季曉春¹，王建華²
，嵇保健³，蔡守平¹

（1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801；

2. 東南大學，電氣工程學院，江蘇 南京210096；

3. 南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇 南京 210000；）

Interleaved Flyback Photovoltaic Grid-connected Micro Inverter

JI Xiaochun ¹，WEI Shaochong ²，WANG Jianhua³
，JI Baojian²
，

CAI Shouping¹

(1. Acrel Co., Ltd, Shanghai 201801, China

；

2. School of Automation & Electrical Engineering, Nanjing University of Technology,

Nanjing Jiangsu 210009, China;

3.School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China;)

摘要：獨立光伏組件的微型逆變器能有效克服傳統光伏係統存在的陰影問題。詳盡介紹了某型準單級式交錯並聯微逆變器的設計
、分析及其控製策略。該微型逆變器基於高頻環節逆變技術

，有效實現了初、次級電氣隔離，解決了漏電流問題；采用有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關管的零電壓開關（ZVS）；采用變步長的擾動觀察法實現最大功率點跟蹤（MPPT）,輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題。220W樣機試驗驗證了該方案及控製策略的可行性，整機MPPT效率為99.5%，最高效率達到95%。

關鍵詞：微逆變器；高頻環節；最大功率點跟蹤

Abstract：To overcome the traditional photovoltaic systems have low overall output power caused by the partial mask, proposed a single PV module for a single micro-inverter topology and its control strategies. Using single-stage interleaved flyback converter, In order to overcome problem of flyback transformer primary side leakage
，using Active block circuit to absorb the leakage inductance energy, achieving a zero-voltage switching tube switch, increases machine efficiency. Gives a system based on digital signal processor control process, the system uses a variable step size perturbation and observation method to achieve the maximum power point tracking, making each photovoltaic panels working on the maximum power point. Build a experiment prototype to verify the topology and control strategy is feasible solutions.

Keywords: Micro inverter；Flyback；DCM mode；MPPT

1 引言

    傳統集中式、zuchuanshiguangfubingwangfadianxitongtongguoduiguangfudianchibandechuanbinglian，zaiyouxiaotigaomuxiandianyahou，gonggeibingwangnibianqijiangdiannengshusongdaodianwang。qijiegoujiandan，zhuanhuanxiaolvgao，youqishiheyurizhaojiaohaodedianzhanxitong。danzaidongbuchengxiangdiqu
，yuncengjijianzhuwu、樹shu木mu遮zhe擋dang，以yi及ji單dan塊kuai電dian池chi板ban發fa生sheng故gu障zhang等deng因yin素su，將jiang嚴yan重zhong降jiang低di整zheng個ge係xi統tong的de發fa電dian量liang。配pei備bei在zai每mei一yi個ge光guang伏fu組zu件jian後hou麵mian的de微wei型xing逆ni變bian器qi
，通tong過guo對dui各ge組zu件jian的de獨du立li控kong製zhi使shi其qi工gong作zuo在zai最zui大da功gong率lv點dian，大da大da提ti高gao了le係xi統tong抗kang局ju部bu陰yin影ying的de能neng力li，以yi及ji整zheng體ti發fa電dian量liang。盡jin管guan其qi成cheng本ben相xiang對dui較jiao高gao，但dan模mo塊kuai化hua架jia構gou、高可靠性、高發電量
、安裝方便等優點使其為目前分布式光伏發電的一個重要方向。

    在此詳盡介紹了某型準單級式交錯並聯微逆變器設計、分(fen)析(xi)及(ji)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)。高(gao)頻(pin)環(huan)節(jie)逆(ni)變(bian)技(ji)術(shu)不(bu)僅(jin)實(shi)現(xian)了(le)微(wei)逆(ni)變(bian)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)大(da)升(sheng)壓(ya)比(bi)匹(pi)配(pei)，同(tong)時(shi)初(chu)次(ci)級(ji)電(dian)氣(qi)隔(ge)離(li)解(jie)決(jue)不(bu)了(le)不(bu)隔(ge)離(li)係(xi)統(tong)漏(lou)電(dian)流(liu)問(wen)題(ti)；而且基於有源箝位技術吸收漏感能量，實現了開關管的ZVS。係統控製框圖及流程表明采用變步長的擾動觀察法能實現MPPT，輸入電壓前饋方法可解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題。

2 主電路拓撲

2.1 拓撲選擇

    準單級式反激逆變器僅有一級的功率變換^[4]，拓撲簡單
，尤其適合低成本應用場合的要求。在斷續模式（DCM）及臨界連續模式（BCM）xia
，qichengxiandianliuyuantexing，kongzhixitongshejijiandan，shimuqianguangfuweinibianqidelixiangtuopu。youyufanjibianhuanqishuchugonglvyouxian

，zaiweinibianqixitongjiegouzhong

，zhelicaiqurutu1所示交錯並聯技術：將兩路反激變換器輸入並聯
，輸出並聯，原邊的主管交錯180度導通以減小輸入輸出電流紋波，同時公用一組輸出極性翻轉橋；考慮到反激變壓器漏感的存在，進一步采取有源鉗位技術回收漏感
，並實現了主管和輔助管的ZVS，有效減小開關損耗，提高了電路效率。

圖1 交錯並聯反激型微逆變器拓撲結構

    此時光伏組件經過反激變換器主開關SPWMgaopintiaozhi，dedaobaoluoxianweidanjixinggongpinzhengxianbanbodeshuchudianliu。jiaoliucedegongpinhuanxiangqiaoqudongshixugenzongdianwangdianya
，jiangqianmiandedanjixinggongpinzhengxianbanbofanzhuanweizhengxianbobingwangdianliu，yudianwangdianyatongpintongxiang。

2.2工作模式分析

    根據變壓器的磁通是否連續
，可將反激變換器的工作模式分為電感電流連續模式（CCM）、DCM及BCM 3種。CCM模式下反激逆變器相對穩定性較差，需要妥善處理。目前主流的反激逆變器以DCM及BCM為主
，但由於在BCM模式下
，需要采用變頻控製，計算和控製都較為複雜，因此這裏采用DCM。相對BCM及CCM
，DCM的優點是恒頻工作，控製簡單，且消除了次級二極管反向恢複問題
；缺點是相比CCM此時勵磁電感較小
，器件峰值電流應力較大。

    為確保變換器工作在DCM，需其初級電感Lp即勵磁電感小於臨界連續電感值。定義工頻周期T_grid是高頻開關周期的2k倍，定義d_p為最大占空比
，由於輸入電流大小和占空比成正比，因此每個開關周期的占空比也是正弦脈絡d_psin(iπ/k)，則變壓器原邊電流i_dc的平均值為：

3 控製係統

3.1控製框圖

    準單級式微逆變器需同時完成MPPT、鎖相、孤島檢測和入網電流控製^[5][6]。如圖2所示
，通過MPPT計算提供得到的並網電流的基準幅值I_o大da小xiao，從cong而er確que保bao光guang伏fu組zu件jian以yi最zui大da功gong率lv向xiang電dian網wang傳chuan輸shu能neng量liang。鎖suo相xiang提ti供gong並bing網wang電dian流liu的de相xiang位wei信xin息xi
，確que保bao入ru網wang電dian流liu與yu電dian網wang電dian壓ya同tong頻pin同tong相xiang。孤gu島dao檢jian測ce是shi並bing網wang逆ni變bian器qi所suo必bi須xu具ju備bei的de功gong能neng，在zai電dian網wang異yi常chang情qing況kuang下xia關guan閉bi逆ni變bian器qi，確que保bao人ren員yuan和he設she備bei的de安an全quan。入ru網wang電dian流liu控kong製zhi是shi並bing網wang逆ni變bian器qi的de核he心xin控kong製zhi部bu分fen，這zhe裏li通tong過guo采cai樣yang輸shu出chu電dian流liu閉bi環huan控kong製zhi
，確que保bao了le高gao質zhi量liang的de並bing網wang電dian流liu（理論上在DCM下，開環控製即可實現電流源並網，但其並網電流總諧波含量相對較高）。

圖2 控製係統

3.2準單級式係統MPPT及直流母線電壓控製

    MPPT是通過相應的算法，不斷調整並網電流基準，調整逆變器輸出功率
，從而調節光伏組件的輸出功率，使得光伏組件輸出功率最大。

    擾動觀察法原理簡單，易於實現，是MPPT算法中最常用的方法之一。其算法原理是當前次的輸出功率與前一次的輸出功率作比較
，假設P(k+1)>P(k)，那麼將光伏輸出電壓基準繼續向著這一次變化的相同的方向進行擾動；反之
，若輸出功率變小，則在下個周期改變擾動的方向，如此進行反複擾動
、比較直至光伏係統輸出功率達到最大。算法流程如圖3所示。擾動觀察法步長的大小決定了算法跟蹤的速度和係統在最高處附近來回振蕩的幅度
，因此，本文采取一種變步長的擾動觀察法^[7]，具體方式當功率較每小時

，擾動值C取值加大；當功率較大後，適當減小擾動值C的取值。

圖3擾動觀察法算法流程

    在準單級並網逆變係統中，單純的MPPT 環無法保證很好的動態性能，實現係統的穩定。當發生外界條件突變或者程序誤判斷時，直流母線電壓會劇烈震蕩甚至奔潰。如圖3所示，在原有的控製基礎上加一個輸入電壓環，防止在MPPT 誤判斷時直流母線電壓的劇烈震蕩
，可以有效防止母線電壓的崩潰，實現係統的穩定運行。

4 實驗結果

    為驗證上述交錯並聯準單級高頻環節光伏並網微逆變器方案
，在實驗室完成了基於DSP28035控製的220W微逆變器樣機研製。前級直流輸入電壓V_pv=35VDC，並網電壓V_o=220VAC，電網頻率fac=50Hz, 主管V1開關頻率fs=135Khz，濾波電感L1=1mH
，光伏組件及交流電網采用光伏模擬器及交流電源模擬。圖4a
，b分別為輕載與滿載時並網電流i_o的輸出波形，可見i_o與ug同頻同相，且i_o波形質量都較好
；由圖5c可見，V1在開通與關閉前，漏源極電壓為零
，實現了V1的ZVS；圖4e給出了變壓器初級電壓up、次級電壓us和電流is，ug的波形，驗證了工頻翻轉橋的可行性。

(a) 輕載輸出

(b) 滿載輸出

(c) 主開關管波形

(d) 箝位管波形

(e) 變壓器原副邊電壓波形

圖4 實驗波形

     圖5給出光伏模擬器測試的MPPT效果
，MPPT效率為99.5%。

圖5   I-U和P-U曲線

    圖6a效率測試曲線進一步表明微逆變器整機在整個負載範圍內均達到了較高的效率，滿載最大效率達到了94%
，圖6b為在不考慮輔助電源損失下功分析儀測試結果
，最高效率為95%
，並網電流THD小雨1.5%，驗證了微逆變器方案的可行性。

圖6 效率曲線及THD測試

5 結論

    介紹了某型準單級式交錯並聯微逆變器設計、分析及控製策略。該微型逆變器具有以下特點：基於高頻環節逆變技術
，有效實現了初次級電氣隔離
，解決了不隔離係統漏電流問題

；采用有源箝位技術吸收漏感能量
，實現了開關管的零電壓開關，減小開關損耗；采用變步長的擾動觀察法實現最大功率點跟蹤，基於輸入電壓前饋方法解決準單級式微逆母線電壓崩潰問題；220W樣機整機最大功率跟蹤效率為99.5%
，滿載最高效率達到94%。不考慮輔助電源時，最高效率為95%，並網電流總諧波畸變率小於1.5%。

文章來源：《電力電子技術》2014年第6期

參考文獻

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