临界模式混合光伏微型逆变器的特性分析

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华南理工大学电力学院、深圳茂硕电气有限公司的研究人员张峰、谢运祥、胡炎申、陈刚、王学梅,在2020年第6期《电工技术学报》上撰文,对临界模式(BCM)混合光伏微型逆变器的特性进行了详细分析。

该新型电路拓扑为非隔离虚拟直流母线结构,一方面,继承了升压-反激变换器的低变压器匝比、低漏感量、低电压应力等优点;另一方面,还具有反激变换器的降压特性。利用混合变换器在BCM的自然谐振特性,实现了主开关管的零电压或者谷压软开关,以及整流二极管的零电流软开关。

升压-反激变换器还提供了固有的无损吸收电路,使变压器的漏感能量得以利用,并实现了主开关管关断电压尖峰的钳位。上述特性使混合逆变器具有比传统的反激逆变器更小的变压器体积和更高的变换器效率。文中介绍了其工作原理,同时,推导了一种参考电流数学公式,以保证高的并网电流质量。

随着光伏电池技术的快速发展,光伏模块成本的不断降低以及电力电子技术的进步,分布式光伏发电系统相比其他可再生能源系统表现出极强的市场竞争力。光伏微型逆变器,也称为光伏交流模块式逆变器,因具有发电量高、安全性好、制造成本低、安装维护方便、支持“即插即用”、系统容量易于扩展等优点,在分布式光伏发电系统中逐渐被采用。

基于虚拟直流母线结构的反激式微型逆变器,输入输出隔离、结构紧凑、控制简单,近年来成为研究热点。有学者对断续模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)和临界模式(Boundary Conduction Mode, BCM)两种工作模式进行对比,指出DCM虽控制简单,具有零电流关断(Zero Current Switching, ZCS)软开关特性,但因主开关管的电流应力大,只适用于小功率场合;BCM功率密度更高,控制也不复杂,适合较高功率的应用场景。此外,将准谐振(Quasi-Resonant, QR)技术引入BCM,可实现主开关管的零电压软开关(Zero Voltage Switching, ZVS)或谷压软开关(Valley Switching, VS),进一步提高了变换器效率。

有学者提出一种适用于BCM的参数设计方法,对反激逆变器的权重效率进行了优化。连续模式(Continuous Conduction Mode, CCM)具有峰值电流小、电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)低、滤波器容易设计等优点,但控制系统传递函数复杂,且存在右半平面零点,增加了控制器的设计难度。

第三端口用于实现功率解耦的三端口反激拓扑结构,有利于延长逆变器使用寿命,提高其可靠性,然而变换效率有待于进一步提高。交错反激逆变拓扑,降低了电流纹波和电压、电流应力,提高了功率密度和功率等级。混合两相DCM/单相DCM或者两相BCM/单相BCM控制策略,能有效提高交错反激逆变器宽负载范围内的效率,但在两相与单相之间进行过渡时会产生并网电流的畸变,增大了总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)。

有学者采用非互补控制策略的有源钳位技术,将漏感能量回收利用,降低了漏感尖峰。有学者进一步介绍了一种自适应有源钳位技术,通过在低电网电压时,将有源钳位电路旁路的方式,实现了变换效率的进一步提升。

有学者采用倍工频工作的辅助开关管,提出一种自适应无损吸收混合DCM/ BCM的反激逆变器,通过在DCM时,旁路无损吸收电路的方法来提高变换器效率,克服了有源钳位电路中辅助开关管高频工作的缺点,然而,没有对DCM与BCM两种工作模式的平滑过渡展开研究,这将影响并网电流的质量。

有学者将串联谐振倍压整流器集成于基于直流母线结构的反激逆变器,在满足高增益特性的前提下,降低了变压器匝比,同时也减小了漏感量,这为解决漏感问题提供了新的思路。然而,采用直流母线结构,逆变单元的开关管也工作于高频状态,与虚拟直流母线结构相比,控制更复杂,变换效率更低;此外,该拓扑并非消除而只是降低了漏感量,故仍需采用有源钳位或者无损吸收技术来回收漏感能量。

升压-反激变换器如图1所示,相比传统的反激变换器,同样降低了变压器匝比和漏感量,并且存在固有的无损吸收电路而无需外加电路元件。有学者将升压-反激变换器应用于基于直流母线结构的微型逆变器,尽管该电路拓扑不具有隔离功能,但可效仿传统的非隔离组串式或集中式逆变器,通过增加两个继电器来满足安规要求。然而,升压-反激变换器不适用于基于虚拟直流母线结构的微型逆变器,原因在于其不具有降压功能。

图1 升压-反激变换器

华南理工大学电力学院、深圳茂硕电气有限公司的研究人员,将一个开关管和一个二极管集成于升压-反激变换器,构建一种非隔离虚拟直流母线混合微型逆变器,并且,基于具有软开关特性的BCM峰值电流控制,对该新型电路拓扑的特性进行了详细的分析。

图2 混合微型逆变器

图3 主电路及控制框图

该电路拓扑在半工频周期内交替工作于升压-反激(Boost-Flyback, BF)模式和反激(Flyback, F)模式:当工作于BF模式时,在低的变压器匝比和漏感量下,获得了高的电压增益和低的电压应力,此外,还提供了固有的无损吸收电路,漏感能量得以回收利用,实现了主开关管的电压钳位;F模式解决了BF模式不能降压的问题,使得在直流母线处产生直流正弦全波(馒头波)成为可能。介绍了该电路拓扑的工作原理,并推导了一种参考电流数学公式以获得理想的并网电流。

图4 实验样机

该新型电路拓扑本质上通过引入反激模式将升压-反激变换器应用于基于虚拟直流母线结构的微型逆变器领域。采用的模式过渡开关网络(一个开关管和一个二极管)仅工作于倍工频,不会增加过多的开关损耗和成本。大部分时间工作于升压-反激模式,可自然地实现升压-反激模式与反激模式之间的平滑过渡。

理论分析和实验结果都表明,相比传统的BCM反激微型逆变器,除了具有高升压比和软开关特性外,该逆变器还具有:1)低的变压器匝比和漏感量,降低了变压器体积,提高了变压器利用率;2)低的电压应力,包括低的理想电压应力和低的漏感尖峰电压;3)固有的无损吸收电路,无需外加电路元件;4)较高的变换器效率。以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》,论文标题为“临界模式混合光伏微型逆变器的特性分析”,作者为张峰、谢运祥、胡炎申、陈刚、王学梅。


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