一種連續導電模式的反激式并網(wǎng)逆變器設計

0   引言

由于全球人口增長(cháng)及工業(yè)化程度快速推進(jìn)，導致能源需求逐年快速增長(cháng)^[1]。太陽(yáng)能因為具備清潔、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(yáng)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(yáng)能發(fā)電的核心部件成為廣大科研機構研究的重點(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、擴展靈活、安裝方便，因此分布式逆變器應用廣泛。

根據拓撲結構分類(lèi)，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撲類(lèi)型。其中，基于反激拓撲結構的逆變器具有結構簡(jiǎn)單、功率密度較高、輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，因此這種拓撲結構在光伏并網(wǎng)逆變器中得到廣泛應用^[5]。反激轉換器的工作模式可分為：斷續導電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）、臨界導電模式（Boundary Conduction Mode，BCM）^[6] 及連續導電模式（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，然后設計了一種連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器，設計了逆變器參數以及閉環(huán)控制策略；最后對設計的反激式DC-AC 逆變器進(jìn)行MATLAB/Simulink 仿真和實(shí)驗驗證，證明了所設計的反激式DC-AC 逆變器可正常運行且符合并網(wǎng)標準要求。

1   反激式光伏并網(wǎng)逆變器原理分析

1.1 反激式DC-DC轉換器工作原理分析

圖1（a）所示是一種升降壓DC-DC 轉換器。當開(kāi)關(guān)管Sa 開(kāi)通時(shí)，變壓器勵磁電流iL 等于is 并線(xiàn)性增加，二極管D 截止，電容C 提供負載電流iR 。當開(kāi)關(guān)管Sa 關(guān)斷時(shí)，電感L 通過(guò)二極管D 對負載供電的同時(shí)給電容C 充電， iL 下降。根據其工作過(guò)程，該升降壓DC-DC 轉換器電路的變壓比。

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

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

1.2 反激式DC-AC逆變器工作模式分析

如圖1 所示，在開(kāi)關(guān)管S_b 關(guān)斷期間，二次側電感L2 的電流i₂ 下降，如果二次側電流i₂ 在開(kāi)關(guān)管Sb 關(guān)斷期間沒(méi)有降低到零，則稱(chēng)為連續導電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）；如果副邊電流i₂ 在開(kāi)關(guān)管S_b關(guān)斷期間剛好減小為0，則稱(chēng)為臨界導電模式（Boundary Conduction Mode，BCM）；如果副邊電流i₂ 在開(kāi)關(guān)管Sb 關(guān)斷期間未結束時(shí)就減小為0，則稱(chēng)為斷續導電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）。

如圖2 所示為光伏逆變器前級拓撲，其中變壓器TR 變比為，原邊電感為L(cháng)p 。輸入電池電壓為VPV ，并網(wǎng)電流為i_grid sinθ 。當分布式光伏并網(wǎng)逆變器運行時(shí)，反激式轉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(gè)開(kāi)關(guān)周期原副邊電感的初始值ip0 均不等（如圖3 所示），每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內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換器并沒(méi)有達到穩態(tài)，也就是說(shuō)：

如圖3 所示， 在0 ~ 區間內， ΔΦ > ΔΦ' ； 在~ π 區間內， ΔΦ < ΔΦ' 。因此我們可以認為在π處ΔΦ = ΔΦ' ，因此可以得到：

此時(shí)，開(kāi)關(guān)周期直流輸入功率即為輸出功率，即：

求解可得，當逆變器工作于連續導電模式時(shí)，原邊電感電流峰值等于：

而當逆變器工作于斷續導電模式時(shí)，每隔開(kāi)關(guān)周期內直流輸入的能量等于提供給電網(wǎng)側的能量，即：

由于此時(shí)i_p0 = 0 ，因此可得到：

而當分布式光伏并網(wǎng)逆變器工作于斷續導電模式的條件為：

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、開(kāi)關(guān)頻率不變，就可以使反激轉換器工作于斷續模式時(shí)能夠輸出的最大功率。

2   一種連續導電模式的反激式DC-AC逆變器設計

如圖4 所示為連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器拓撲結構圖?？梢钥闯?，連續導電模式的反激式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(kāi)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(shí)的三階模型。對連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器三階模型進(jìn)行數學(xué)建?？梢缘玫浇涣餍⌒盘柲Ｐ?，如式（11）所示。

由式（11）可推導得到輸出電流對占空比的傳遞函數：

其中， 。式中Rp 為變壓器原邊線(xiàn)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 連續導電模式的反激式DC-AC逆變器三階模型

選取連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器系統參數如表1 所示。

由式（12）傳遞函數可得到所設計轉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(dòng)態(tài)性能和帶寬影響越大。系統開(kāi)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)設計控制器，即V_PV =36 V， V_g =342 V， P_o =250 W（單路輸出125 W）。

基于上述分析設計的PI 控制器參數為：Kp=0.002 7，Ki =11.543。補償后系統的波特圖如圖7 所示。補償后，系統相位裕度為49.4°，幅值裕度為11.6 dB。

圖6 不同工作點(diǎn)的逆變器系統開(kāi)環(huán)波特圖對比

圖7 補償前后逆變器系統開(kāi)環(huán)波特圖對比

3   實(shí)驗驗證

基于前文理論與仿真分析，本文設計的反激式DC-AC 逆變器實(shí)驗樣機額定并網(wǎng)功率為250 W。樣機核心控制器為STM32F207VET6，采用Agilent E4360A模擬光伏電池輸出曲線(xiàn)。圖8 所示為本文設計的連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器輸出功率為250 W 時(shí)的并網(wǎng)電流和反激轉換器的輸出電壓波形。樣機的輸入電壓為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。樣機在額定并網(wǎng)功率時(shí)，轉換效率為94.5%，總并網(wǎng)諧波畸變率THD 為3.58%，符合中國質(zhì)量認證中心并網(wǎng)標準。

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

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；然后設計了一種連續導電模式的反激式DC-AC 逆變器，設計了逆變器參數及閉環(huán)控制策略；最后對設計的反激式DC-AC 逆變器進(jìn)行MATLAB/Simulink 仿真和實(shí)驗驗證，證明了所設計的反激式DC-AC 逆變器可正常運行且符合并網(wǎng)標準要求。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）