【我的毕设作品】准单级交错并联反激光伏并网微型逆变器

光伏并网微型逆变器（以下简称“微逆”），属于光伏发电中市场份额比较小的一个研究方向，国内自主研制的微逆形成商业化大概是2009年，由上海英伟力独立研制的，至今也就十年，而且现如今还存活的国内微逆厂商依然还是在用反激拓扑，硬件和维护成本高一直制约着微逆的大规模发展。当然这几年光伏行业整体变凉是行业趋势，骗补贴的日子渐行渐远了。

微逆的特点是一块光伏板对应连接一块微逆，商业化的单路微逆功率一般为250W~300W，这也是造成成本高的原因，个板子上至少300以上的元器件，能不贵么？但是这样的好处是具有独立的最大功率点跟踪（MPPT），可以最大化的利用光伏板的电能。现在为了降低成本，一些微逆厂家已经做出了4路独立MPPT，功率在1200W的大个头微逆了，功率等级快赶上小功率的组串逆变器了，其实质上是相当于将4个单板微逆集成到了一起，这样可以连接4个光伏板。从单路到双路，然后是4路，不知道以后会不会有6路、8路或者更多路输入，逐渐组串化发展？！所以，简单说下单路的微逆，也就能对双路和四路有所了解了。

微逆为什么要用用反激拓扑？

微逆是一个电流源，控制并网电流向电网输送电能，组串和集中式光伏逆变器是一个电压源并网。反激式拓扑如下图所示，主要包括输入端的光伏电池板、反激变换器、全桥反转电路、EMI滤波电路和电网组成：

微逆的主要控制算法就是在反激变换器（FLYBACK）这个环节实现，因此研究微逆的重点应该放在此处。

反激式微型逆变器拓扑电路中的反激式隔离变压器为周期性工作模式，可根据变压器磁通是否连续分为断续导通模式（Discontinuous Current Mode，DCM）、连续导通模式（Continuous Current Mode，CCM）和临界导通模式（Boundary Current Mode，BCM）三种模式。当反激变换器工作在DCM时，具有电流源特性，CCM时具有电压源特性，BCM是介于DCM和CCM的一种特殊模式，工作在BCM时也具有电流源特性。因此作为电流源，反激拓扑的微逆会将反激变换器设定在DCM和BCM两种工作模式下。

我们知道开关电源中，反激拓扑的电能转换效率一般不高，而微逆想在市场上具有竞争力，就需要有高效的电能转换效率，使用反激拓扑采用的控制策略是将该拓扑看成一个准单级，并且反激变换器的开关管使用ZVS，以降低开关损耗。微逆采用反激拓扑还有一个原因是需要小体积，且尽可能的降低硬件成本。

为什么用交错并联反激方式？

单端反激式变换电路的输出端纹波电压较大，因此限制了输出功率，该拓扑结构多用于较小功率范围的电路中。为提高反激变换电路输出功率，改善电路的纹波现象，交错并联反激式变换电路应运而生。交错并联式拓扑结构是在单端反激式拓扑结构基础上，将两个单端反激电路并联，该拓扑结构能减小输入端开关器件的电流应力，输出电流是两个单端反激电路输出电流的和，同时输出端电压保持不变，因此可以提高系统的输出功率。反激式变换电路输出的峰值功率等于并网逆变器输出的峰值功率，采用交错并联方式时变压器的峰值功率能成倍减小，从而减小变压器的体积和磁芯损耗。另外，交错并联反激式拓扑结构还可降低系统输出电流谐波、减小输出端的滤波电路设计、减小系统装置体积、降低硬件设计成本。

激变换器的特征是：当开关管导通时，反激变换器储能；当开关管关断时，反激变换器释放电能。那么在同一个开关周期内，将两个反激变换器交错并联：FLYBACK1导通时，FLYBACK2关断；FLYBACK1关断时，FLYBACK2导通；这样在一个开关周期内，时时刻刻都有能量从原边输送到副边，单端反激变换器一般功率在100W~150W，通过这种交错并联方式直接将输出功率翻倍，因此大大的提高反激变换器的功率密度。

在反激变换器中加入了有源钳位电路：有源钳位电路的原理是利用变压器的电感电流短时间内不能突变的特性，来抑制开关器件的电流上升率，再利用电容电压短时间内不能突变的特性，来抑制开关器件的电压上升率，钳位电路可以抑制尖峰电压和尖峰电流，减少开关器件损耗，提高系统转换效率。

微逆的控制的核心算法有哪些？

微逆的控制算法主要是三大块：峰值功率控制、最大功率点跟踪（MPPT）和锁相环，三者紧密相连，共同组成了准单级反激式光伏并网微型逆变器。由于微逆需要处理的数据较多，因此需要选择高性能的DSP，常见是常见选择的是TI或者FREESCALE的32位DSP，有的直接选择使用FPGA。

DSP/FPGA将硬件电路检测到的电网电压进行D/A转换，使用软件锁相环实时运算，将检测到电网的电角度θ、电网电压和频率，最关键的一环就是这个电网电角度θ，θ是用于计算反激变换器开关周期的关键参数。

因为反激变换器开关周期表达式TS是：

其中，Lp是反激变压器原边感量、Pop是输出功率、D是占空比、UPV是光伏电池板输出的电压，以上这几个量是常数或者可以使用硬件电路检测得到。sinθG即是由电网电角度计算得到。

一个电网周期如下图：

因此在一个电网周期内，不同时刻的电网电角度θ是不同的，那么反激变换器开关周期Ts也是跟随者变化的，所以反激变换器输出的电网半个周期的电流波形呈现为“馒头波”，其包络线就是正弦半波，如下图：

简单点说，就是半个电网的波形长什么样子，由电网电角度反馈到反激变换器的开关周期形成的包络线就长什么样子。

主要控制波形如下图所示：UGS1和UGS2是交错并联反激变换器的开关控制波形，UG3(UG5)和UG4(UG6)是全桥反转电路控制波形，iD1和iD2是两个反激变换器的整流二极管输出的电流波形，uG是电网电压，iG是并网电流

注：上图借用于网络，不是我自己画的，我之前画的比这个详细的多，但是笔记本换硬盘了，一时之间没有找到。

这个时候，全桥反转电路就登场了，反激变换器经过整流二极管输出的是包络线为正弦半波的馒头波，此时通过一个工频（50Hz/60Hz）控制，在两个馒头波的交接处（就是过零点的地方）进行反转，即可将正弦半波反转为标准的正弦交流，PWM也就是上图中的UG3(UG5)和UG4(UG6)。

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最大功率点跟踪：

最大功率点跟踪的目的是：将光伏电池板上的电能，最大化的送给光伏逆变器。由于光伏电池板不是电流源也不是电压源，表现光伏电池板主要特性是曲线如下图：

还有其他网站转载的，名字叫《是什么让业内巨头退出光伏逆变器业务？》，感兴趣的可以直接百度去看看。

如果有坛友感兴趣的话，我可以把这些论文上传到论坛。

部分截图如下：

这是反激变压器设计的一些基本参数

下图是反激变换器初级电流仿真波形，从整体上看“馒头波”的包络线是一个正弦半波，也就是半个电网的周期。将其放大后可以看到是斜坡向上的梯形的电流波形。

与上图对应的，下图是反激变换器次级电流仿真波形。也即是在同一个开关周期内，初级存储能量，次级释放能量。

并网电流和电网电压的仿真波形如下图所示。

其中，红色的波形为电网电压，粉色的波形是逆变器输出的并网电流。

并网电流和电网电压呈现的是同频同相的状态，这时需要注意，根据国家相关规定，并网的电流总谐波含量（THDi）应该小于等于5%才允许并网。

否则，谐波太大了会对电网造成污染，而且也会损坏用电器。

系统总的设计框图大体上是这样的。

系统主控芯片为 Microchip 公司的 dsPIC33FJ16GS504 数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）芯片，DSC 除了完成 PWM 控制信号和电压电流检测以外，还负责峰值功率控制、 MPPT 算法、数字锁相环算法等其他功能。

微型逆变器主要包括输入解端耦电容、有源钳位交错并联反激变换电路、全桥电路、输出滤波电路。外围电路主要包括辅助电源、栅极驱动电路、隔离驱动、光伏电池板电压检测、反激电流检测电路、电网电压和电流检测电路等。

交错并联反激式光伏并网微型逆变器硬件框图

交错并联反激变换器硬件电路：

这是反激式微逆的核心硬件部分，将光伏电池板的直流电，通过反激电路，

转换为包络线为正弦半波的“馒头波”.

MMPT和峰值功率控制算法，也是在此电路中实现的。

全桥极性反转电路，主要作用是将反激变换器通过整流二极管后输出的正弦半波电流，

通过50Hz工频转换为与电网同频同相的正弦波形。

EMI滤波电路：

由于经过了高频（180kHz~450kHz）的反激变换器电路转换，并网电流中会含有高频谐波，

所以需要滤波电路滤除这些谐波，而且还应该满足安规和EMC要求。

当然我这个设计是属于毕设，不能过商业用的安规、可靠性和EMC，更拿不到认证，

主要以研究学习为主，属于简化版的微逆，因为商业 还要考虑孤岛效应、连接监控等。

设计的PCB如下图，尺寸是：125mm×230mm×45mm。

现在回头看看，感觉画的板子还是很粗糙的。

另外还搜集了3D封装，转换成3D视图的画，看起来会好看很多：

焊接出来的实物图片就是这样了，还要非常感谢师弟们帮我买元器件而且还帮忙焊接了很多元器件。

和3D视图对比，是不是有一种瞬间将理论的东西变现的感觉，说实话当时还是很有成就感的。

推出光伏微逆参考方案的厂家有微芯和TI，可以直接在其官网搜索到对应的文档资料。

记得好像英飞凌也有光伏逆变器方案，不过没有去自习研究。’

首先，看下并网电流和电网电压的波形，这也是微逆最终要实现的目的。

图中，黄色波形即是电网电压波形，绿色波形即是并网电流波形，可以看出两者之间的相位和频率一致的。

4通道绿色是并网电流，1和3通道是两路反激变换器输出电压波形，可以看出馒头波 包络线和并网电流是一样的正弦半波。

将其中一路反激变换器输出的馒头波展开，这是工作在DCM模式下一个周期的波形。

这是工作在BCM模式下一个开关周期的波形，此时的是谐振软开关。