【学术论文】一种用于光伏微型逆变器的功率解耦电路
摘要：
为了解决光伏并网系统中二次功率扰动的问题，提出了一种以反激式微型逆变器为基础，包含功率解耦功能的新型三端口电路拓扑结构。其中的一个端口可以用低容值长寿命的薄膜电容取代大容值短寿命的电解电容来实现功率解耦，提高整个逆变器的使用寿命。仿真和实验验证了该解耦电路的可行性和稳定性。
微型光伏并网逆变器（简称微逆），在光伏板的输出功率中存在二倍于工频频率的功率波动，影响了系统的能量转换率。一般的解决办法是用一个大容量的电解电容并联在光伏板的输出侧，以此来抑制二次功率扰动。但是因为逆变器的寿命远大于电解电容的寿命，系统的稳定性受到影响。通过近几年国内外专家学者的调查和研究，微型逆变器解耦电容的容值大大减小，容值大寿命短的电解电容就被容值小寿命长的薄膜电容取代，提高了微逆的稳定性和使用寿命[1-5]。
文献[6]中提出的反激式微型逆变器用了交错并联结构，仿真验证中235 W的微型逆变器需要50 μF的薄膜电容，但是控制方式和电路拓扑结构较为复杂。文献[7]中提出了一种新型功率解耦电路，使用两个电容进行能量传递，但该电路适合功率等级比较大的系统。
上面这些方法中电路控制方式比较复杂，效率也比较低,有些不适合微型逆变系统。本文提出的三端口反激变换器因为其紧密的拓扑结构成为一个优选拓扑方案。首先提出二次功率扰动的问题，接着对拓扑的工作原理进行分析，最后对提出的拓扑结构进行仿真和实验验证。
光伏板的输出功率中存在二倍于工频频率的功率波动。输出电流和电压，输入功率和输出功率如图1所示[8-9]。
并网功率：
由式(4)可知,大容值电解电容并联在光伏板的输出端对二次功率波动的问题起到抑制作用。但是短寿命的电解电容影响了微逆的寿命[9-10]。
2.1 新型微型逆变器的拓扑结构
新型微型逆变器的拓扑结构如图2所示。主要由光伏板、反激式高频变压器、整流二极管、滤波电路、H桥工频逆变电路和功率解耦电路组成。
2.2 工作原理
比较光伏板的输出功率PPV和微逆的输出功率Pac，把电路分成两种模式。
两种模式下开关管驱动信号和变压器各端电流如图3所示。
模式1：输入功率PPV大于输出功率Pac。工作过程被分成了4个阶段，如图4所示。
第1阶段(t0≤t<t1)：如图4(a)所示，t0时刻，开通主开关管Sm。假设在一个开关周期内输入电压Udc恒定，则励磁电流为：
第2阶段(t1≤t<t2)：如图4(b)所示，关断主开关管Sm，开通解耦端开关管S3，假设一个开关周期内电容Cd的电压Ucd保持不变，[t1，t2]期间有式(7)：
开关管S3开通时间为：
第3阶段(t2≤t<t3)：如图4(c)所示，关断开关管S3，开通副边开关管S1，假设电网电压Uac是恒定的，副边线圈电流可以表示为：
t3时刻，im(t)、is(t)下降为零，这个阶段的时间为：
第4阶段(t3≤t<t4)：如图4(d)所示，电感Lf和电容Cf能量传向电网，变压器完全磁复位，因为微逆工作在DCM模式，所以有：
模式2：输出功率Pac大于输入功率PPV。该模式和模式1一样也可以分成4个阶段。图5给出和模式1不同的阶段2。
使用PSIM软件，对光伏板和微逆进行仿真。表1为电路的关键参数。
图6是光伏板的输出电流和电压。光伏板的输出电流和电压均有二倍于电网频率的频率波动。
图7（a）为加入功率解耦电路后光伏板输出电流和电压，二次功率扰动得到抑制。图7（b）解耦电路中解耦电容上的电压为二倍电网频率，功率解耦通过不断地充电和放电过程得以实现。图7（c）入网电流和电网电压同频同相，满足并网的要求。
搭建了一个功率为100 W的单相光伏并网微型逆变器样机，具体参数同表1。
图8为并网电流和电网侧的电压、光伏板的输出电流以及解耦电路中解耦电容电压纹波。随着解耦电容不断的放电和充电，其电压纹波为电网频率的两倍。光伏板的输出电流恒定，说明其输出功率在稳态时基本不变。
本文提出的新型微型逆变器解耦电路中的解耦电容完全可以用小容值长寿命的薄膜电容来取代电解电容，整个系统在输入和输出功率上达到一个动态平衡的状态，微逆的整体寿命和可靠性得到提高，仿真和实验验证了该电路的可行性和稳定性。
参考文献
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作者信息:
李正明，张家浚，何 斌
（江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江212013）