一种基于dsPIC的新型反激逆变器的实现

陈万里，王丽霞，王志刚，王照平

（黄河科技学院，河南 郑州 450063）

光伏PV（Photovoltaic也称为太阳能微型逆变器）发电系统作为一种便捷和前景广阔的可再生能源，其应用越来越广泛。与风能等其他形式的可再生能源相比，PV能源系统具备许多优势，如能够为单块面板和整个系统提供最佳转换效率，更低的安装成本等。因此采用微型逆变器的太阳能系统逐渐成为主要的发展方向之一。

1 系统原理

本文设计了一种新型的单级并网太阳能（PV）微逆变器。采用反激式转换器来产生与电网同相和同步的正弦电压和电流。此微逆变器可以和如下参数的PV模块连接：在25 VDC至45 VDC的输入电压范围内，可输出最大220 W的功率，最大开路电压为55 VDC。由于逆变器需要接入电网，因此本设计符合EN61000－3－2、IEEE1547 标 准 和 美 国 国 家 电 气 规 范（NEC）690等标准。

如图1所示，将太阳能微型逆变器模块接入电网包含两个主要工作：一是确保太阳能微型逆变器模块工作于最大功率点（MPP）；二是将正弦电流注入电网。图中微逆变器主要负责把PV电池板的输出电压转换成与电网同相的正弦输出电流和电压。电压转化的过程必须在其最大功率点（Maximum Power Point，MPP）完成。MPP是PV模块向负载提供最大能量时的PV输出电压。EMI/EMC滤波器主要用于抑制EMI/EMC噪声，并在逆变器输出和电网间提供阻抗。控制器和所有反馈电路的辅助电源由PV电池板电压提供。并网太阳能微逆变器的关键要求是在受太阳能照射和环境温度变化影响所导致的宽范围的输入电压和输入功率下提供高效率。而且，微逆变器必须高度可靠，即使用寿命长。

图1 太阳能微逆变器原理框图

2 主要模块设计

2.1 交错反激式转换器模块

本设计微逆变器使用交错反激式转换器，如图2所示。交错反激转换器可有效地减小通过大容量输入电解电容的纹波电流的RMS，从而延长电容的寿命。交错反激还可减小输出电流的纹波，从而降低输出电流的THD（谐波失真）。来自PV模块的直流输入被馈送到反激初级。反激MOSFET可由经调制的高频正弦PWM驱动，以在反激输出电容上产生整流的正弦输出电压/电流。两个反激转换器的工作相位相差180°，以实现交错运行。反激结构有两种工作模式。模式1：当反激MOSFET导通时，能量存储在反激变压器的初级。二极管（D1/D2）处于截止状态，因为施加到该二极管上的电压与变压器次级绕组形成反向偏置。在此期间，反激变压器像电感那样工作，变压器的初级电流（Ipri1/Ipri2）线性增大。负载电流由输出电容提供。模式2：当反激MOSFET关断时，施加在初级绕组上的电压会反向，从而产生次级绕组的电压，该电压使输出二极管（D1/D2）正向偏置。初级中存储的能量会传送到次级，这会使输出电容充电并为负载提供电流。在此期间，输出电压会直接施加于变压器次级绕组，进而使二极管电流线性减小。缓冲电路二极管、电容和有源箝位电路MOSFET以及电容用于将反激初级MOSFET电压箝位在安全值。当MOSFET关断时，施加在漏极和源极之间的电压（Uds）将是输入电压、箝位电压和泄漏尖峰电压（变压器泄漏电感所致）三者之和。经调制的正弦PWM产生经调制的正弦初级MOSFET电流，从而产生二极管的次级二极管电流。经调制的正弦次级二极管电流的平均值会在输出电容上产生整流正弦电压/电流。

图2 交错反激转换器原理框图

2.2 SCR（可控硅）全桥整流模块

SCR全桥用于将整流输出电压/电流转换成正弦电压/电流，如图3所示。全桥逆变电路克服了传统推挽电路的缺点，功率开关管Gate1和Gate2反相，相位互差180°，调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使Gate1和Gate2共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会产生畸变。因此SCR以工频进行开关。数字PLL用来保证逆变器的输出与电网同步。MPPT控制输出电流幅值/有效值。输出电流的波形由电流控制环进行控制。反激MOSFET的正弦调制PWM信号控制将能量传送至逆变器的输出电容。

图3 SCR（可控硅）全桥整流框图

3 主要参数设计

3.1 逆变器输出电压、电流

并网太阳能微型逆变器必须能从PV电池板获取电流并将其以单位功率因数传送到公用电网。在图2和图3的并网微型逆变器中，UAC是逆变器输出的基波；UL是连接电感（EMI电感）上的压降；Ugrid是公用电网的电压波形。假设损耗可忽略，可以发现：UAC＝Ugrid＋UL，其中所有变量均是形式为u＝UeJΦ的向量。在此基础上，便可计算出：

为了达到单位功率因数的条件，要求电流波形必须与公用电压波形相同，其关键是逆变器电压UAC，则由公式（1）得IAC：

3.2 变压器匝数

反激逆变器需要能将宽范围变化的输入PV电池板电压转换为整流的高电压交流。瞬时整流输出电压应大于瞬时电网电压，以便将正弦电流馈送到无穷大电压源（即电网）。利用变压器匝数比来将低直流电压提升至高电压。反激逆变器中使用的设计指标如下：输入电压范围：25～45 VDC；整流输出电压峰值范围：120～210 V；连续功率：190 W；开关频率：172 kHz。因此，反激转换器应该能够将最小可用PV电压（25 VDC）提升至最大峰值电网电压（210 V）。此转换器被设计为以最大62%的PWM占空比工作。反激转换器的输入和输出电压关系可由公式（3）表达如下：

式中，Urectified为逆变器输出电压；Uinmin为最小输入电压；N为变压器匝数比；Dmax为反激MOSFET的最大占空比。

如果Uinmin为22 VDC，Urectified为210 V，且最大占空比为0.62，则变压器的匝数比应该为N＝6。

3.3 MOSFET的选择

MOSFET的选择，必须考虑以下因素：最大击穿电压、连续电流、峰值电流等。在反激配置中，施加于MOSFET的最大电压可由公式（4）求得：

式中，Uds为施加于MOSFET漏极和源极之间的电压；Uin为25～45 VDC的输入电压；Urectified为当输出二极管导通时，施加于变压器初级的输出反射电压；Uleakage为因变压器泄露磁化电感导致的泄露峰值电压。

而最大输出电压将等于最大电网电压的峰值，即210 V。最大电网电压峰值时的最大反射电压可由公式（5）求得：

泄漏电压取决于变压器的泄漏电感。在满负载条件下，预期的泄漏电压峰值为30～35 V。因此，可计算出当Uinmax＝55 V时，MOSFET上的漏极到源极电压，如公式（6）：

MOSFET应该能在极端条件下处理最大连续电流和峰值电流。由于反激MOSFET的占空比为正弦调制，其电流也将为正弦曲线。在Uinmin处，最大输入平均电流将为9 A。最大输入电流将为9 A/Dmax，等于14.5 A。因此，正弦调制输入电流的峰值将为14.5 A×1.414＝20.53 A。输入电流在 MOSFET导通时呈线性增大，因此MOSFET电流在峰值电流之上，还有峰－峰纹波电流。最大峰－峰电流为输入峰值电流的20%。因此，MOSFET上的峰值电流可由公式（7）求得：

在交错反激转换器中，此电流将流入两个 MOSFET。

因此，每个MOSFET的最大峰值电流将约为11.5 A。

3.4 全桥晶闸管的选择

全桥配置中使用的晶闸管可将逆变器的输出电压/电流（整流后）转换为正弦电压/电流。SCR的最大电网电压将等于最大电网电压峰值。同时，SCR中的平均电流和峰值电流将等于电网电流。这里选择了Tecco Electronics的S8016N晶闸管。

4 系统测试结果

图4所示是微型逆变器实测电网电压和电流，其中幅度较大的是电网电压，幅度较小的是电网电流；图5所示是PV电池板的电压纹波和电流纹波。由实测结果可知该微型逆变器的主要指标达到：最大输出功率为185 W，标称输出电压为230 V，标称输出电流为0.8 A，输出电压范围为180 VAC～264 VAC，标称输出频率为50 Hz，输出频率范围为47 Hz～53 Hz，功率因数≥0.95，总谐波失真≤5%，效率：最大效率为95%。最大功率点追踪为99.5%，最小效率＞0.8。

图4 实测电网电压和电流

图5 PV电池板的电压纹波和电流纹波

5 结 论

本文设计并实现了一种新型反激式逆变器。该逆变器输出的交流电压波形为正弦波。正弦波逆变器的优点是：输出波形好、失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。此外，保护功能齐全，对电感性和电容性负载适应性强。而MOSFET功率器件的采用使得逆变器具有开关速度快、驱动功率小、线性好、过载能力强等特点。

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