0 引言

    在新能源领域，光伏发电是研究热点之一^[1-3]。近年来，高转换效率、高可靠性微型并网逆变器的研发受到了广泛关注，但并网微型逆变器存在着提高转换效率和改进可靠性、降低成本相互矛盾等关键技术问题。

    光伏系统中电池板和逆变器的连接方式主要有三种^[4-6]。(1)将光伏电池板串联，得到至少400 V以上的直流电压，再接到一个集中逆变器，通过降压实现DC/AC向电网传输能量，该架构结构简洁。由于连接方式为串联，组件受阴影或灰尘影响较大，进而导致性能下降，整个系统的性能和转换效率都会受到影响甚至不能正常工作。(2)在单个的电池板上安装独立的DC/DC变换器，将电池板的直流低压转换为直流高压，然后将直流高压连接到集中逆变器。该方法克服第一种方法的某些缺点，但系统效率也由于两级转换而降低。(3)为解决上述问题，第三种微型逆变器得到了广泛研究。对每一个电池板安装一个微型逆变器，把单个电池板的直流低压直接转换为交流进行能量传输。微型逆变器被认为是光伏发电领域未来的发展趋势之一^[4]。

    目前，两级式微型逆变器总体效率很难达到95%以上。因此，对于输出功率小于300 W的微逆变器，多采用单级转换，文献[5]介绍了一种隔离型反激拓扑，不仅可以提高逆变器转换效率并且在应用上也具有很大的优势，目前得到广泛研究。文献[7]给出了一种两路全隔离单级反激拓扑，该拓扑采用电解电容并联来稳定电压，实现MPPT。然而，电解电容的使用寿命短。

    延长逆变器寿命的有效途径是应用寿命较长的薄膜电容替换电解电容，但薄膜电容的容值较低，不能满足典型功率在200 W的逆变模块所需的容值。为了解决此矛盾，近年来众多研究者提出了不同解决办法^[8-11]，其原理都是利用额外电容作为储能元件，存储光伏电池输出的过剩能量，再适时地把已存储的能量释放来弥补输出能量不足的部分。Kyritsis提出了一种双向的升降压结构^[8]，该电路中增加了储能电容，并且增加了由一个电感和两个开关管组成的升降压结构。利用这一技术可把电容值降低30倍,从3 mF降为0.1 mF。但是，逆变器系统总体效率低^[9]。其他类似的技术在文献[10]中提出，尽管把电容值进一步降低，但峰值效率也下降到86.7%。一种三端口变压器的单级反激拓扑结构在文献[11]中提出，是利用变压器的第三级绕组端口和存储电容来实现稳定光伏电池工作电压的目的。该研究中对于200 W的输出功率，需用两个40 μF的电容。尽管该文作者没有说明具体转换效率，但和文献[8]相比，在存储电容的充电和放电回路上都多用了控制开关，转换效率一定低于90.5%。类似三端口逆变器拓扑在文献[12]～文献[15]中提出，存储和释放能量的控制方法过于复杂，且只能应用于传输电流非连续工作模式，实际应用中较难实现。

    本文在此基础上提出一种全新两路互补电流单级隔离反激拓扑结构，实现用超小电容稳定光伏电池工作电压，可以使逆变器具有高转换效率和高可靠性。

1 主电路原理

1.1 主电路拓扑

    本文提出了一种新型微型逆变电源拓扑结构：两路互补电流全隔离单级反激DC/AC转换结构，如图1所示。图中开关管S₁、S₂和变压器T₁构成逆变器的第一路电路，开关管S₃、S₄、变压器T₂和一个升降压模块构成第二路电路。该拓扑结构应用NMOS开关器件S₂和S₄作为副边开关器件，与传统选择二极管相比，这样能降低功耗。

1.2 工作原理

    当S₁导通时，S₂关断，光伏板的能量先传送到变压器T₁的原边，T₁副边的正极电位等于V_o，负极电位是V_o+nV_in，其中，n是变压器T₁副边和原边线圈匝数比，V_in是输入电压。当S₁关断时，S₂导通，T₁原边线圈上的能量传送给输出电容C_out。此时，S₁漏级电压是V_in+V_o/n。S₃、S₄和T₂的工作原理与之相同，不同之处在于变压器T₂的副边输出是连接到中间过渡电容C_link上。

    设稳定环境下逆变系统的输入电流I_in为恒定值，输出电流按正弦规律变化且可分解为I₁+I₂，I₁为第一路的输入电流，I₂为第二路的输入电流。

    其中，f是电网频率，t是时间。绝对值表示I₁和I₂恒大于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I₁和I₂的频率是2f。那么，电池板的总负载电流是：

    由上式可得出：逆变系统输入电流I_in和电路输入电流I₁+I₂是相等的。因此，理论上来说，相对稳定的外部环境下光伏电池板两端即使不用并联电容，其输出电压也是稳定的。实际上由于I₁和I₂都是不连续的高频脉冲电流，故输入端还需并联一个小容值电容。

    如果在一个周期T内对I₁进行积分，就可得到：

    其中V_m是电网峰值电压采样得到，f是电网频率。也就是说在每一个周期内，V_SW1大，V_SW2就小，反之亦然。在任何时刻，V_SW1+V_SW2=V_m恒定不变。

2 低输入纹波微逆变器控制技术

2.1 两路互补电流控制信号基准的生成

    两路互补电流控制信号基准的生成用模拟集成电路来设计实现，这一算法控制功能是不难做到的，原理框图如图2所示。图中第一路电流控制信号的基准电压V_SW1是由电网电压用电阻分压后得到，应用简单的ADC可得到V_SW1的峰值V_m。再利用差分放大器、电流镜和减法器等转换实现 V_SW1+V_SW2=V_m的功能，求得V_SW2。

    如图2所示，V_m和V_SW1分别连接到两个误差放大器的负端，两个误差放大器的正输入端分别连接到电阻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分别构成镜像电流源，即流过MP2的电流和流过MP1的电流相同，得I_MP2=V₁/R₁=V_m/R₁，I_MN7=V_SW1/R₂。因此，电阻R₃上的压降V_SW2=R₃(I_MP2-I_MN7)=R₃(V_m/R₁-V_SW1/R₂)。如果设置R₁=R₂=R₃，则V_SW2=(V_m-V_SW1)。

2.2 第二相电流向电网的能量传输

    由于I₁和电网电压同相且呈现正弦半波波形，输出电流I_o1通过开关S₅-S₈控制直接送到电网。如图3所示，开关S₅和S₈的控制信号是相同的，S₆和S₇的控制信号是相同的。在电网正半周时S₅和S₈导通，S₆和S₇关断。在电网负半周时，S₆和S₇导通，S₅和S₈关断。

    第二路变压器副边电流I_link传输到电网则不同于I_o1的方式，将电流I_link先存储在电容C_link上，再通过升降压结构实现从电容C_link到C_out的电流传输转换。升降压模块由电感L₁、L₂、电容C₁和开关Q₁、Q₂以及其控制子电路构成的，如图3所示。

    开关Q₁、Q₂的控制信号也是SPWM形式。当C_link的电压小于C_out的电压时，电流传输是升压方式；当C_link的电压大于C_out的电压时，是降压方式。从而C_link上的电压在C_out电压的平均值上下波动。如果每一级的转换效率是95%，两级转换的总效率就是90.5%。本文所提出拓扑的转换效率估算如下（满载功率转换情况下）：

    第一路电流对总转换效率的贡献是63.7%×95%=60.52%；第二路电流对总转换效率的贡献是(1-0.637)×95%×95%=32.76%；总转换效率是60.52%+32.76%=93.28%。

3 系统并联小薄膜电容设计分析

    逆变系统仍需并联一个小容值的薄膜电容，该电容容值大小由式(9)决定：

    因此，电池板上的电压波动只有工作电压的0.5%，即电池板电压基本稳定，保证MPPT一直处于正常状态，而电容只有70 μF，可以直接用高可靠性的薄膜电容来实现。

4 仿真结果

    图4(a)是V_SW2和V_SW1的仿真结果。图4(b)为基于输入直流40 V，输出功率为250 W时输出到交流电网的电流波形，它是基于图4(a)的总体方案得到的仿真结果，结果表明输出到交流电网的电流波形是完美的正弦波，验证了本研究的正确性和可靠性。

5 结论

    本文提出一种采用两相互补电流控制实现光伏并网微型逆变电源高效率和高可靠性的方法。该方法通过对两相输出电流叠加后向电网传输能量，不需要使用电解电容，仅并联一个小薄膜电容即可实现光伏电池板两端输出电压或工作电压在相对稳定的外部环境下也保持稳定，保证了MPPT的实现和电池板输出功率最大化，同时实现高可靠性和高转换效率。

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作者信息:

傅  敏，嵇保健，黄胜明

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京211816）