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1、技術學刊 第三十卷 第四期 民國一四年331 Journal of Technology, Vol. 30, No. 4, pp. 331-342 (2015)無電流感測最大功率追蹤之交錯返馳式 光伏能量轉換系統朱慶隆* 蔡明村 鄭紹賢 梁傳峻南臺科技大學電機工程系摘 要本文提出無電流感測最大功率追蹤之交錯返馳式光伏能量轉換系統，此為一市電並聯型直流交流太陽能轉換器，其具控制較簡單及隔離之特性。返馳式轉換器以正弦脈波寬度調變 (sinusoidal pulse-width modulation, SPWM) 訊號來控制，並聯交流輸出側以一全橋式架構做低頻切換，實現此太陽能轉換器具單功因交流電流
2、輸出。為降低輸出電流之漣波，分散開關元件承受之應力，提升轉換效率，並改善散熱問題，本文採用交錯返馳式轉換器，能使太陽能轉換器散熱更加容易，並減少輸出濾波電感和濾波電容值。為降低轉換器電路之體積及成本，提出一無電流感測器最大功率追蹤方式，不需使用傳統最大功率追蹤 (maximum power point tracking, MPPT) 所需之電流感測元件，而以太陽能輸出之電壓與估算導通週期來計算太陽能電池之輸入功率，以達成最大功率追蹤之目的。關鍵詞：返馳式，交錯，最大功率追蹤，無電流感測。INTERLEAVED FLYBACK INVERTER CONTROLLED BY SENSORLESS
3、CURRENT MPPT FOR PHOTOVOLTAIC ENERGY CONVERSION SYSTEM Ching-Lung Chu* Ming-Tsung Tsai Shao-Sian Jheng Chuan-Jyun Liang Department of Electrical Engineering Southern Taiwan University of Science and Technology Tainan, Taiwan 71005, R.O.C. Key Words: Flyback, interleaved, MPPT, current sensorless. AB
4、STRACT This paper presents an interleaved flyback inverter controlled by a sensorless current maximum power point tracking (MPPT) for Photovoltaic (PV) energy conversion system. The small PV system adopts a DC/AC inverter in parallel with an AC grid. The PV system has a simple controller and galvani
5、c isolation characteristics. The flyback converter uses sinusoidal pulse-width modulation (SPWM) to control, and operates in discontinuous conduction mode. The output of the flyback converter through a full bridge switch controlled by utility frequency is connected in parallel with the AC *通訊作者：朱慶隆，
6、e-mail: clchustust.edu.tw Corresponding author: Ching-Lung Chu, e-mail: clchustust.edu.tw332技術學刊 第三十卷 第四期 民國一四年grid to achieve a single phase AC sinusoidal current output. In order to decrease the output current ripple, disperse switch stress, increase conversion efficiency and improve the heat diss
7、ipation problem, the interleaved flyback converters are used to render heat dissipation easier and reduce the values of the output filter inductor and filter capacitor. Furthermore, in order to reduce circuit size and cost of the small PV, the MPPT of the PV system adopts the sensorless current meth
8、od. The sensorless current MPPT utilizes estimating the PV power by measuring the PV voltage and calculating the duty cycle to achieve the MPPT function. 一、前 言因綠色能源之使用日漸成長，近年來單相直流交流轉換器的應用日益增加1，如太陽光電能發電系統等等2，太陽能電池轉換器越來越多的應用也相繼被提出3, 4。國內外對於太陽能電池轉換器的應用不勝枚舉。較高功率之多級太陽能轉換器多用於大型廠房及發電量大之太陽能電池，小型太陽能轉換器多用於一般住
9、宅以及小功率太陽能電池。在中高功率的大型太陽能轉換器中應用較多的架構有推挽式架構與全橋、半橋式等架構，並為多級架構。而較低功率的小型太陽能轉換器架構中，有多級架構也有單級架構，無論單級或是多級架構，這些太陽能轉換器之目的是將太陽能電池所產生之直流電源轉換成交流電源輸出，並與市電網路並聯運轉，能減輕市電網路用電負擔，且多餘之電力能饋入市電以回收使用。在太陽能電池轉換器架構中，有分為非隔離型及隔離型轉換器之不同，非隔離型又可分為單級與多級架構。非隔離型之電路架構輸出端與輸入端之間電路並無隔離5, 6，能量直接傳遞至輸出端，隔離型電路架構輸出與輸入間多以變壓器作為隔離及能量傳遞之用途，返馳式架構亦被
10、廣泛的使用7-15。此外，提高電源轉換品質、效率、降低轉換器電路花費亦是追求的目標，為了達到這些目的，一些降低電路成本及提升電源品質的方法及技術相繼發表出來。例如，為減少太陽能轉換器之輸出漣波以獲得更小之總諧波失真 (total harmonic distortion, THD)，以及縮小電路體積使轉換器散熱更加容易，可利用交錯(Interleave) 技術降低輸出電流漣波並達到縮小電路體積之目的16-19。另外，使用無電流或是無電壓感測器(Sensorless) 技術20, 21，可以降低電路完成所需之花費，而無電流感測器最大功率追蹤不需使用傳統轉換器所需較昂貴的電流感測元件。為降低轉換器電
11、路之成本，輸出電流之漣波，分散開關元件承受之應力，並改善散熱問題，本文提出一無電流感測最大功率追蹤之交錯返馳式光伏能量轉換系統，能使太陽能轉換器能散熱更加容易，減少輸出濾波電感和濾波電容值。且不需使用傳統最大功率追蹤 (MPPT) 所需之電流感測元件，而以太陽能輸出之電壓與估算導通週期來計算太陽能電池之輸出功率，以達成最大功率追蹤之目的。圖 1 單一返馳式轉換器架構二、電路架構本文提出一無電流感測最大功率追蹤之交錯返馳式光伏能量轉換系統，返馳式轉換器能利用變壓器達到電路的隔離，在變壓器一次側之主要切換開關做正弦脈波寬度調變切換，並利用控制開關導通時間以達到最大功率追蹤的調整。為使輸出電流之漣波
12、降低，利用交錯技術，以兩組返馳式轉換器做交錯輸入，使二次側輸出的電流漣波能有效的降低，且在同樣輸出功率之下，兩組返馳式轉換器的變壓器與主開關平均分擔功率，使元件散熱更加容易。變壓器二次側則為一全橋式架構，全橋式之切換低頻為與市電頻率相同的低頻切換，可減少開關切換時所造成的損失，並利用電感-電容濾波電路達到電流弦波輸出。本文將實作單一返馳式轉換器雛型系統，操作於不連續模式，並測試無感測元件時最大功率追蹤之穩定與準確度，以及並聯加入另一組返馳式轉換器成為交錯返馳式轉換器，以降低太陽能轉換器之輸出漣波並獲得更小之總諧波失真。單一返馳式轉換器架構如圖1所示11-15 ， 電路中Qm1作為主要開關使用，
13、LP為變壓器自感，二極體 D1為逆向截止保護，二次側濾波電容 Cs，Q1Q4為全橋式切換，濾波 電 容Cf與 電 感Lf， 控 制 器 採 用MicrochipdsPIC33FJ64GS606。朱慶隆、蔡明村、鄭紹賢和梁傳峻：無電流感測最大功率追蹤之交錯返馳式光伏能量轉換系統333圖 2 交錯返馳式轉換器電路架構其中電路主開關 Qm1的驅動方式為 SPWM 切換 ， 轉換器操作於不連續模式，利用變壓器將電壓提升並將輸入與輸出端隔離，開關 Q1Q4以與市電相同之頻率做全橋式切換，最後經由一電感-電容濾波器輸出一正弦波電流。控制部分以電壓感測元件量測市電與太陽能電池之電壓，藉由太陽能電池之電壓與估
14、算導通週期，計算得出太陽能電池電流與輸出功率，以此輸出功率計算結果作最大功率追蹤控制。市電量測則做為相位檢查，使各開關之切換訊號能與市電頻率同步。交錯返馳式轉換器架構如圖 2 所示16-18，電路中Qm1、Qm2作為主要開關使用，LP1與 LP2變壓器自感，二極體 D1、D2為逆向截止保護，二次側濾波電容 Cs，Q1Q4為全橋式切換，濾波電容 Cf與電感 Lf，控制器採用Microchip dsPIC33FJ64GS606。在交錯返馳式轉換器中，電路主開關 Qm1及 Qm2的驅動方式為 SPWM 切換，且 Qm1之訊號與 Qm2相差相位?180 ，轉換器操作於不連續模式，利用變壓器將電壓提升並
15、將輸入與輸出端隔離，開關 Q1Q4以與市電相同之頻率做全橋式切換，最後經由一電感-電容濾波器輸出一正弦波電流，控制部分與單一返馳式轉換器相同。三、電路分析單一返馳式轉換器操作在不連續模式之各點電壓及電流波形如圖 3 所示。由於全橋式輸出正負半週之狀態相同，故僅以正半週輸出來說明。vgsQ1, Q4vgsQ2, Q3vCsvovgs1ipisiottttttttt0t1t2t3圖 3 單一返馳式轉換器各點電壓電流波形(a)PVNp : NsCinT1LpD1Cs Qm1Q1Q2Q3Q4CfLf vds1vCspiiovoif(b)PVisCinT1LpD1Qm11Q2QQ3Q4Lf vds1io
16、voNp: NsCs vCsCfi(c)PVCinT1LpD1Qm1Q1Q2Q3Q4Lf vds1iovoNp : NsCs vCsCfif圖 4單一返馳式各狀態電路：(a) 狀態一 (t0t1)；(b) 狀態二 (t1t2)；(c) 狀態三 (t2t3)狀態一 (t0t1)：狀態一如圖 4(a) 所示，當主開關 Qm1導通時，太陽能電池對返馳式變壓器電感儲能，二次側二極體 D1逆向截止，故無輸出，此時電流由交流側經由全橋導通的一臂流向二次側電容 Cs，此狀態持續至主開關截止。334技術學刊 第三十卷 第四期 民國一四年vgsQ1, Q4vgsQ2, Q3vCsvovgs1ip1is1iottttttttt0t1t2t3vgs2ip2is2t4ttt圖 5 交錯返馳式轉換器各點電壓電流波形狀態二 (t1t2)：狀態二如圖 4(b) 所示，此狀態主開關 Qm1截止，變壓器儲存之能量轉移至輸出，二極體 D1順向導通，電流 is由變壓器流出對二次側電容
