1 引言
光伏并网系统可以分为集中式和分布式两种。传统的集中式光伏并网发电系统是将多块PV模块串并联作为输入源，最大功率点跟踪时无法兼顾系统中每块电池板，不能使每块PV模块都输出最大功率、系统抗局部阴影能力差。由于集中式光伏并网系统的这种局限性，故家用光伏并网系统越来越少的采用这种集中式系统。微功率逆变器拓扑结构的分布式光伏并网系统能够很好的解决这个问题，使得系统每块PV模块输出最大功率，具有很强的抗局部阴影能力。微功率逆变器架构的光伏系统为每块PV模块配备一个逆变器，其功率范围一般为80W-250W，该逆变器就称为微功率光伏并网逆变器。微功率逆变器架构的系统还具有可靠性高，易于扩展等优点，将成为光伏并网系统未来发展的主要方向之一。[1-2]
微功率光伏并网逆变器的输入电压范围很宽，一般为20V-60V，输出为交流电压220Vac/50Hz或者110Vac/60Hz；适用于微功率光伏并网逆变器的拓扑有很多种[3]，反激电路拓扑由于具有升降压、电气隔离功能，且电路结构简单，普遍用于微功率光伏并网逆变器的主拓扑。为了有效减小输入输出纹波以及提高效率，本系统采用了有源钳位交错反激电路作为微功率逆变器的主拓扑。
本文接下去将介绍反激逆变器的工作原理以及电流控制方案，采用saber软件对电流控制方案进行验证；并给出反激变压器电感设计和系统软件设计；最后设计一台200W的试验样机。
2 原理分析及仿真
如图1所示，有源钳位交错反激逆变器分为反激变换器和极性反转桥两部分，反激变换器将PV板输出的直流电变换为工频正弦双半波电流，再通过极性反转桥将正弦双半波电流变换为正弦电流注入到电网。
2.1 单路反激逆变器工作原理
交错反激是将两个反激输入输出并联，驱动波形相差180°。为了方便分析，只对单路反激原理进行分析，交错反激是在单路反激基础上，输入输出再叠加一个相位相差180°的电流波形。
如图2所示，在一个开关周期Ts内，PWM1导通、PWM2关断时原边侧电流线性Ipri增加，反激电感储能；PWM1关断、PWM2开通时，电容Csnub起到钳压作用，吸收漏感的能量，此时副边二管导通，反激电感向电网释放能量，副边侧电流Isec线性减小。在一个电网周期Tgrid内，经过电流环调制，原边侧和副边侧电流Ipri、Isec呈正弦双半波包络线；GD1、2为晶闸管驱动信号，经过全桥晶闸管的极性反转正弦双半波包络线电流变换为正弦波包络线电流Ig；正弦波包络线电流经过CL滤波滤除高次谐波后变成光滑的正弦波电流Io注入电网。
2.2 并网电流控制原理及其仿真验证
反激变换器是隔离型的buck-boost电路，故可以用buck-boost拓扑来代替反激电路分析，如图3所示。
电感电流IL与负载电流Io的关系：
IL=Io(1-D) (1)
电感电压：VL=sL·IL (2)
为了控制电流，可将该控制环闭合，为电流提供增益G(G=Kp+Ki /s)，即施加一个与电流误差成正比的电压：
VL=G·(ILref-IL) (3)
其中ILref为电感参考电流；
将(1)代入(3)得到
(4)
其中Ioref为输出参考电流；
根据buck-boost电路得到：
VL=Vin·D-(1-D)·Vo (5)
(Vin+Vo)·(1-D)=Vin (6)
由(4)(5)(6)得到
(7)
上式是基于buck-boost电路的控制环表达式，将Vin=N·Vin（N为匝比）代入上式得反激逆变器的控制环表达式：
(8)
式(8)表达式可以知道，为了使并网电流跟踪参考电流必须采样输出电压Vo，输入电压Vin，输出电流Io这三个参数，选择合适的PI参数就可以使并网电流成正弦波。[4]
由前面分析可知，系统的并网电流控制原理框图如图4所示。通过对系统电流控制策略的原理分析，建立了基于saber的交错反激逆变器的仿真电路图，如图5所示。输入电压为25V，输出电压电流为220Vac/1Aac，反激变压器的原边侧电感Lp=28uH，CL滤波的L=150uH，C=100nF，开关频率100kHz。图6为D=0.5时两路反激的副边电流及交错后的电流和，从中可以看出交错技术可以降低输出电流纹波，从而降低电流总谐波失真。图7为saber仿真的输出电压和电流波形图。应用saber中Analyses模块下的Fourier Analyses对输出电流进行谐波分析得出：并网电流1A时的THD=1.915%，低于IEC61727标准规定的5%。
3 实验样机设计
基于上面提出的方案，设计一个微功率并网逆变器实验样机。参照国外产品的规格，并网参数如下：Vin=22-45V，并网电压为220Vac±20%/50Hz，输出功率200W。系统采用全数字化控制方案，MCU选用高性价比的飞思卡尔dsp MC56F8323，其主频60MHz。反激电路的开关周期fs=100kHz。
3.1 反激变压器设计
变压器匝比：
本设计Dmax取0.62，故匝比n=10.4
为了防止两路交错反激的不均流，每路反激承受的功率要有20%的余量，即单路反激功率Po=120W。
对应的瞬时输出功率为：
Po=2×Po(sinθ)2
根据输入功率等于输出功率原则，一个高频开关周期内输入电流的平均值为：
在π/2时的电流峰值：
其中：Krp=ΔI/Ipk
根据法拉第定律得到原边电感为：
考虑磁芯损耗和绕组损耗，Krp取0.13，算出的Lp=27.9uH。
3.2 软件设计
本系统用到DSP的PWM、ADC、Timer1等模块。主要有AD中断和Timer1两个中断子程。其中AD中断20us执行一次，用于电网电压同步和电流环控制程序；Timer1中断100us执行一次用于两路交错反激的均流。
AD中断的流程如图8所示：两个PWM周期触发一次AD采样。AD中断先读取AD值，判断Vo是否过零，通过相位角θ查正弦表得到参考电流Ioref，根据式(8)计算下一开关周期的PWM占空比的控制量，从而使输出电流跟踪参考电流。
3.3 实验结果
根据以上的分析研制了一台200W实验样机，反激变压器采用RM14磁芯，匝比为8:84，图9为输入电压30V输出230Vac/0.9A的并网电压电流波形。用HIOKI 3193 Power HiTESTER测得并网电流的THD=4.56%。
4 结论
交错反激逆变器因其结构简单、电压可升可降并能实现电气隔离，适用于低压宽范围的微功率光伏并网逆变器。论文推导出基于反激拓扑的并网电流控制模型，并用saber软件仿真验证基于反激拓扑的电流控制方案的可行性。基于此电流控制方案设计了一台200W的交错反激并网逆变器，并给出了反激变压器的设计以及软件设计。仿真和实验结果表明整个并网逆变器电路结构简单，控制方案简单可行。
参考文献
[1] 张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2] 周小义.基于独立光伏组件并网逆变（ac module）的研究[D].北京：机械工业出版社，2011.
[3] Soeren Baekhoej Kjaer, John K.Pedersen, Frede Blaabjerg. Power inverter topologies for photovoltaic modules-a review[C]. Industry Applications Conference, 2002. 37th IASA, 2002: 782-788.
[4] CAO Xi-fei, ZHANG Wei-qiang. Grid-connected solar Micro-inverter reference design[C]. New Technology of Agricultural Engineering (ICAE), 2011: 239-243.
作者简介
张锦吉（1988—），男，福建南安人，硕士研究生，研究方向为电力电子变流技术，联系地址：福建省福州市福州地区大学新区学园路2号福州大学电气工程与自动化学院，电话：18950476251，邮箱：zhangjinji2009@qq.com
毛行奎（1978—），男，福建宁德人，副教授，博士，研究方向为电力电子高频磁技术、新能源发电技术；联系地址：福州市福州地区大学新区学园路2号福州大学电气工程与自动化学院，电话：13625046166
