CN103001472A - 一种微型智能变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型智能变换器及控制方法。装置由交错反激变换器、换向电路、EMI滤波器、DSP数字信号处理器和模式选择开关组成；交错反激变换器的输入端为电源输入端，交错反激变换器的输出连接换向电路、EMI滤波器的输入，EMI滤波器的输出端为电源输入端；DSP数字信号处理器具有数字控制系统、驱动模块和ADC采集模块，DSP数字信号处理器由ADC采集模块采集电信号并传送至数字控制系统，再由数字控制系统在模式选择开关选择的工作模式下通过驱动模块控制交错反激变换器工作。本发明既能够工作在直流模式又能够工作在交流模式，利用同一组模块实现两种发电方式，提高了生产的灵活性，方便选择不同的太阳能并网发电方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源变换器，特指一种微型智能变换器及其控制方法。
背景技术
太阳能作为取之不尽用之不绝的新能源，具有广阔的应用和发展空间，利用太阳能发电并网，是解决环境问题及能源危机有重要途经。太阳能发电将产生巨大的经济效益和社会效益。
现有的单个太阳能电池板的输出电压等级一般在20VDC—55VDC，输出功率最大在300w左右，所以传统的太阳能发电方式是将多个太阳能电池板10通过一定的方式串联和并联后作为集中式大功率的并网逆变器20的输入（如图1所示）。这种发电方式的固有缺陷是当某一个太阳能电池板被阴影如鸟粪或云彩遮住时，整组太阳能电池板的发电效率会大大降低。针对此问题，新的太阳能发电方式正被业界广泛接受。
第一种方式（如图2所示）即每个太阳能电池板10配备一个直流变换器30（DC/DC模块）将太阳能电池板10的电压由20VDC—55VDC升压到集中式并网逆变器20所需的输入电压等级,再并联到直流母线40，然后并网接到并网逆变器20的输入。第二种方式（如图3所示）即每个太阳能电池板10配备一个微型的并网逆变器50，每个太阳能电池板10实现单独并网发电。这两种发电方式均能较好的解决目前存在的阴影大面积降低发电效率的问题。
但是，上述两种发电方式只具有一种工作模式，即要么是在直流模式工作，要么是在交流模式工作，用户无法根据需要选择相应工作模式。有鉴于此，本发明人专门研发出一种智能变换器，以方便用户选择不同的太阳能发电方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型智能变换器及其控制方法，以适用于太阳能发电系统，方便用户选择不同的太阳能发电方式。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种微型智能变换器，由交错反激变换器、换向电路、EMI滤波器、DSP数字信号处理器和模式选择开关组成；交错反激变换器的输入端为电源输入端，交错反激变换器的输出连接换向电路的输入，换向电路的输出连接EMI滤波器的输入，EMI滤波器的输出端为电源输出端；DSP数字信号处理器具有数字控制系统、与数字控制系统连接的驱动模块和ADC采集模块，DSP数字信号处理器与电源输入端连接供电，数字控制系统与模式选择开关连接，ADC采集模块至少与交错反激变换器和换向电路连接，驱动模块也与交错反激变换器和换向电路连接，DSP数字信号处理器由ADC采集模块采集电信号并传送至数字控制系统，再由数字控制系统在模式选择开关选择的工作模式下通过驱动模块控制交错反激变换器工作。
所述ADC采集模块还与EMI滤波器的输出端连接。
一种微型智能变换器的控制方法，由模式选择开关选择工作模式；
（1）当选择在直流模式时，微型智能变换器的输出电流参考值为一个直流恒定值，控制误差信号为一个直流变量；
DSP数字信号处理器采用比例积分（PI）控制，由ADC采集模块从交错反激变换器和换向电路采集电信号并传送至数字控制系统，由数字控制系统通过驱动模块控制交错反激变换器工作；
换向电路的一组对角开关为常开状态，另一组对角开关为常关状态；
微型智能变换器的直流输入电压为22V至50V；
经过EMI滤波器，微型智能变换器的直流输出电压为220V或110V；
（2）当选择在交流模式时，微型智能变换器的输出电流参考值为一个恒定正弦波，控制误差为一个正弦波变量；
DSP数字信号处理器采用电流比例积分（PI）项加电压前馈及重复控制项，由ADC采集模块从交错反激变换器、换向电路和EMI滤波器的输出端采集电信号并传送至数字控制系统，由数字控制系统通过驱动模块控制交错反激变换器工作；
换向电路的一组对角开关在正半波时为导通状态，在负半波时为关断状态；另一组对角开关在正半波时为关断状态，在负半波时为导通状态；
微型智能变换器的直流输入电压为22V至50V；
经过EMI滤波器，微型智能变换器的交流输出电压为220V或110V。
采用上述方案后，本发明针对传统太阳能发电方式的单一，提出了一种既能够工作在直流输出模式又能够工作交流输出模式的智能变换器，利用同一组模块就可实现目前业界广泛接受的两种发电方式，极大提高了生产的灵活性，方便客户选择不同的太阳能并网发电方式。
附图说明
图1 是多块太阳能电池板直接串联的太阳能发电系统示意图；
图2是每个太阳能电池板配备一个直流变换器的太阳能发电系统示意图；
图3是每个太阳能电池板配备一个微型并网逆变器的太阳能发电系统示意图；
图4是本发明的结构示意图；
图5是本发明运用于太阳能发电系统，工作于直流模式的太阳能发电系统示意图；
图6是本发明运用于太阳能发电系统，工作于直流模式的控制原理示意图；
图7是本发明运用于太阳能发电系统，工作于交流模式的太阳能发电系统示意图；
图8是本发明运用于太阳能发电系统，工作于交流模式的控制原理示意图；
图9是本发明工作于交流模式，电容C1两端的正弦半波形图；
图10是本发明工作于交流模式，电容C2两端的正弦波形图。
具体实施方式
如图4所示，本发明的一种微型智能变换器100，由交错反激变换器1、换向电路2、EMI滤波器3、DSP数字信号处理器4和模式选择开关5组成。
交错反激变换器1的输入端为电源输入端，交错反激变换器1的输出连接换向电路2的输入。换向电路2的输出连接EMI滤波器3的输入，EMI滤波器3的输出端为电源输出端。
模式选择开关5(MS)是用来控制本发明工作在直流模式或者交流模式。
DSP数字信号处理器4具有数字控制系统41、驱动模块42和ADC采集模块43，数字控制系统41连接驱动模块42和ADC采集模块43，DSP数字信号处理器4与电源输入端连接供电，数字控制系统41与模式选择开关5连接，ADC采集模块43至少与交错反激变换器1和换向电路2连接，驱动模块42也与交错反激变换器1和换向电路2连接。DSP数字信号处理器4由ADC采集模块43从与交错反激变换器1和换向电路2采集电信号并传送至数字控制系统41，再由数字控制系统41在模式选择开关5选择的工作模式下通过驱动模块42控制交错反激变换器1和换向电路2工作。其中，ADC采集模块43在直流模式与交错反激变换器1和换向电路2连接采集数据，在交流模式与交错反激变换器1、换向电路2和EMI滤波器3的输出端连接采集数据。
本发明工作在直流模式时，如图5所示，将单个太阳能电池板10的电压(20VDC—55VDC)通过微型智能变换器100升到400VDC或200VDC，并可以实现多个微型智能变换器100输出并联为集中式大功率并网逆变器20供电（如图5所示）。400VDC的输出电压可以直接被作为220VAC交流电网的并网逆变器10的逆变桥输入，而200VDC的输出电压则可以直接作为110VAC交流电网的并网逆变器10的逆变桥输入，并网逆变器无需对输入电压进行前级升压转换，从而提高并网逆变器的效率并减小了并网逆变器体积及成本。
本发明微型智能变换器100工作在直流模式的原理如图6所示，具体的工作原理如下：
（1）、换向开关S1、S4为常关断状态，换向开关S2、S3为常导通状态，其输出直流电压的机理如下：直流输入经过交错反激变压器T1、T2及反激开关管M1、M2高频逆变成高频的交流信号，再经过高频整流二极管D1、D2及滤波电容C1输出直流电压，该直流电再经过换向开关S2、S3使C2的C端恒为输出的正端DC+，而C2的D端恒为输出的负端DC-。
（2）、当DSP数字信号处理器4检测到模式选择开关（MS）5拨到直流工作模式时，DSP数字信号处理器4将运行直流工作模式下的程序体，采用比例积分PI控制策略。具体的PI控制策略如下：DSP数字信号处理器4通过采样两个交错反激变换器1的输入电流Iin1、Iin2、输入电压Vin、输出电压Vo、输出电流Io，计算出当前的输入总电流Iin=Iin1+Iin2，输入总功率Pin=Vin*Iin，利用MPPT算法计算出下个pwm控制周期的输出电流参考值Iref。在下个pwm控制周期中，算出Ierr=Iref-Io,Ierr再经过PI控制器得到下一个pwm控制周期脉宽。由图5可知，直流工作模式时，微型智能变换器100的输出作为并网逆变器20的输入，所以微型智能变换器100的输出电压Vo将由并网逆变器20控制在某一个可以设定固定的电压值，而不是由微型智能变换器100所能控制。DSP数字信号处理器4采样输出电压Vo是为了对输出进行过压及欠压保护，而不是用于负反馈控制。在直流工作模式下，微型智能变换器100可以近似看作输出电压稳定输出最大功率电流的太阳能电池，即可将其视为已经实现MPPT的智能太阳能电池。
本发明工作在交流模式时，如图7所示，微型智能变换器100可以看做是一个微型的单相并网逆变器，实现了对太阳能电池板10的最大功率追踪、并网的功能。微型智能变换器100工作在交流模式的交流输出电压为220VAC或110VAC，在交流模式时是可以与220VAC或110VAC的电网的直接并网运行，提高发电效率。
本发明微型智能变换器100工作在交流模式的原理如图8所示，具体的工作原理如下：
（1）、输出正弦交流电压的机理如下：直流输入经过交错反激变压器T1、T2及反激开关管M1、M2高频逆变成高频的交流信号，再经过高频整流二极管D1、D2及滤波电容C1输出直流电压，由于在交流工作模式下，开关管M1、M2的pwm驱动波形是经过DSP数字信号处理器4调制的等效的SPWM波形，所以电容C1两端的直流电压波形是频率为100Hz正弦半波如图9所示，该正弦半波再经过换向开关S1、S2、S3、S4换向后在电容C2两端生成频率为50Hz的正弦交流电压如图10所示。换向机理为：假定电容C2的D端作为参考地，换向开关10MS改变一次状态。在图9所示的t0-t1这个10ms时间内，换向开关S2、S3为导通状态，S1、S4为关断状态，正弦半波的电流流向为电容C1的A端—>S3—>电容C2的C端—>电容C2的D端—>S2—>C1的B端，在电容C2的C端生成正的正弦半波；在图9所示的t1-t2这个10ms时间内，换向开关S1、S4为导通状态，S2、S3为关断状态，正弦半波电流流向为电容C1的A端—>S1—>电容C2的D端—>电容C2的C端—>S4—>C1的B端，在电容C2的C端生成负的正弦半波；在图10所示的t0-t2这个20ms时间内，C2两端的波形就为频率为50Hz的完整正弦波。
（2）、当DSP数字信号处理器4检测到模式选择开关（MS）5拨到交流工作模式时，DSP数字信号处理器4将运行交流工作模式下的程序体，采用比例积分PI控制、电网电压前馈及重复控制相结合的复合控制策略。具体控制策略如下：DSP数字信号处理器4通过采样两个交错反激变换器1的输入电流Iin1、Iin2、输入电压Vin、电网电压Vgrid、输出电流Iac，计算出当前的输入总电流Iin=Iin1+Iin2，输入总功率Pin=Vin*Iin，利用MPPT算法计算出下个pwm控制周期的输出正弦电流参考副值Ipeak，并利用数字锁相环计算出下个PWM控制周期正弦电流的电角度θ,得到下个下个PWM控制周期的参考电流值Iref=Ipeak*Sinθ，在下个pwm控制周期中，算出Ierr=Iref-Io,Ierr再经过PI控制器得到下一个PWM控制周期PI补偿项的占空比值Dpi=（Kp+Ki/s）*Ierr。DSP数字信号处理器4通过采样上一个正弦波的电压幅值Upeak，得到下个pwm控制周期的电压参考值Uref=Upeak* Sinθ，根据反激拓扑的输入电压及输出电压关系式（Vin+Vo）*（1-D）=Vin，可得到下一个PWM控制周期电压前馈控制项的占空比值Dff=Uref/(Vin+Uref)。下一个PWM控制周期的pwm总的占空比值D=Dpi+Dff，由于电流参考值Iref及电压参考值Uref均呈正弦变化，所以生成的pwm可以等效为spwm，反激变换器输出电压波形就为正弦半波。由于Upeak是上一个正弦波电压的幅值，所以电压前馈控制项还能够起到重复控制的作用，可以有效的抑制电网的各种干扰。
本发明微型智能变换器100在直流输出或交流输出工作模式均能实现对太阳能电池板的最大功率追踪。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (3)
1.一种微型智能变换器，其特征在于：由交错反激变换器、换向电路、EMI滤波器、DSP数字信号处理器和模式选择开关组成；交错反激变换器的输入端为电源输入端，交错反激变换器的输出连接换向电路的输入，换向电路的输出连接EMI滤波器的输入，EMI滤波器的输出端为电源输出端；DSP数字信号处理器具有数字控制系统、与数字控制系统连接的驱动模块和ADC采集模块，DSP数字信号处理器与电源输入端连接供电，数字控制系统与模式选择开关连接，ADC采集模块至少与交错反激变换器和换向电路连接，驱动模块也与交错反激变换器和换向电路连接，DSP数字信号处理器由ADC采集模块采集电信号并传送至数字控制系统，再由数字控制系统在模式选择开关选择的工作模式下通过驱动模块控制交错反激变换器工作。
2.如权利要求1所述的一种微型智能变换器，其特征在于：所述ADC采集模块还与EMI滤波器的输出端连接。
3.一种微型智能变换器的控制方法，其特征在于：由模式选择开关选择工作模式；
（1）当选择在直流模式时，微型智能变换器的输出电流参考值为一个直流恒定值，控制误差信号为一个直流变量；
DSP数字信号处理器采用比例积分控制，由ADC采集模块从交错反激变换器和换向电路采集电信号并传送至数字控制系统，由数字控制系统通过驱动模块控制交错反激变换器工作；
换向电路的一组对角开关为常开状态，另一组对角开关为常关状态；
微型智能变换器的直流输入电压为22V至50V；
经过EMI滤波器，微型智能变换器的直流输出电压为220V或110V；
（2）当选择在交流模式时，微型智能变换器的输出电流参考值为一个恒定正弦波，控制误差为一个正弦波变量；
DSP数字信号处理器采用电流比例积分项加电压前馈及重复控制项，由ADC采集模块从交错反激变换器、换向电路和EMI滤波器的输出端采集电信号并传送至数字控制系统，由数字控制系统通过驱动模块控制交错反激变换器工作；
换向电路的一组对角开关在正半波时为导通状态，在负半波时为关断状态；另一组对角开关在正半波时为关断状态，在负半波时为导通状态；
微型智能变换器的直流输入电压为22V至50V；
经过EMI滤波器，微型智能变换器的交流输出电压为220V或110V。
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