反激式微逆集群并网谐波交互性能对比研究

摘要

上海市电站自动化技术重点实验室（上海大学自动化系）、教育部光伏系统工程研究中心（合肥工业大学电气与自动化工程学院）的研究人员冯夏云、汪飞等，在2018年第11期《电工技术学报》上撰文，采用小信号法建立了电流反馈控制型及准谐振峰值电流控制型反激式微型逆变器的诺顿等效模型，并提出了并网谐波交互机理的分析方法。

基于该诺顿等效模型，分析了两种反激式微型逆变器的并网谐波交互情况，研究了两种逆变器集群并网时的抗谐波交互能力以及集群的并网谐波交互性能。揭示了准谐振峰值电流控制型反激式微型逆变器具有比电流反馈控制型反激式微型逆变器更窄的谐振频带，从而使得前者比后者具备更强的抗谐波交互能力。最后在理论分析和仿真、实验基础上，设计了2台250 W样机进行机理性的实验验证。

微型逆变器（简称微逆）作为分布式光伏发电系统模块化结构的关键技术，受到了广泛研究和关注[1-6]。全美最大的微逆生产商Enphase在过去十几年内已经售出1 300万台微逆，超过54万用户[7]，目前Enphase也计划进军中国市场[8]。国内首个微逆系统工程于2011年在浙江嘉兴建成，在国家对光伏产业大力扶植的背景下，微逆将会是未来光伏并网逆变器重要的发展趋势之一。

目前微逆的主流设计方案采用高频磁链技术。Enecsys推出的微型逆变器采用了半桥高频磁链技术，实现了高功率密度集成及无电解电容；英飞凌提供基于LLC谐振高频磁链的微型逆变器方案。但是这类逆变器采用了多级结构，使得系统效率和成本提升空间不大，同时复杂的控制对微控制器提出了较高要求。

大规模应用于商业的是基于反激变换器的微型逆变器方案（如Enphase, Power-One等，简称反激逆变器）。这些方案主要采用电流反馈控制或峰值电流控制实现反激变换器电流源控制。其中，电流反馈控制中反激电路工作在CCM模式（Continuous Current Mode，连续电流模式），峰值电流控制中工作在BCM模式（Boundary Current Mode，临界连续电流模式）。由于DCM模式（Discontinuous Current Mode，断续电流模式）的反激变换器功率密度较低，所以没有应用在微型逆变器场合。

文献[3,9]研究表明，工作在CCM模式的反激逆变器效率将会高于工作在BCM模式的反激逆变器。但文献[5,10-12]提出电流反馈控制的反激逆变器小电流并网时容易进入DCM模式，而引起电流畸变问题，故对电流反馈控制提出了更高的设计要求。

显然，对于两种控制模式下的单个反激微逆研究较为成熟。但随着其应用过程中的集群效应加剧，本文希望从谐波交互角度，对比出两种反激逆变器的并网性能优劣。谐波交互问题首先在组串式逆变器集群并网系统中突显，于是引起了众多学者的广泛关注[13-19]。

目前研究方法主要有基于环路稳定性的分析方法[13-15]和基于阻抗网络外特性的分析方法[16,19]。采用基于环路稳定性的分析方法[20]建模时忽略了诸如线阻抗及不同逆变器输出特性等导致建模复杂的因素，使得该方法不精确，难以应用于不同逆变器并联系统。

而基于阻抗的分析方法[21]考虑了线阻抗等因素，精度更高，采用节点电压法分析并网公共点阻抗特性时，可以分析具有不同输出特性的集群并网系统。因此本文采用基于阻抗稳定性判据的方法分析了以上两种反激逆变器集群并网谐振问题。

文献[22]首次研究了微逆并网谐波交互的问题，本文将采用其研究思路对比两种反激逆变器集群并网谐波交互性能。

首先，本文分别介绍了电流反馈控制型反激逆变器和准谐振峰值电流控制型反激逆变器的工作原理，利用小信号建模法分别求得两种反激逆变器等效诺顿模型；然后利用系统导纳矩阵分析了两种反激逆变器各自集群阻抗与电网阻抗匹配情况，可计算出各自的谐振点及谐振阻抗，并就两种微逆集群系统并网谐波交互能力进行了对比，发现准谐振峰值电流控制相对于电流反馈控制具有较窄的谐振频带，减小了准谐振峰值电流控制谐振多发性，从而使得其抗谐波交互能力优于电流反馈控制；最后通过搭建仿真模型验证了本文研究方法和结论的有效性，并设计了2台250 W的反激式微型逆变器进行了相关的实验验证。

图1 反激式微型逆变器

结论

本文采用小信号分析法得到了两种反激逆变器诺顿等效模型。利用等效诺顿模型，对比分析了两种反激逆变器集群并网时谐波交互性能，并得到了如下结论：

1）分析了两种具有伪直流母线的反激式微型逆变器，计算了正弦波并网时不同静态工作点下的反激式微型逆变器输出特性及谐波交互问题。

2）准谐振峰值电流控制型微逆在不同电网电压的静态工作点处谐振频带较电流反馈控制的微逆谐振频带窄，减小了准谐振峰值电流控制逆变器谐振多发性，从而使得其谐波交互能力优于电流反馈控制。