- 頭條臨界模式混合光伏微型逆變器的特性分析2021-05-26 作者：張峰 謝運祥 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華南理工大學電力學院、深圳茂碩電氣有限公司的研究人員張峰、謝運祥、胡炎申、陳剛、王學梅，在2020年第6期《電工技術學報》上撰文，對臨界模式（BCM）混合光伏微型逆變器的特性進行了詳細分析。 該新型電路拓撲為非隔離虛擬直流母線結構，一方面，繼承了升壓-反激變換器的低變壓器匝比、低漏感量、低電壓應力等優點；另一方面，還具有反激變換器的降壓特性。利用混合變換器在BCM的自然諧振特性，實現了主開關管的零電壓或者谷壓軟開關，以及整流二極管的零電流軟開關。 升壓-反激變換器還提供了固有的無損吸收電路，使變壓器的漏感能量得以利用，并實現了主開關管關斷電壓尖峰的鉗位。上述特性使混合逆變器具有比傳統的反激逆變器更小的變壓器體積和更高的變換器效率。文中介紹了其工作原理，同時，推導了一種參考電流數學公式，以保證高的并網電流質量。
隨著光伏電池技術的快速發展，光伏模塊成本的不斷降低以及電力電子技術的進步，分布式光伏發電系統相比其他可再生能源系統表現出極強的市場競爭力。光伏微型逆變器，也稱為光伏交流模塊式逆變器，因具有發電量高、安全性好、制造成本低、安裝維護方便、支持“即插即用”、系統容量易于擴展等優點，在分布式光伏發電系統中逐漸被采用。
基于虛擬直流母線結構的反激式微型逆變器，輸入輸出隔離、結構緊湊、控制簡單，近年來成為研究熱點。有學者對斷續模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）和臨界模式（Boundary Conduction Mode, BCM）兩種工作模式進行對比，指出DCM雖控制簡單，具有零電流關斷（Zero Current Switching, ZCS）軟開關特性，但因主開關管的電流應力大，只適用于小功率場合；BCM功率密度更高，控制也不復雜，適合較高功率的應用場景。此外，將準諧振（Quasi-Resonant, QR）技術引入BCM，可實現主開關管的零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS）或谷壓軟開關（Valley Switching, VS），進一步提高了變換器效率。
有學者提出一種適用于BCM的參數設計方法，對反激逆變器的權重效率進行了優化。連續模式（Continuous Conduction Mode, CCM）具有峰值電流小、電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）低、濾波器容易設計等優點，但控制系統傳遞函數復雜，且存在右半平面零點，增加了控制器的設計難度。
第三端口用于實現功率解耦的三端口反激拓撲結構，有利于延長逆變器使用壽命，提高其可靠性，然而變換效率有待于進一步提高。交錯反激逆變拓撲，降低了電流紋波和電壓、電流應力，提高了功率密度和功率等級。混合兩相DCM/單相DCM或者兩相BCM/單相BCM控制策略，能有效提高交錯反激逆變器寬負載范圍內的效率，但在兩相與單相之間進行過渡時會產生并網電流的畸變，增大了總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）。
有學者采用非互補控制策略的有源鉗位技術，將漏感能量回收利用，降低了漏感尖峰。有學者進一步介紹了一種自適應有源鉗位技術，通過在低電網電壓時，將有源鉗位電路旁路的方式，實現了變換效率的進一步提升。
有學者采用倍工頻工作的輔助開關管，提出一種自適應無損吸收混合DCM/ BCM的反激逆變器，通過在DCM時，旁路無損吸收電路的方法來提高變換器效率，克服了有源鉗位電路中輔助開關管高頻工作的缺點，然而，沒有對DCM與BCM兩種工作模式的平滑過渡展開研究，這將影響并網電流的質量。
有學者將串聯諧振倍壓整流器集成于基于直流母線結構的反激逆變器，在滿足高增益特性的前提下，降低了變壓器匝比，同時也減小了漏感量，這為解決漏感問題提供了新的思路。然而，采用直流母線結構，逆變單元的開關管也工作于高頻狀態，與虛擬直流母線結構相比，控制更復雜，變換效率更低；此外，該拓撲并非消除而只是降低了漏感量，故仍需采用有源鉗位或者無損吸收技術來回收漏感能量。
升壓-反激變換器如圖1所示，相比傳統的反激變換器，同樣降低了變壓器匝比和漏感量，并且存在固有的無損吸收電路而無需外加電路元件。有學者將升壓-反激變換器應用于基于直流母線結構的微型逆變器，盡管該電路拓撲不具有隔離功能，但可效仿傳統的非隔離組串式或集中式逆變器，通過增加兩個繼電器來滿足安規要求。然而，升壓-反激變換器不適用于基于虛擬直流母線結構的微型逆變器，原因在于其不具有降壓功能。
圖1 升壓-反激變換器
華南理工大學電力學院、深圳茂碩電氣有限公司的研究人員，將一個開關管和一個二極管集成于升壓-反激變換器，構建一種非隔離虛擬直流母線混合微型逆變器，并且，基于具有軟開關特性的BCM峰值電流控制，對該新型電路拓撲的特性進行了詳細的分析。
圖2 混合微型逆變器
圖3 主電路及控制框圖
該電路拓撲在半工頻周期內交替工作于升壓-反激（Boost-Flyback, BF）模式和反激（Flyback, F）模式：當工作于BF模式時，在低的變壓器匝比和漏感量下，獲得了高的電壓增益和低的電壓應力，此外，還提供了固有的無損吸收電路，漏感能量得以回收利用，實現了主開關管的電壓鉗位；F模式解決了BF模式不能降壓的問題，使得在直流母線處產生直流正弦全波（饅頭波）成為可能。介紹了該電路拓撲的工作原理，并推導了一種參考電流數學公式以獲得理想的并網電流。
圖4 實驗樣機
該新型電路拓撲本質上通過引入反激模式將升壓-反激變換器應用于基于虛擬直流母線結構的微型逆變器領域。采用的模式過渡開關網絡（一個開關管和一個二極管）僅工作于倍工頻，不會增加過多的開關損耗和成本。大部分時間工作于升壓-反激模式，可自然地實現升壓-反激模式與反激模式之間的平滑過渡。
理論分析和實驗結果都表明，相比傳統的BCM反激微型逆變器，除了具有高升壓比和軟開關特性外，該逆變器還具有：1）低的變壓器匝比和漏感量，降低了變壓器體積，提高了變壓器利用率；2）低的電壓應力，包括低的理想電壓應力和低的漏感尖峰電壓；3）固有的無損吸收電路，無需外加電路元件；4）較高的變換器效率。
以上研究成果發表在2020年第6期《電工技術學報》，論文標題為“臨界模式混合光伏微型逆變器的特性分析”，作者為張峰、謝運祥、胡炎申、陳剛、王學梅。
