一种改进的正反激并网微型逆变器

一种改进的正反激并网微型逆变器
王星星;嵇保健;洪峰;叶尊敬
【摘要】The flyback grid-connected micro-inverter has larger current ripple and lower output power, while the interleaved flyback grid-connected micro-inverter needs many switching devices and complex control strategy. Therefore, a novel single-stage forward-flyback grid-connected micro-inverter with two transformers is proposed in this paper. The proposed inverter uses only two switches in the secondary side to simplify the control strategy and guarantee high reliability. The utilization of two transformers in the topology can split the power and reduce the size of single transformer. Detailed analyses on the topology of the proposed inverter, the current control strategy, steady principle and characteristics of the circuit are presented. In addition, the simulation results and experimental data verify the feasibility of the micro-inverter.%反激逆变器存在输出电流纹波大、功率容量小等缺点;交错并联反激逆变器存在开关器件多、控制方式复杂等缺点.针对上述问题,提出一种双变压器有源钳位正反激光伏并网逆变器结构,该逆变器二次侧仅用两个开关管,控制方式简单、可靠性高;采用双变压器可以分担功率、减小单个磁性元件尺寸.对该逆变器的电路拓扑、电流控制策略、稳态原理、特性等进行深入分析.最后通过仿真和实验验证了该逆变器结构的可行性.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)018
【总页数】9页(P202-210)
【关键词】正反激;双变压器;微逆变器;开关器件
【作者】王星星;嵇保健;洪峰;叶尊敬
【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院南京 211816;南京工业大学
电气工程与控制科学学院南京 211816;南京航空航天大学电子信息工程学院南京210016;南京工业大学电气工程与控制科学学院南京 211816
【正文语种】中文
【中图分类】TM464
近年来，随着可再生能源技术的发展，太阳能作为可再生能源的重要组成部分，光伏并网发电作为利用太阳能的重要方式之一，一直是研究热点[1]。

传统光伏发电
系统中，集中式发电方式存在发电效率低、安装不易、电池板匹配困难等缺点[2]。

因此基于微型逆变器的分布式发电方式逐渐成为研究热点[3-6]。

单级式微型逆变器具有体积小、结构简单、损耗小等优点，因此在中小功率场合中被广泛应用。

文献[7]通过将两个Buck-Boost电路采用输入串联、输出并联的方
式组合，得到一种改进的双Buck- Boost逆变器，可实现单级直接升压逆变。

文
献[8]提出一种单级升压逆变器，可以使逆变器的升压能力得到提高。

文献[9]提出
一种Z源逆变器结构，克服了现有拓扑由于电池板放电不连续导致功率限制的缺点。

文献[10]提出一种非隔离型电压倍增并网逆变器，实现了半导体器件的零电流换向，限制了关断电压尖峰。

但是上述结构的逆变器都没有实现电气隔离，安全系数较低。

单级反激式微型逆变器具有器件少、控制简单、输入输出实现电气隔离等优点，在微型逆变器中被逐渐采用。

文献[11]针对反激逆变器提出了一种新的控制策略，可
以有效提高逆变器的功率因数。

文献[12]提出一种零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）双开关反激逆变器，该结构可以减小一次侧开关管电压应力、
提高逆变器效率。

文献[13]提出一种改进控制策略的有源钳位反激并网逆变器，该拓扑一次侧引入有源钳位电路，可以减小一次侧主开关管的关断电压尖峰，并使一次侧开关管实现软开关，减小开关损耗。

文献[14]提出一种反激逆变器，该结构的辅助电路没有开关管，因此控制方式简单。

但是以上所提逆变器并没有有效解决反激逆变器输出电流纹波大、功率容量小等缺点。

交错并联反激逆变器是解决单管反激逆变器输出电流纹波大、功率容量小等问题的有效方式之一[15,16]。

文献[17]提出一种单相交错反激逆变器，可以使系统结构紧凑轻量化、减小一次侧开关损耗。

文献[18]提出一种加权控制策略，提高系统效率。

文献[19]基于交错并联反激逆变器提出一种输出滤波器，减小了系统的体积和质量。

文献[20]增加了负载平衡控制环，可以有效解决负载不平衡的问题。

文献[21]提出了一种基于加权效率增强控制方法的交错反激式逆变器，减少二次侧输出二极管的损耗。

但以上结构存在开关元件较多、所需驱动电路较多、控制方式复杂、可靠性较低等问题。

本文提出一种双变压器正反激光伏并网逆变器结构，输入输出能够实现电气隔离，安全系数高；二次侧仅用两个开关管，控制方式简单、所需驱动电路较少；输出电流连续、纹波较小；使用双变压器结构可以分担功率，减小单个变压器尺寸，减小系统整体体积，使逆变器小型化；同时，反激变压器可以兼作正激变压器输出滤波电感，省去二次侧滤波电感，减小系统成本；引入有源钳位电路，一次侧开关管可以实现软开关，提高系统效率，占空比可以大于0.5，具有较好的输入电压适应能力。

图1为双变压器正反激微型逆变器主电路拓扑。

该逆变器采用双变压器结构，其
中正激变压器一次侧励磁电感为Lm1，反激变压器一次侧励磁电感为Lm2；逆变
器一次侧采用有源钳位辅助电路，钳位电容为Cc；逆变器二次侧拥有四绕组，其
中四个整流二极管分别为VD1、VD2、VD3和VD4；逆变器二次侧仅用两个开关管，S1工作在工频正半周期，S2工作在工频负半周期。

正、负半周工作模态相似，故以下分析是基于工频正半周期的电路进行分析，在工频正半周期内，开关S1一直导通，开关S2一直关断。

为简化分析作如下假定：①主开关管Sm和钳位管
Sc输出寄生电容之和为Ceq，其他半导体均为理想器件；②钳位电容Cc足够大；
③正、反激变压器漏感均远小于其励磁电感；④输出电压为uo=|ug|；⑤变压器
T1一次、二次侧匝比为1∶n1∶n1，变压器T2一次、二次侧匝比为1∶n2∶n2。

稳态时每个开关周期可分为9个模态，逆变器关键波形如图2所示，正反激逆变
器工作模态如图3所示。

模态1[t0, t1]：如图3a所示，t0时刻，主开关管Sm处于导通状态，流过主开关管电流ism为励磁电流im和变压器二次侧反映到一次侧的电流之和，即
式中，uo为工频正半周期时逆变器输出电压。

此时正激变压器向二次侧传递能量，二次侧整流二极管VD1处于导通状态；反激
变压器处于储能状态且反激变压器励磁电感反映到二次侧作为输出滤波电感。

模态2[t1, t2]：如图3b所示，t1时刻，主开关管Sm关断，由于结电容的存在，主开关管两端电压不能突变，故Sm实现零电压关断，一次电流给Ceq充电，充
电电流近似为恒定值iCeq，即
Ceq为主开关管Sm和钳位管Sc等效结电容之和，Sm漏源两端电压近似线性上升，当Sm漏源两端电压上升至输入电压Uin时，二次侧整流二极管VD2开始导通，该模态结束。

模态3[t2, t3]：如图3c所示，t2时刻，Sm漏源两端电压上升到Uin，整流二极
管VD2开始导通，二次侧开始换流。

当Sm漏源两端电压上升到Uin+uCc时此
模态结束。

模态4[t3, t4]：如图3d所示，t3时刻，钳位管Sc的体二极管导通。

Sm漏源两
端电压被钳位在Uin+uCc。

二次侧处在换流状态，VD1电流减小，VD2电流继续增大。

模态5[t4, t5]：如图3e所示，t4时刻，触发Sc导通，由于其体二极管处于导通
状态，故其两端电压为零，Sc实现零电压开通。

模态6[t5, t7]：如图3f所示，t5时刻，二次侧能量完全由反激变压器提供，二次侧换流结束，VD1关断，二次电流全部流过VD2。

一次侧钳位电容和正激变压器励磁电感谐振，钳位电容放电，励磁电感反向励磁。

模态7[t7, t8]：如图3h所示，t7时刻，关断钳位管Sc，由于其结电容的存在，
故钳位管两端电压不能突变，Sc实现零电压关断。

钳位管Sc关断后，正激变压器励磁电感和Ceq谐振，励磁电感抽走Ceq上的能量，Sm漏源两端电压开始下降，降到Uin时，此模态结束。

模态8[t8, t9]：如图3i所示，t8时刻，Sm漏源两端电压下降到Uin，二次侧二
极管VD1开始导通，Sm两端电压继续下降，当Sm漏源两端电压降为零时，其
体二极管开始导通，在主开关管的体二极管导通时触发导通主开关管Sm，Sm实现零电压开通。

模态9[t9, t10]：如图3j所示，主开关管Sm导通，一次电流方向为正，t10时刻VD2关断，二次电流全部流过VD1，开始下一个开关周期。

逆变器控制框图如图4所示，该逆变器采用平均电流控制方式，开关管Sm、Sc
采用高频单极性SPWM，二次侧S1、S2工频工作，S1工作在工频正半周期，S2工作在工频负半周期。

本文采用电网电压波形作为正弦波基准iref，iref通过过零比较器得到两路工频开关S1和S2的驱动；入网电流ig和基准iref经过电流环控制器得到误差放大信号Ue，将误差放大信号Ue与单极性三角波送入比较器生成
正半周驱动信号U1；误差放大信号取反得到-Ue，将-Ue与单极性三角波送入比
较器生成负半轴的驱动信号U2，将U1、U2通过或门生成主开关管Sm的驱动信号。

Sm驱动信号取反得到钳位管Sc驱动。

驱动信号生成框图如图5所示。

一次侧开关管加死区是为其自身实现软开关创造条件；二次侧驱动加死区是防止二次侧开关管因短路而被击穿。

3.1 输入输出关系
由反激变压器伏秒平衡可知
式中，Ts为单个高频开关周期。

由式（3）变换为
当电流连续时，令，有
当时
3.2 输出电流波形
当电流连续时，在主开关管Sm导通，钳位开关管Sc截止期间，变压器T1、T2一次电流改变量为
式中，为反激变压器一次侧电感。

一次电流最大值为
式中，为单个开关周期内，正、反激变压器T1、T2一次电流最小值。

正激变压器T1二次电流最小值为
变压器T1二次电流最大值为
所以，正激变压器T1二次电流变化量为
将式（5）代入式（11）得
在主开关管Sm关断、钳位开关管Sc导通期间，反激变压器T2二次电流改变量为
式中，为T2二次侧电感。

T2二次电流最大值为
变压器T2二次电流最小值为
将式（5）、式（8）、式（13）和式（14）代入式（15）可得
所以在单个开关周期内有
图6给出了n1=n2及n1≠n2时变压器二次侧输出电流3种典型波形。

当n1=n2时，有DiT1s=DiT2s，变压器二次侧输出电流连续；当n1≠n2时，DiT1s≠DiT2s，电流改变量增大，二次侧输出电流纹波较大。

为减小二次侧输出电流纹波，宜取
n1=n2。

综上，当n1=n2时，本文提出的正反激逆变器同反激式逆变器相比具有输出电流纹波较小的优点。

3.3 正、反激变压器功率传输比
单个高频开关周期Ts内，T1、T2向负载侧传递功率分别为
将式（9）、式（10）、式（14）和式（16）代入式（18）、式（19）得正、反
激变压器的传递功率之比为
由匝比相等，有
不同匝比情况下正、反激变压器一个工频周期内瞬时传递功率比如图7所示，在
一个工频周期内，正、反激变压器传递瞬时功率的分配比例并非固定不变，当输入电压一定的情况下，正、反激变压器传输功率之比随着输出电压的上升而增大，当占空比大于0.5时，正激变压器传输功率将超过反激变压器。

因此，本文提出的正反激逆变器相对于反激式逆变器来讲功率容量得到有效提升。

设计电路使主开关的最大占空比略大于0.5，不仅可以使该逆变器传输功率能力较反激逆变器成倍提升，而且两个变压器能够有效地分担功率，从而减小单个变压器的尺寸以及系统体积。

本文采用Saber仿真软件进行仿真证明，仿真参数如下：输入电压40V，电网电
压为单相220V/50Hz，输出功率400W，主开关管频率50kHz；正激变压器一次侧励磁电感222mH，漏感0.8mH；反激变压器一次侧励磁电感30mH，漏感
0.8mH；正、反激变压器一次、二次侧匝比均为1∶15∶15；一次侧钳位电容
1mF，开关管结电容1nF。

逆变器仿真波形如图8所示，图8a为逆变器满载时电网电压和入网电流波形，从图中可以看出两者之间没有相位差；图8b为二次侧二极管VD1、VD2电流波形，由仿真波形可知两二极管电流波形呈现互补。

实验样机参数如下：输入电压40V，电网电压为单相220V/50Hz，输出功率
370W，主开关管开关频率54kHz；正激变压器一次侧励磁电感222mH，漏感0.8mH，反激变压器一次侧励磁电感30mH，漏感0.8mH；正、反激变压器一次、二次侧匝比均为7∶105∶105；一次侧钳位电容1mH，开关管结电容1nF。

主开关管、钳位开关管取IXFH120N20P，整流二极管取DSEP30-12A，二次侧工频
开关管取IRFP460。

逆变器实验波形如图9所示，图9a为正激、反激变压器二次侧输出电压uT1s、uT2s，入网电流ig，电网电压ug波形；图9b为主开关管Sm驱动信号及其漏源两端电压波形，从实验波形可以看出主开关管实现零电压开关；图9c为钳位管Sc 驱动信号及其漏源两端电压波形，可以看到钳位管实现零电压开关；图9d为满载时入网电流ig和电网电压ug波形，可以看到入网电流和电网电压之间没有相位差；图9e为满载时入网电流ig和电网电压ug展开波形，可以看出该逆变器二次侧输出电流波形是连续的，输出电流纹波较小；图9f为轻载时入网电流ig和电网电压ug波形，可以看到入网电流和电网电压没有相位差，但其入网电流波形较满载时差一些。

正、反激逆变器实验样机效率和THD曲线如图10所示，图10a中，Po为输出
功率，满载时效率为92.3%；图10b中，满载时THD=2.1%，符合入网要求。

本文提出一种正、反激式光伏并网微型逆变器，通过仿真和实验验证了该逆变器的可行性，该逆变器具有以下优点：
1）二次侧仅用两个开关管，开关器件少，控制方式简单，驱动电路较少，可靠性高。

2）同反激逆变器相比具有输出电流纹波较小、功率容量较大等优点；与相同功率容量的交错反激逆变器相比具有开关器件少、控制方式简单等优点。

3）使用双变压器结构可以分担单个变压器功率容量，减小单个变压器尺寸，减小系统整体体积，使逆变器小型化；同时，双变压器结构可以省去二次侧输出滤波电感，减小系统成本。

4）一次侧引入有源钳位电路，一次侧开关管可以实现软开关，提高效率，占空比大于0.5，具有较好的输入电压适应能力。

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王星星男，1991年生，硕士，研究方向为电力电子功率变换器。

E-mail:
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嵇保健男，1983年生，博士，副教授，研究方向为电力电子功率变换器、多电平技术、新能源发电技术。

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