CN103051172A - 光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统和方法，属于电力电子技术领域。原边电流检测电路的输入端与高频变压器的原边电连接，原边电流检测电路的输出端接入CPU的模拟量输入接口；各隔离驱动电路的输入端分别与CPU的相应输出端相连；CPU接收电流调理电路传输的模拟信号，经A/D转换器将模拟信号转变成数字信号；CPU的计算单元经PI调节计算出控制原边电流直流分量的占空比偏移量，使原边电流直流分量为零；CPU内部PWM控制器加0.5作为原边直流分量的占空比输出逻辑驱动信号至隔离驱动电路；隔离驱动电路控制相应MOS管导通与截止。该系统和方法可使原边输出电流正负波形对称，有效抑制高频变压器的偏磁。

Description

光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统和方法
技术领域
本发明涉及一种变换器，特别涉及一种光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，属于电力电子技术领域。本发明还涉及一种光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制方法。
背景技术
光伏发电用移相全桥变换器，包括主电路和控制电路，主电路包括逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电路，高频变压器的原边与逆变电路的输出端电连接，高频变压器的副边与整流电路的输入端电连接；逆变电路由全桥逆变模块和并联电容构成，全桥逆变模块由全桥式拓扑的四个MOS管构成，第一MOS管和第三MOS管构成全桥逆变模块的超前臂，第二MOS管和第四MOS管构成全桥逆变模块的滞后臂。高频变压器用于实现输入和输出之间的电气隔离并得到合适的输出电压幅值。
其不足之处在于：实际运行中，多种因素使得变压器原边电流正负波形不对称，引起变压器铁芯工作时磁化曲线不再关于原点对称，由于磁化曲线是非线性的，当偏磁严重时，铁芯必将进入单方向深度饱和，造成单向磁化电流剧增，增大损耗，严重时甚至对开关管造成损害。为抑制偏磁，使原边电流正负波形对称，移相PWM控制的数字实现方法很多，但由于目前所用DSP芯片不具有直接产生移相信号的功能，主要采用模拟芯片、FPGA以及DSP加外扩数字电路的方式实现。此外，这种方法存在着实现复杂，控制精度直接受存储器容量的限制和不便于实现远程通讯的缺点。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，不仅可使原边正负波形对称，有效抑制偏磁，且具有控制精度高、工作可靠、抗干扰能力强的优点。
为解决以上技术问题，本发明所提供的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，包括主电路和控制电路，所述主电路包括逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电路，所述高频变压器的原边与逆变电路的输出端电连接，高频变压器的副边与整流电路的输入端电连接；所述逆变电路由全桥逆变模块和并联电容构成，全桥逆变模块由全桥式拓扑的四个MOS管构成，第一MOS管（G1）和第三MOS管（G3）构成全桥逆变模块的超前臂，第二MOS管（G2）和第四MOS管（G4）构成全桥逆变模块的滞后臂，所述控制电路包括原边电流检测电路、CPU、输出电压反馈电路和分别驱动各MOS管的隔离驱动电路；各所述隔离驱动电路的输入端分别与CPU的相应输出端相连，各所述隔离驱动电路的输出端分别与相应MOS管的栅极相连；所述原边电流检测电路的输入端与所述高频变压器的原边电连接，所述输出电压反馈电路的输入端与所述滤波电路的输出端电连接，所述原边电流检测电路的输出端和所述输出电压反馈电路的输出端分别接入CPU相应的模拟量输入接口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：原边电流检测电路采集高频变压器的原边电流输送至CPU，CPU采样后计算得出由第一MOS管（G1）和第三MOS管（G3）构成的超前臂的占空比的偏移量，与基准值0相比较，若偏移量等于0，则重新采集高频变压器原边电流；若不等于0，则经调节器调节置0，加上0.5作为原边直流分量的占空比输出，CPU输出脉宽调变信号，脉宽调变信号输出驱动相应MOS管的隔离驱动电路，控制第一MOS管（G1）和第三MOS管（G3）的导通与截止，从而使得原边输出电流正负波形对称，有效抑制高频变压器偏磁现象的发生。
作为本发明的进一步改进，所述原边电流检测电路包括电流传感器和电流调理电路；所述电流调理电路包括电流调理二阶低通滤波器、电流调理反相放大器、电流调理反相加法器和电流调理限压电路，所述电流调理二阶低通滤波器的输出端与所述电流调理反相放大器的输入端电连接，所述电流调理反相放大器的输出端依次通过所述电流调理反相加法器和所述电流调理限压电路接入CPU相应的模拟量输入接口。电流调理二阶低通滤波器用于滤除信号中高频交流分量；电流调理反相放大器用于将滤波后的较小的直流分量的对应电压转换成适合于CPU 内部A/D转换器所要求的电压范围；电流调理反相加法器用于将具有正负极性的直流分量电压偏置到正电压的范围；电流调理限压电路用于保护CPU的A/D转换接口，防止高电压串入损坏A/D转换接口。整个电流调理电路保证了较高的信号采集精度，提高了电路抗干扰性能，使系统工作更为稳定可靠。
作为本发明的进一步改进，所述输出电压反馈电路包括输出电压传感器和电压调理电路，所述电压调理电路包括电压调理二阶低通滤波器、电压调理限压电路和电压调理一阶低通滤波器，所述电压调理二阶低通滤波器的输出端与所述电压调理限压电路的输入端电连接，所述电压调理限压电路的输出端与所述电压调理一阶低通滤波器的输入端电连接。电压调理二阶低通滤波器用于滤除高频交流干扰信号；电压调理限压电路用于保护CPU的A/D转换接口，防止高电压串入损坏A/D转换接口；电压调理一阶低通滤波器用于滤除电路中其它信号引起的干扰。输出电压反馈电路主要用于控制供负载使用的输出电压，本发明采用电压外环和电流内环的双闭环控制系统，即将输出电压反馈电路反馈的电压信号与CPU内预设的基准电压相比较，经CPU内部调节器调节输出作为电流内环的基准，该电流内环基准值与原边检测电流相比较，经脉宽调制电路、移相电路处理后，输出至隔离驱动电路，隔离驱动电路根据CPU输出的信号控制由第二MOS管（G2）和第四MOS管（G4）构成的滞后臂，实现对系统的闭环控制，通过调节移相角控制变换器的输出电压。
作为本发明的优选方案，所述电流传感器采用TBC-SY型号。TBC-SY型电流传感器具有超强的抗干扰能力，适用于测量直流、交流和脉动电流。
作为本发明的优选方案，所述输出电压传感器采用TBV10/25A型号。
本发明的另一目的是针对现有技术中偏磁抑制方法复杂，不便操作实现的问题，提供一种采用光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统进行的偏磁抑制方法，不仅能够有效解决原边正负波形不对称的问题，且具有实现方法简单、控制精度高、工作可靠、抗干扰能力强的优点。
为解决上述问题，本发明提供的采用光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统进行的偏磁抑制方法，依次包括以下步骤：（1）电流传感器检测原边电流传输至电流调理电路；（2）电流调理电路接收到电流传感器检测的信号依次经过二阶低通滤波器、反相放大器、反相加法器和限压电路转换成CPU可识别的标准电信号，并传输至CPU的模拟信号输入接口；（3）CPU接收电流调理电路传输的模拟信号，经内部的A/D转换器将模拟信号转变成数字信号；（4）数字信号送至CPU的计算单元，CPU的计算单元经内部的调节器调节计算输出控制原边电流直流分量的占空比偏移量，并与系统预设的基准值零相比较，若偏移量等于零，则返回步骤（1）；若偏移量不等于零，则经调节器调节置零，使原边电流直流分量为零，进入下一步骤；（5）CPU内部PWM控制器加上0.5作为原边直流分量的占空比输出逻辑驱动信号至隔离驱动电路；（6）隔离驱动电路控制相应MOS管的导通与截止，使原边电流正负波形对称。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：1、电流传感器检测的信号依次经过二阶低通滤波器、反相放大器、反相加法器和限压电路调理，可有效保证信号采集的精度、具有较高的抗干扰性能；2、原边直流分量占空比的偏移量选用PI调节，调节精度高、系统工作稳定可靠；3、CPU内部PWM控制器加上0.5作为原边直流分量的占空比输出，通过PWM控制器直接控制原边电流直流分量的占空比，实现方法简单，控制精度高。
附图说明
图1为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的结构框图。
图2为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的主电路图。
图3为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的电流调理电路图。
图4为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的电压调理电路图。
图5为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的隔离驱动电路图。
图6为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制方法的工作流程图。
图7为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的输出电压控制系统工作原理图。
其中：1.逆变电路；2.高频变压器；3.整流电路；4.滤波电路；5.原边电流检测电路；501.电流调理二阶低通滤波器；502.电流调理反相放大器；503.电流调理反相加法器；504.电流调理限压电路；6.CPU；7.输出电压反馈电路；701.电压调理二阶低通滤波器；702.电压调理限压电路；703.电压调理一阶低通滤波器；8.隔离驱动电路；9.输入电流检测电路；10.输入电压检测电路；11.输出电流反馈电路；12.整流电路输出电流检测电路。
具体实施方式
如图1、图2所示，光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统包括主电路和控制电路，主电路包括逆变电路1、高频变压器2、整流电路3和滤波电路4，高频变压器2的原边与逆变电路1的输出端电连接，高频变压器2的副边与整流电路3的输入端电连接；逆变电路1由全桥逆变模块和并联电容构成，全桥逆变模块由全桥式拓扑的四个MOS管构成，第一MOS管G1和第三MOS管G3构成全桥逆变模块的超前臂，第二MOS管G2和第四MOS管G4构成全桥逆变模块的滞后臂，控制电路包括原边电流检测电路5、CPU6、输出电压反馈电路7和分别驱动各MOS管的隔离驱动电路8；各隔离驱动电路8的输入端分别与CPU6的相应输出端相连，各隔离驱动电路8的输出端分别与相应MOS管的栅极相连；隔离驱动电路8如图5所示，可选用PC923型光耦隔离驱动器，为满足大功率需求可在光耦隔离驱动电路后接入输入功率放大电路；原边电流检测电路5的输入端与高频变压器2的原边电连接，输出电压反馈电路7的输入端与滤波电路4的输出端电连接，原边电流检测电路5的输出端和输出电压反馈电路7的输出端分别接入CPU6相应的模拟量输入接口。
原边电流检测电路5包括电流传感器和电流调理电路；如图3所示，电流调理电路包括电流调理二阶低通滤波器501、电流调理反相放大器502、电流调理反相加法器503和电流调理限压电路504，电流调理二阶低通滤波器501的输出端与电流调理反相放大器502的输入端电连接，电流调理反相放大器502的输出端依次通过电流调理反相加法器503和电流调理限压电路504接入CPU6的模拟量输入接口。
输出电压反馈电路7包括输出电压传感器和电压调理电路，如图4所示，为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的电压调理电路，包括电压调理二阶低通滤波器701、电压调理限压电路702和电压调理一阶低通滤波器703，电压调理二阶低通滤波器701的输出端与电压调理限压电路702的输入端电连接，电压调理限压电路702的输出端与电压调理一阶低通滤波器703的输入端电连接。
如图7所示，为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统的输出电压控制系统工作原理图。输出电压反馈电路7主要用于控制供负载使用的输出电压，本发明采用电压外环和电流内环的双闭环控制系统，即将输出电压反馈电路7反馈的电压信号与CPU6内预设的基准电压相比较，经CPU6内部调节器调节输出作为电流内环的基准，该电流内环基准值与原边检测电流相比较，经脉宽调制电路、移相电路处理后，输出至隔离驱动电路8，隔离驱动电路8根据CPU6输出的信号控制由第二MOS管G2和第四MOS管G4构成的滞后臂，实现对系统的闭环控制，通过调节移相角控制变换器的输出电压。
电流传感器的型号优选TBC-SY型，输出电压传感器的型号优选TBV10/25A型，具体型号可根据实际工程需要选择。为更精准地进行系统调试和监控，本发明的输入端连接有输入电流检测电路9和输入电压检测电路10，输出端还连接有输出电流反馈电路11，整流电路3的输出端连接有整流电路输出电流检测电路12，输入电流检测电路9、输出电流反馈电路11和整流电路输出电流检测电路12可选用相同的电流调理电路，各电流调理电路可由相应电压跟随器、二阶低通滤波器、限压电路和一阶低通滤波器依次电连接构成。
图6为本发明光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制方法的工作流程图，依次包括以下步骤：（1）电流传感器检测原边电流传输至电流调理电路；（2）电流调理电路接收到电流传感器检测的信号依次经过电流调理二阶低通滤波器501、电流调理反相放大器502、电流调理反相加法器503和电流调理限压电路504转换成CPU6可识别的标准电信号，并传输至CPU6的模拟信号输入接口；（3）CPU6接收电流调理电路传输的模拟信号，经内部的A/D转换器将模拟信号转变成数字信号；（4）数字信号送至CPU6的计算单元，CPU6的计算单元经CPU6内部的调节器调节计算输出控制原边电流直流分量的占空比偏移量，并与系统预设的基准值零相比较，若偏移量等于零，则返回步骤（1）；若偏移量不等于零，则经CPU6的内部调节器调节置零，使原边电流直流分量为零，进入下一步骤；（5）CPU6内部PWM控制器加上0.5作为原边直流分量的占空比输出逻辑驱动信号至隔离驱动电路8；（6）隔离驱动电路8控制相应MOS管的导通与截止，使原边电流正负波形对称。
本发明并不局限于上述实施方式，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，包括主电路和控制电路，所述主电路包括逆变电路、高频变压器、整流电路和滤波电路，所述高频变压器的原边与逆变电路的输出端电连接，高频变压器的副边与整流电路的输入端电连接；所述逆变电路由全桥逆变模块和并联电容构成，全桥逆变模块由全桥式拓扑的四个MOS管构成，第一MOS管（G1）和第三MOS管（G3）构成全桥逆变模块的超前臂，第二MOS管（G2）和第四MOS管（G4）构成全桥逆变模块的滞后臂，其特征在于：所述控制电路包括原边电流检测电路、CPU、输出电压反馈电路和分别驱动各MOS管的隔离驱动电路；各所述隔离驱动电路的输入端分别与CPU的相应输出端相连，各所述隔离驱动电路的输出端分别与相应MOS管的栅极相连；所述原边电流检测电路的输入端与所述高频变压器的原边电连接，所述输出电压反馈电路的输入端与所述滤波电路的输出端电连接，所述原边电流检测电路的输出端和所述输出电压反馈电路的输出端分别接入CPU相应的模拟量输入接口。
2.根据权利要求1所述的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，其特征在于，所述原边电流检测电路包括电流传感器和电流调理电路；所述电流调理电路包括电流调理二阶低通滤波器、电流调理反相放大器、电流调理反相加法器和电流调理限压电路，所述电流调理二阶低通滤波器的输出端与所述电流调理反相放大器的输入端电连接，所述电流调理反相放大器的输出端依次通过所述电流调理反相加法器和所述电流调理限压电路接入CPU相应的模拟量输入接口。
3.根据权利要求1或2所述的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，其特征在于，所述输出电压反馈电路包括输出电压传感器和电压调理电路，所述电压调理电路包括电压调理二阶低通滤波器、电压调理限压电路和电压调理一阶低通滤波器，所述电压调理二阶低通滤波器的输出端与所述电压调理限压电路的输入端电连接，所述电压调理限压电路的输出端与所述电压调理一阶低通滤波器的输入端电连接。
4.根据权利要求3所述的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，其特征在于，所述电流传感器的型号为TBC-SY型。
5.根据权利要求4所述的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统，其特征在于，所述输出电压传感器的型号为TBV10/25A型。
6.一种采用权利要求2所述的光伏发电用移相全桥变换器的偏磁抑制系统进行的偏磁抑制方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
（1）所述电流传感器检测原边电流传输至所述电流调理电路；
（2）所述电流调理电路接收到电流传感器检测的信号依次经过电流调理二阶低通滤波器、电流调理反相放大器、电流调理反相加法器和电流调理限压电路转换成CPU可识别的标准电信号，并传输至CPU的模拟信号输入接口；
（3）CPU接收电流调理电路传输的模拟信号，经内部的A/D转换器将模拟信号转变成数字信号；
（4）所述数字信号送至CPU的计算单元，CPU的计算单元经内部的调节器调节计算输出控制原边电流直流分量的占空比偏移量，并与系统预设的基准值零相比较，若偏移量等于零，则返回步骤（1）；若偏移量不等于零，则经调节器调节置零，使原边电流直流分量为零，进入下一步骤；
（5）CPU内部PWM控制器加上0.5作为原边直流分量的占空比输出逻辑驱动信号至所述隔离驱动电路；
（6）隔离驱动电路控制相应MOS管的导通与截止，使原边电流正负波形对称。
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