感的初始值ip0 均不等（如圖3 所示），每個開關(guān)周期內(nèi)變壓器磁通增加量不等于磁通量減小量，即ΔΦ ≠ ΔΦ' 。因此在逆變器中反激轉(zhuǎn)換器并沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也就是說：

如圖3 所示， 在0 ~ 區(qū)間內(nèi)， ΔΦ > ΔΦ' ； 在~ π 區(qū)間內(nèi)， ΔΦ < ΔΦ' 。因此我們可以認(rèn)為在π處ΔΦ = ΔΦ' ，因此可以得到：

此時，開關(guān)周期直流輸入功率即為輸出功率，即：

求解可得，當(dāng)逆變器工作于連續(xù)導(dǎo)電模式時，原邊電感電流峰值等于：

而當(dāng)逆變器工作于斷續(xù)導(dǎo)電模式時，每隔開關(guān)周期內(nèi)直流輸入的能量等于提供給電網(wǎng)側(cè)的能量，即：

由于此時i_p0 = 0 ，因此可得到：

而當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)逆變器工作于斷續(xù)導(dǎo)電模式的條件為：

即：

聯(lián)合式（3）求解可得工作于DCM 的條件為：

由上式可以看出，如果輸入電壓、變壓器參數(shù)、開關(guān)頻率不變，就可以使反激轉(zhuǎn)換器工作于斷續(xù)模式時能夠輸出的最大功率。

2   一種連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC逆變器設(shè)計(jì)

如圖4 所示為連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器中關(guān)鍵元器件包括：輸入電容Cin ，反激式變壓器TR ，主開關(guān)功率管Sp 和整流二極管D。

如圖5 所示為考慮變壓器原邊電感等效電阻R_p 、副邊電感等效電阻R_s 、差模電感等效直流電阻R_f 時的三階模型。對連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器三階模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建?？梢缘玫浇涣餍⌒盘柲Ｐ?，如式（11）所示。

由式（11）可推導(dǎo)得到輸出電流對占空比的傳遞函數(shù)：

其中， 。式中Rp 為變壓器原邊線圈串聯(lián)等效電阻， Rs 為副邊電感串聯(lián)等效電阻， Rf 為差模電感串聯(lián)直流等效電阻。

圖5 連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC逆變器三階模型

選取連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

由式（12）傳遞函數(shù)可得到所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器的右半平面零點(diǎn)：

由式（13）可知，占空比越大，右半平面零點(diǎn)越靠近虛軸，對逆變器的動態(tài)性能和帶寬影響越大。系統(tǒng)開環(huán)波特圖如圖6 所示?？梢钥吹?0 kHz 附近存在諧振點(diǎn)，且諧振點(diǎn)相角滯后較大。由圖6 可以發(fā)現(xiàn)諧振點(diǎn)尖峰與輸出電流成正比。因此我們選取輸出電流的最大點(diǎn)設(shè)計(jì)控制器，即V_PV =36 V， V_g =342 V， P_o =250 W（單路輸出125 W）。

基于上述分析設(shè)計(jì)的PI 控制器參數(shù)為：Kp=0.002 7，Ki =11.543。補(bǔ)償后系統(tǒng)的波特圖如圖7 所示。補(bǔ)償后，系統(tǒng)相位裕度為49.4°，幅值裕度為11.6 dB。

圖6 不同工作點(diǎn)的逆變器系統(tǒng)開環(huán)波特圖對比

圖7 補(bǔ)償前后逆變器系統(tǒng)開環(huán)波特圖對比

3   實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于前文理論與仿真分析，本文設(shè)計(jì)的反激式DC-AC 逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)額定并網(wǎng)功率為250 W。樣機(jī)核心控制器為STM32F207VET6，采用Agilent E4360A模擬光伏電池輸出曲線。圖8 所示為本文設(shè)計(jì)的連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器輸出功率為250 W 時的并網(wǎng)電流和反激轉(zhuǎn)換器的輸出電壓波形。樣機(jī)的輸入電壓為37.4 V，如圖所示并網(wǎng)電流的峰值為1.6 A，輸出電壓的峰值為310 V。樣機(jī)在額定并網(wǎng)功率時，轉(zhuǎn)換效率為94.5%，總并網(wǎng)諧波畸變率THD 為3.58%，符合中國質(zhì)量認(rèn)證中心并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 反激式DC-AC逆變器并網(wǎng)電流和輸出電壓波形圖

4   總結(jié)

本文首先對反激式光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行原理分析，分析了反激式DC-AC 逆變器三種不同工作模式；然后設(shè)計(jì)了一種連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC 逆變器，設(shè)計(jì)了逆變器參數(shù)及閉環(huán)控制策略；最后對設(shè)計(jì)的反激式DC-AC 逆變器進(jìn)行MATLAB/Simulink 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)的反激式DC-AC 逆變器可正常運(yùn)行且符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛,等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2] 朱永強(qiáng).新能源與分布式發(fā)電技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.

[3] 李安定,呂全亞.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[4] KJAER S B,PEDERSEN J K,BLAABJERG F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].Industry Applications，IEEE Transactions on, 2005，41(5)：1292-1306.

[5] MYRZIK J M A,CALAIS M.String and module integrated inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems-a review[C].Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna,2003.

[6] ZHANG Z,CHEN M,GAO M，et al.An optimal control method for grid-connected photovoltaic micro-inverter to improve the efficiency at light-load condition[C].Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)，2011 IEEE:19-224.

[7] 張超,何湘寧.短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2006, 26(20): 98-102．

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）