臨界模式混合光伏微型逆變器的特性分析

華南理工大學電力學院、深圳茂碩電氣有限公司的研究人員張峰、謝運祥、胡炎申、陳剛、王學梅，在2020年第6期《電工技術學報》上撰文，對臨界模式（BCM）混合光伏微型逆變器的特性進行了詳細分析。

該新型電路拓撲為非隔離虛擬直流母線結構，一方面，繼承了升壓-反激變換器的低變壓器匝比、低漏感量、低電壓應力等優(yōu)點；另一方面，還具有反激變換器的降壓特性。利用混合變換器在BCM的自然諧振特性，實現(xiàn)了主開關管的零電壓或者谷壓軟開關，以及整流二極管的零電流軟開關。

升壓-反激變換器還提供了固有的無損吸收電路，使變壓器的漏感能量得以利用，并實現(xiàn)了主開關管關斷電壓尖峰的鉗位。上述特性使混合逆變器具有比傳統(tǒng)的反激逆變器更小的變壓器體積和更高的變換器效率。文中介紹了其工作原理，同時，推導了一種參考電流數(shù)學公式，以保證高的并網(wǎng)電流質(zhì)量。

隨著光伏電池技術的快速發(fā)展，光伏模塊成本的不斷降低以及電力電子技術的進步，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比其他可再生能源系統(tǒng)表現(xiàn)出極強的市場競爭力。光伏微型逆變器，也稱為光伏交流模塊式逆變器，因具有發(fā)電量高、安全性好、制造成本低、安裝維護方便、支持“即插即用”、系統(tǒng)容量易于擴展等優(yōu)點，在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中逐漸被采用。

基于虛擬直流母線結構的反激式微型逆變器，輸入輸出隔離、結構緊湊、控制簡單，近年來成為研究熱點。有學者對斷續(xù)模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）和臨界模式（Boundary Conduction Mode, BCM）兩種工作模式進行對比，指出DCM雖控制簡單，具有零電流關斷（Zero Current Switching, ZCS）軟開關特性，但因主開關管的電流應力大，只適用于小功率場合；BCM功率密度更高，控制也不復雜，適合較高功率的應用場景。此外，將準諧振（Quasi-Resonant, QR）技術引入BCM，可實現(xiàn)主開關管的零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS）或谷壓軟開關（Valley Switching, VS），進一步提高了變換器效率。

有學者提出一種適用于BCM的參數(shù)設計方法，對反激逆變器的權重效率進行了優(yōu)化。連續(xù)模式（Continuous Conduction Mode, CCM）具有峰值電流小、電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）低、濾波器容易設計等優(yōu)點，但控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)復雜，且存在右半平面零點，增加了控制器的設計難度。

第三端口用于實現(xiàn)功率解耦的三端口反激拓撲結構，有利于延長逆變器使用壽命，提高其可靠性，然而變換效率有待于進一步提高。交錯反激逆變拓撲，降低了電流紋波和電壓、電流應力，提高了功率密度和功率等級?；旌蟽上郉CM/單相DCM或者兩相BCM/單相BCM控制策略，能有效提高交錯反激逆變器寬負載范圍內(nèi)的效率，但在兩相與單相之間進行過渡時會產(chǎn)生并網(wǎng)電流的畸變，增大了總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）。

有學者采用非互補控制策略的有源鉗位技術，將漏感能量回收利用，降低了漏感尖峰。有學者進一步介紹了一種自適應有源鉗位技術，通過在低電網(wǎng)電壓時，將有源鉗位電路旁路的方式，實現(xiàn)了變換效率的進一步提升。

有學者采用倍工頻工作的輔助開關管，提出一種自適應無損吸收混合DCM/ BCM的反激逆變器，通過在DCM時，旁路無損吸收電路的方法來提高變換器效率，克服了有源鉗位電路中輔助開關管高頻工作的缺點，然而，沒有對DCM與BCM兩種工作模式的平滑過渡展開研究，這將影響并網(wǎng)電流的質(zhì)量。

有學者將串聯(lián)諧振倍壓整流器集成于基于直流母線結構的反激逆變器，在滿足高增益特性的前提下，降低了變壓器匝比，同時也減小了漏感量，這為解決漏感問題提供了新的思路。然而，采用直流母線結構，逆變單元的開關管也工作于高頻狀態(tài)，與虛擬直流母線結構相比，控制更復雜，變換效率更低；此外，該拓撲并非消除而只是降低了漏感量，故仍需采用有源鉗位或者無損吸收技術來回收漏感能量。

升壓-反激變換器如圖1所示，相比傳統(tǒng)的反激變換器，同樣降低了變壓器匝比和漏感量，并且存在固有的無損吸收電路而無需外加電路元件。有學者將升壓-反激變換器應用于基于直流母線結構的微型逆變器，盡管該電路拓撲不具有隔離功能，但可效仿傳統(tǒng)的非隔離組串式或集中式逆變器，通過增加兩個繼電器來滿足安規(guī)要求。然而，升壓-反激變換器不適用于基于虛擬直流母線結構的微型逆變器，原因在于其不具有降壓功能。

華南理工大學電力學院、深圳茂碩電氣有限公司的研究人員，將一個開關管和一個二極管集成于升壓-反激變換器，構建一種非隔離虛擬直流母線混合微型逆變器，并且，基于具有軟開關特性的BCM峰值電流控制，對該新型電路拓撲的特性進行了詳細的分析。

該電路拓撲在半工頻周期內(nèi)交替工作于升壓-反激（Boost-Flyback, BF）模式和反激（Flyback, F）模式：當工作于BF模式時，在低的變壓器匝比和漏感量下，獲得了高的電壓增益和低的電壓應力，此外，還提供了固有的無損吸收電路，漏感能量得以回收利用，實現(xiàn)了主開關管的電壓鉗位；F模式解決了BF模式不能降壓的問題，使得在直流母線處產(chǎn)生直流正弦全波（饅頭波）成為可能。介紹了該電路拓撲的工作原理，并推導了一種參考電流數(shù)學公式以獲得理想的并網(wǎng)電流。

該新型電路拓撲本質(zhì)上通過引入反激模式將升壓-反激變換器應用于基于虛擬直流母線結構的微型逆變器領域。采用的模式過渡開關網(wǎng)絡（一個開關管和一個二極管）僅工作于倍工頻，不會增加過多的開關損耗和成本。大部分時間工作于升壓-反激模式，可自然地實現(xiàn)升壓-反激模式與反激模式之間的平滑過渡。

理論分析和實驗結果都表明，相比傳統(tǒng)的BCM反激微型逆變器，除了具有高升壓比和軟開關特性外，該逆變器還具有：1）低的變壓器匝比和漏感量，降低了變壓器體積，提高了變壓器利用率；2）低的電壓應力，包括低的理想電壓應力和低的漏感尖峰電壓；3）固有的無損吸收電路，無需外加電路元件；4）較高的變換器效率。

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