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第
3
期
电
源学
报
2013
年
5
月
Journal
of
Power
Supply
No.3
May.2013
交错并联反激型并网发电微逆变器的
原理分析及其设计
王志彬,方宇,赵齐齐,张金银,朱忠虎,张丽
(扬州大学信息工程学院,江苏扬州
225009)
摘要:研究了一种有源钳位技术的交错并联反激型并网友也微逆变器,重点分析了有源钳位电路的工作原理,
推导了用于硬件设计的计算公式并给出了设计方法。为了进一步提高效率,有源钳位电路被采用。最后,仿真与实验
结果验证了分析结论和设计方法的正确性。
关键词:微型逆变器;交错并联;并网发电;有源钳位
中图分类号
:TM464
文献标志码
:A
引言
过去十年期间,新能源利用技术不断发展成
熟,尤其是分布式发电技术,在用电需求点就可以
充分利用丰富的自然资源
[140
为了能向用户提供合
格的电能,需通过光伏电站或其他形式的新能源发
电装置将能量转变为合乎需求的交流电,并能馈人
电网。
由于太阳能电池面板,局部的阴影、不同的倾
斜角度及面向方位、污垢、不同的老化程度、细小的
裂缝以及不同光电板的不同温度等容易造成系统
失配,导致输出效率下降,进而导致整体的输出功
率大幅降低[5-
1
0]。这是集中式逆变器难以解决的问题。
为了解决集中式逆变器效率损失问题,国外近
年来出现了"微逆变器"及"微型转换器"新架构。即
为每个太阳能电池组件配备一个微型逆变电源,通
过对各模块的输出功率进行优化,使得整体的输出
功率最大化。这样即使有部分电池板受到阴影、灰
尘覆盖,微型逆变电源仍可以实现局部
MPP(
最大功
率点)的最佳跟踪,所以微型逆变器的使用可以提高
整体系统转换效率
[11-1
匀。使用微型逆变器的另一好
处就是,即使当一个逆变器出现故障时,也不会影
响其它组件的正常使用。
收稿臼期
:2013-01-05
基金项目:中国博士后基金资助项目
(20110491331)
文章编号
:2095-2805(2013)03-0064-08
文献
[5
,
15]
探索了不同电路结构的微逆变器,
其中反激变换器,能将较低的
PV
电池板电压
(20-
45
Vdc)
升压至较高整流输出,并能实现
PV
电池板
和电网的电气隔离;又因反激变换器输出没有续流
二极管,也不需要输出电感。故用反激型变换器作
并网微逆变器具有输入电压范围宽、电路结构简
单、体积小、成本低等优点。但由于输入电压较低,
输入端需要较多的电解电容实现功率解锢,这会导
致微逆变器体积庞大·为了提高反激式逆变器的效
率,文献
[14
,
15]
通过谐振电路实现了单端反激逆变
器软开关动作,但是辅助开关带来了系统成本的增
加。
鉴于以上所述,本文研究一种有源钳位的交错
并联反激型并网微逆变器,相对于传统的单个反激
变换器来说,交错并联反激变换器可减小电解电容
的纹波电流,从而延长电容的寿命,同时可减小输
出电流纹波,从而降低输出电流的
THD
。有源钳位
电路的应用,进行恰当的设计,可实现反激电路中
主开关管的零电压开关,从而提高装置的转换效
率。
1
交错反激并网微逆变器的工作原理
图
1
是交错并联反激型微逆变器系统的结构
示意图,该电路输入接光伏组件。经调制的高频正
第
3
期
王志彬,等:交错并联反激型并网发电微逆变器的原理分析及其设计
65
2.1
有源钳位电路
::~I
11
明
为了进一步减小微逆变器体积,文中反激型变
换器设计在电流连续工作模式。当反激开关管关断
时,磁芯中仍有大量能量未传递到次级侧。此能量
会在反激
MOSFET
上产生大电压尖峰,这对
MOS
F
町、具有极大的破坏性,电磁辐射严重。一般解决
方法是在变压器原边增加电阻、电容和二极管
(Re-
sistor, Capacitor, Diode , RCD
)构成缓冲吸收电路,但
RCD
电路会降低效率。
为提高微逆变器的效率,采用有源钳位电路如
图
2
,图中开关管
Ql
选用
N
沟道
MOSFET
,是主开
关管,
Q2
选用
P
沟道
MOSFET
,是辅助开关管。
Ql
关
断时的电压尖峰由钳位电容
(C
cÚJJ
ρ
吸收,并存储在
钳位电容中,当开关管
Ql
开通前
,
C
c
间和漏感
Lleak
申
谐振将钳位电容里的能量传送到次级,并帮助主开
关管
Ql
实现零电压开通,从而提高了微逆变器的效
率。
-
I
pv
V;.
PWMIH
PWM2H
如如
I1
nv
l
A.
c
如
I
PWMI
」一
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PLL
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机
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M
叫 q
1::
智
d,
PIC
DSC
图
1
微逆变器系统的架构
弦
PWM
经驱动电路控制反激电路的开关管。两个
反激变换器的工作相位相差
180
0
,实现交错并联工
作;反激变压器副边两条支路共同提供正弦半周
期,经后级工频调制的可控硅
(SCR)
全桥电路实现逆
变,并形成与市电同步的工频并网电流。
反激微逆变器系统有两种工作模式。
模式
1
:开关管导通时,
PV
端能量存储在反激
变压器的初级。输出二极管由于反向偏置处于截止
状态。反激变压器相当于电感的作用,变压器的初
级电流线性增加。
模式
2:
开关管关断时施加在初级绕组上的电
压反向,从而使得输出二极管正向偏置而导通。此
时先前存储在初级绕组中的能量经次级绕组传输,
给输出电容充电并为负载提供电流。在该模式下,
电网电压直接施加于变压器次级绕组,进而使流过
二极管的电流线性减小。
SCR
全桥用于将整流输出的馒头波电压/电流
转换成正弦的电压/电流。因此,
SCR
以工频进行开
关动作。数字锁相环
(PLL)
控制逆变器的输出电流
与电网电压同步。
MPPT
控制输出电流幅值/有效
值,实现微逆变器的最大功率输出;输出电流的幅
值和相位由电流环控制·电流调节器的输出与载波
交截形成开关管的正弦驱动信号。
2
有源钳位电路分析
2.2
开关工作模态分析
上面提出的有源钳位反激变换器在电流连续
导通模式下主要有
7
种工作模态。图
3
给出了相应
的工作波形。
Lleakage
'叶
DI
丁
工
口梧
iT
IIE
图
2
有源钳位反激变换器电路
(1)模态
1[to
,
t
ι
如图
4(a)
所示:
在间隔
to
中,反激
Ql
导通,
Q2
关断。由于变压
器
TX1
输出两端的电压为负
二极管
D
1
被反向偏
置。在此期间,输出电容将所需能量传送到负载。
(2)
模态
2[t
lo
t
2
],
如图
4
(b)所示:
间隔
tl
定义为从
QI
关断到
Q2
开始导通的瞬
间。这称为死区。此间隔可分为两个部分。第一个
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