CN105006957A - 一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置及方法，该装置包括交错反激变换器和全桥逆变器组成的两级式主功率电路、AD采样电路、数字处理控制模块、驱动电路、信号调理单元、辅助供电电路、显示单元。该方法通过AD采样电路采样光伏电池组件的输出电压和电流给MPPT计算单元，搜索出最大功率跟踪点；通过AD采样电路采样直流母线电压，低频抑制单元计算出变占空比，并实时反馈给前级控制单元输出交错反激变换器的控制占空比；后级控制单元输出控制信号控制后级全桥逆变电路工作。本发明能适用于小功率隔离性微网逆变器，降低了光伏输入电流侧的低频脉动纹波，同时提高了MPPT跟踪精度、EMI性能，并减小了光伏电池的发热，具有重要的工程应用价值。

Description

一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置及方法

技术领域

本发明涉及电能变换装置中的控制技术领域，特别是一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置及方法。

背景技术

光伏电池组件通过光伏并网发电系统将直流电转变成交流电，并最终实现并网运行。光伏并网发电系统有两个基本功能：一是将光伏电池组件的输出转换为交流电连接到电网，二是实现光伏电池组件的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。光伏并网发电系统直接影响到整个太阳能光伏发电系统的发电量及运行稳定性、高效性、安全性，是整个系统的关键设备。对于两级式单相光伏并网发电系统，其输入功率相对平直，而输出功率是脉动的，该功率脉动频率较低，是输出电压频率的两倍，需要母线电容来平衡瞬时输入功率和输出功率，母线电容电压即直流母线电压以两倍工频频率脉动，而两级式单相光伏并网发电系统中，其前级升压变换器的MPPT控制和后级全桥逆变器的控制(包含直流母线电压平均值控制和并网电流控制)是独立的，因此前级升压变换器的输入电流即光伏电池组件的输出电流也以两倍工频频率脉动，该脉动不仅降低了MPPT跟踪精度，也会恶化电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)和光伏电池的发热，进而影响电池的寿命。现有的技术主要应用于中或大功率非隔离型的变换器，或者通过增加格外的储能变换器来实现输入电流脉动抑制，方法比较复杂，且安全性和可靠性比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于两级式隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法，能够减小输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的精度，提高EMI性能，从而减少光伏电池组件的发热并延长其寿命。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置，该装置基于小功率隔离性微网逆变器，具体包括主功率电路、驱动电路、信号调理电路、数字处理控制模块、辅助供电电路、显示单元，其中数字处理控制模块包括AD采样电路、MPPT计算单元、前级控制单元、低频抑制单元和后级控制单元；

所述主功率电路包括顺次并联的光伏电池组件、交错反激变换器、母线电容C_dc、全桥逆变器和电网源v_o；其中主功率电路中光伏电池组件的输出电压和电流、直流母线电压、全桥逆变器的输出电压和电流均接入AD采样电路，AD采样电路的输出端分别接入MPPT计算单元、低频抑制单元和后级控制单元；低频抑制单元的输出端接入MPPT计算单元，MPPT计算单元将反馈信号输出给低频抑制单元；低频抑制单元的输出端接入前级控制单元，前级控制单元将反馈信号输出给低频抑制单元；前级控制单元的输出端接入信号调理电路，信号调理电路的控制输出端通过驱动电路接入交错反激变换器；后级控制单元的输出端接入信号调理电路，信号调理电路的控制输出端通过驱动单元接入全桥逆变器；所述辅助供电电路的输出端分别接入驱动电路、信号调理电路、数字处理控制模块、显示单元的电源输入端；所述显示单元与数字处理控制模块的通信端相连接。

一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的方法，该方法基于两级式隔离性交错反激逆变器实现光伏并网发电系统输入电流脉动抑制，包括以下步骤：

步骤1，在数字处理控制模块中创建MPPT计算单元、前级控制单元、低频抑制单元和后级控制单元；

步骤2，AD采样电路分别采集主功率电路(1)中光伏电池组件的输出电压和电流输入到MPPT计算单元、采集主功率电路中直流母线电压输入到低频抑制单元、采集主功率电路中全桥逆变器的输出电压和电流输入到后级控制单元；

步骤3，数字处理控制模块的MPPT计算单元根据AD采样电路采集的光伏电池组件输出电压电流反馈信号进行最大功率跟踪运算，输出前级反激变换器的最大功率占空比d_MPPT；

步骤4，数字处理控制模块的后级控制单元根据AD采样电路采集的反馈信号进行比较运算，处理得出光伏并网发电系统后级全桥逆变器当前的占空比D，实现后级的电压电流双闭环控制；

步骤5，低频抑制单元将AD采样电路采集到的直流母线电压以及MPPT计算单元反馈的输入电压电流信号进行运算，得到前级交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT的补偿占空比d_ripple，经低频抑制单元对步骤3中输出的交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT进行调整，得到交错反激变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制；

步骤6，数字处理控制模块将所得光伏并网发电系统的输入电压电流、输出电压电流送入显示单元实时显示。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于隔离性交错反激变换器，能应用于小功率微网逆变器；(2)通过Freescale芯片MC56F8257实时调整前级反激变换器电路的控制占空比，不增加额外的硬件成本，而且不依赖于主功率系统参数和功率等级；(3)方法简单可靠且安全系数高，能够减少或完全抑制输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的精度，改善EMI性能；(4)减少了光伏电池的发热并延长其寿命，具有重要的工程应用价值。

附图说明

图1是单相交错反激逆变器系统的主功率电路图。

图2是单相交错反激逆变器系统及其控制电路示意图。

图3是单相交错反激逆变器系统开关周期中输入电压、输入电流、母线电压的仿真工作波形图，其中(a)是输入电流脉动抑制前输入电流i_pv、直流母线电压v_dc和输出电压v_o波形图，(b)是输入电流脉动抑制后输入电流i_pv、直流母线电压v_dc和输出电压v_o波形图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于两级式隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法。

1、前级交错反激占空比的理论推导

如图1所示，当输出功率因数为1时，定义电网电压v_o(t)和电流i_o(t)为：

v_o(t)＝V_o sin ωt,i_o(t)＝I_o sin ωt  (1)

其中V_o，I_o为输出电压、电流幅值；ω为系统角频率，t为时间。

则瞬时的输出功率为：

$p_o\left(t\right)=v_o\left(t\right)i_o\left(t\right)=V_o{I}_o{\sin }^2\mathrm{\ω}t=\frac{1}{2}{V}_o{I}_o-\frac{1}{2}{V}_o{I}_{o}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)---\left(2\right)$

从式(2)可知，瞬时的输出功率p_o(t)的峰峰值为V_oI_o，频率为v_o(t)两倍的正弦变化。若系统无其他功率损耗，则输入功率P_pv等于输出平均功率P_o，其值为V_oI_o/2。

若并网逆变器工作在最大功率点，而且此时一个工频周期内输入输出功率平均值相等，即P_pv＝P_o。母线电容的功率P_C(t)为

p_C(t)＝P_PV-p_o＝P_o-2P_o sin²ωt＝P_o cos(2ωt)  (3)

前级交错反激变换器和后级全桥逆变器的控制是相对独立的，因此输入电压v_pv和输入电流i_pv(t)以频率为v_o(t)两倍的正弦变化。

根据电解电容的能量与其电压关系，可知：

$\begin{array}{c}{e}_C\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_{dc}{v}_{dc}^2\left(t\right)=E_C\left(0\right)+{\∫}_0^t{p}_C\left(t\right)dt\\ =E_C\left(0\right)+{\∫}_0^t{P}_o\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)dt\\ \≅\frac{1}{2}{C}_{dc}{V}_{dc}^2\left(t\right)+{\∫}_0^t{P}_o\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)dt\end{array}---\left(4\right)$

那么瞬时母线电压v_dc(t)可表示为

$v_{dc}\left(t\right)=\sqrt{\frac{2e_C}{C_{dc}}}=\sqrt{V_{dc}^2+\frac{P_o}{{\mathrm{\ωC}}_{dc}}\sin 2\mathrm{\ω}t}\≅V_{dc}\sqrt{1+\frac{P_o}{{\mathrm{\ωC}}_{dc}{V}_{dc}^2}\sin 2\mathrm{\ω}t}---\left(5\right)$

母线电容容值与输出功率、母线电压的关系为

$C_{dc}=\frac{P_o}{{\mathrm{\ωV}}_{dc}{\mathrm{\ΔV}}_{dc}}---\left(6\right)$

那么

根据式(7)，公式(5)可以简化为：

$v_{dc}\left(t\right)=V_{dc}\sqrt{1+\frac{P_o}{{\mathrm{\ωC}}_{dc}{V}_{dc}^2}sin2\mathrm{\ω}t}\≈V_{dc}+\frac{P_o}{2{\mathrm{\ωC}}_{dc}{V}_{dc}}sin2\mathrm{\ω}t---\left(8\right)$

从公式(8)可得，母线电压的脉动值Δv_dc为：

${\mathrm{\Δv}}_{dc}\left(t\right)=\frac{P_o}{2{\mathrm{\ωC}}_{dc}{V}_{dc}}sin2\mathrm{\ω}t---\left(9\right)$

从公式(9)可以看出，母线电压的纹波Δv_dc与输出功率P_o、母线电容容值C_dc、母线电容电压平均值V_dc有关,且以频率为v_o两倍的正弦变化。

2、前级交错反激变换器占空比补偿模型的理论推导

工作在电流连续模式下，反激变压器的输入电压和输出电压成线性比。假定前级反激变换器的占空比d在一个工频周期内保持不变，变压器的输入与输出关系为：

$\frac{v_{dc}\left(t\right)}{v_{pv}\left(t\right)}=\frac{N_2}{N_1}\frac{d\left(t\right)}{1-d\left(t\right)}=\frac{Nd\left(t\right)}{1-d\left(t\right)}---\left(10\right)$

式中：N₁为反激变压器的原边绕组匝数，N₂为反激变压器的副边绕组匝数，N为副边绕组N₂与原边绕组匝数N₁之比。

在最大功率点模式下，光伏电池输出功率恒定即系统输入功率P_pv为一恒定值。假设输入电流的脉动值Δi_pv为0，那么输入电压的脉动值ΔV_pv也为0，输入电压v_pv(t)为一恒定值即等于其平均值V_pv，即v_pv(t)＝V_pv，从式(5)和(10)可得，瞬时反激占空比d(t)可表示为

$d\left(t\right)=\frac{v_{dc}\left(t\right)}{v_{dc}\left(t\right)+{\mathrm{NV}}_{pv}}---\left(11\right)$

为了推导方便，瞬时母线电压v_dc(t)又可以表示为：

v_dc(t)＝V_dc+ΔV_dc sin2ωt  (12)

由公式(11)和公式(12)，可得补偿后的占空比为

$\begin{array}{c}d\left(t\right)=\frac{V_{dc}+{\mathrm{\ΔV}}_{dc}\sin 2\mathrm{\ω}t}{V_{dc}+{\mathrm{\ΔV}}_{dc}\sin 2\mathrm{\ω}t+{\mathrm{NV}}_{pv}}\\ \≈\frac{V_{dc}}{V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}}+\frac{{\mathrm{NV}}_{pv}{\mathrm{\ΔV}}_{dc}}{{\left(V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}\right)}^2}\sin 2\mathrm{\ω}t\end{array}---\left(13\right)$

进而瞬时反激补偿占空比d(t)可表示为，

d(t)＝d_MPPT+d_ripple(t)  (14)

$\begin{array}{c}{d}_{MPPT}=\frac{V_{dc}}{V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}}\\ d_{ripple}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{NV}}_{pv}{\mathrm{\ΔV}}_{dc}}{{\left(V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}\right)}^2}\sin 2\mathrm{\ω}t\end{array}---\left(15\right)$

其中，d_MPPT是调节系统使太阳能电池板在反激最大功率点时的占空比，d_ripple(t)是占空比补偿变量。从式(16)可以看出，占空比补偿变量d_ripple(t)与输入电压平均值V_pv、母线电压平均值V_dc以及母线电压纹波ΔV_dc有关。

3、本发明基于隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的装置及方法

结合图2，本发明是交错反激变换器系统输入电流脉动的装置，该装置基于小功率隔离性微网逆变器，采用两级式隔离型交错反激变换器抑制输入电流脉动，具体包括交错反激变换器和全桥逆变器组成的两级式主功率电路1、驱动电路2、信号调理电路3、数字处理控制模块、辅助供电电路9、显示单元10，其中数字处理控制模块包括AD采样电路4、MPPT计算单元5、前级控制单元6、低频抑制单元7和后级控制单元8；

所述微网逆变系统的主功率电路1包括顺次并联的光伏电池组件、交错反激变换器、母线电容C_dc、全桥逆变器和电网源v_o；其中主功率电路1中光伏电池组件的输出电压和电流、直流母线电压、全桥逆变器的输出电压和电流均接入AD采样电路4，AD采样电路4的输出端分别接入MPPT计算单元5、低频抑制单元7和后级控制单元8；低频抑制单元7的输出端接入MPPT计算单元5，MPPT计算单元5将反馈信号输出给低频抑制单元7；低频抑制单元7的输出端接入前级控制单元6，前级控制单元6将反馈信号输出给低频抑制单元7；前级控制单元6的输出端接入信号调理电路3，信号调理电路3的控制输出端通过驱动电路2接入交错反激变换器；后级控制单元8的输出端接入信号调理电路3，信号调理电路3的控制输出端通过驱动单元2接入全桥逆变器；所述辅助供电电路9的输出端分别接入驱动电路2、信号调理电路3、数字处理控制模块、显示单元10的电源输入端；所述显示单元10与数字处理控制模块的通信端相连接。

所述数字处理控制模块为Freescale芯片MC56F8257。所述显示单元10为LCD显示屏。

本发明抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的方法，该方法基于两级式隔离性交错反激逆变器实现光伏并网发电系统输入电流脉动抑制，包括以下步骤：

步骤1，在数字处理控制模块中创建MPPT计算单元5、前级控制单元6、低频抑制单元7和后级控制单元8；

步骤2，AD采样电路4分别采集主功率电路1中光伏电池组件的输出电压和电流输入到MPPT计算单元5、采集主功率电路1中直流母线电压输入到低频抑制单元7、采集主功率电路1中全桥逆变器的输出电压和电流输入到后级控制单元8；

步骤3，数字处理控制模块的MPPT计算单元5根据AD采样电路4采集的光伏电池组件输出电压电流反馈信号进行最大功率跟踪运算，输出前级反激变换器的最大功率占空比d_MPPT；

步骤4，数字处理控制模块的后级控制单元8根据AD采样电路4采集的反馈信号进行比较运算，处理得出光伏并网发电系统后级全桥逆变器当前的占空比D，实现后级的电压电流双闭环控制；

步骤5，低频抑制单元7将AD采样电路4采集到的直流母线电压以及MPPT计算单元5反馈的输入电压电流信号进行运算，得到前级交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT的补偿占空比d_ripple，经低频抑制单元7对步骤3中输出的交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT进行调整，得到交错反激变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制，公式如下：

$d\left(t\right)=\frac{V_{dc}}{V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}}+\frac{{\mathrm{NV}}_{pv}{\mathrm{\ΔV}}_{dc}}{{(V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv})}^2}\sin 2\mathrm{\ω}t$

其中，V_pv是光伏电池组件工作在最大功率点时输出电压的平均值，V_dc是直流母线电压的平均值，ΔV_dc为母线电容C_dc上瞬时电压v_dc的两倍工频分量峰峰值，N是交错反激变压器原边与副边的匝比，ω是电网电压的角频率，t为时间。

步骤6，数字处理控制模块将所得光伏并网发电系统的输入电压电流、输出电压电流送入显示单元10实时显示。

实施例1

本实施例以两级式交错反激变换器系统为基础，按照图2所示的两级式交错反激变换器系统及其控制电路进行了实验验证。具体参数如下：光伏电池组件的最大功率点的输出功率为200W，输出电压幅值为V_o＝311V；平均输入电压V_pv＝100V，输入滤波电感L_pv＝22μH，输入滤波电容C_pv＝10μF；母线电压V_dc＝350V，母线电容C_dc＝120μF；交错反激变压器的匝比N＝18:95；输出滤波电容C_o＝10μF，输出滤波电感L_o＝3mH；开关频率为f_s＝100KHz。

图3(a)给出了补偿前稳态下输入电流i_pv、直流母线电压v_dc和输出电压v_o的仿真波形图。从波形上看，母线电压v_dc以两倍的工频脉动，相应的输入电流也以两倍的工频脉动，其两倍工频脉动幅值Δi_pv≈1.88A。图3(b)是在补偿后稳态下输入电流i_pv、直流母线电压v_dc和输出电压v_o的仿真波形图仿真波形图。可以看出，通过加入直流母线电压反馈的输入电流脉动抑制方法，输入电流i_pv基本无两倍工频脉动,输入电压v_pv基本无两倍工频脉动。由上可知，通过采用本发明的控制方法，光伏并网发电系统输入电流和输入电压波形比较平直，无两倍工频脉动，能够减小甚至消除输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的精度，提高EMI性能，从而减少光伏电池组件的发热并延长其寿命。

综上，本发明针对两级式交错反激变换器系统输入电流低频脉动问题，提供了一种基于隔离性交错反激微逆变器的输入电流脉动抑制技术研究的装置，该方法可以适用于小功率隔离性微网逆变器，在不影响系统正常工作的情况下，降低甚至消除输入电流的低频脉动，提高了MPPT跟踪精度，相比于现有技术，安全可靠性高，应用范围广，不增加额外的硬件成本，不依赖于主功率系统参数和功率等级，控制系统简单，同时提高了MPPT跟踪精度、EMI性能和减小光伏电池的发热，具有重要的工程应用价值。

Claims (6)

1.一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置，其特征在于，该装置基于小功率隔离性微网逆变器，具体包括主功率电路(1)、驱动电路(2)、信号调理电路(3)、数字处理控制模块、辅助供电电路(9)、显示单元(10)，其中数字处理控制模块包括AD采样电路(4)、MPPT计算单元(5)、前级控制单元(6)、低频抑制单元(7)和后级控制单元(8)；

所述主功率电路(1)包括顺次并联的光伏电池组件、交错反激变换器、母线电容C_dc、全桥逆变器和电网源v_o；其中主功率电路(1)中光伏电池组件的输出电压和电流、直流母线电压、全桥逆变器的输出电压和电流均接入AD采样电路(4)，AD采样电路(4)的输出端分别接入MPPT计算单元(5)、低频抑制单元(7)和后级控制单元(8)；低频抑制单元(7)的输出端接入MPPT计算单元(5)，MPPT计算单元(5)将反馈信号输出给低频抑制单元(7)；低频抑制单元(7)的输出端接入前级控制单元(6)，前级控制单元(6)将反馈信号输出给低频抑制单元(7)；前级控制单元(6)的输出端接入信号调理电路(3)，信号调理电路(3)的控制输出端通过驱动电路(2)接入交错反激变换器；后级控制单元(8)的输出端接入信号调理电路(3)，信号调理电路(3)的控制输出端通过驱动单元(2)接入全桥逆变器；所述辅助供电电路(9)的输出端分别接入驱动电路(2)、信号调理电路(3)、数字处理控制模块、显示单元(10)的电源输入端；所述显示单元(10)与数字处理控制模块的通信端相连接。

2.根据权利要求1所述的单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置，其特征在于，所述主功率电路(1)采用交错反激变换器和全桥逆变器组成的两级式主功率电路。

3.根据权利要求1所述的单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置，其特征在于，所述数字处理控制模块为Freescale芯片MC56F8257。

4.根据权利要求1所述的单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置，其特征在于，所述显示单元(10)为LCD显示屏。

5.一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的方法，其特征在于，该方法基于两级式隔离性交错反激逆变器实现光伏并网发电系统输入电流脉动抑制，包括以下步骤：

步骤1，在数字处理控制模块中创建MPPT计算单元(5)、前级控制单元(6)、低频抑制单元(7)和后级控制单元(8)；

步骤2，AD采样电路(4)分别采集主功率电路(1)中光伏电池组件的输出电压和电流输入到MPPT计算单元(5)、采集主功率电路(1)中直流母线电压输入到低频抑制单元(7)、采集主功率电路(1)中全桥逆变器的输出电压和电流输入到后级控制单元(8)；

步骤3，数字处理控制模块的MPPT计算单元(5)根据AD采样电路(4)采集的光伏电池组件输出电压电流反馈信号进行最大功率跟踪运算，输出前级反激变换器的最大功率占空比d_MPPT；

步骤4，数字处理控制模块的后级控制单元(8)根据AD采样电路(4)采集的反馈信号进行比较运算，处理得出光伏并网发电系统后级全桥逆变器当前的占空比D，实现后级的电压电流双闭环控制；

步骤5，低频抑制单元(7)将AD采样电路(4)采集到的直流母线电压以及MPPT计算单元(5)反馈的输入电压电流信号进行运算，得到前级交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT的补偿占空比d_ripple，经低频抑制单元(7)对步骤3中输出的交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT进行调整，得到交错反激变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制；

步骤6，数字处理控制模块将所得光伏并网发电系统的输入电压电流、输出电压电流送入显示单元(10)实时显示。

6.根据权利要求5所述的单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的方法，其特征在于，步骤5所述经低频抑制单元(7)对步骤3中输出的交错反激变换器最大功率占空比d_MPPT进行调整，得到交错反激变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制，公式如下：

$d\left(t\right)=\frac{V_{dc}}{V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv}}+\frac{{\mathrm{NV}}_{pv}{\mathrm{\ΔV}}_{dc}}{{(V_{dc}+{\mathrm{NV}}_{pv})}^2}sin2\mathrm{\ω}t$

其中，V_pv是光伏电池组件工作在最大功率点时输出电压的平均值，V_dc是直流母线电压的平均值，ΔV_dc为母线电容C_dc上瞬时电压v_dc的两倍工频分量峰峰值，N是交错反激变压器原边与副边的匝比，ω是电网电压的角频率，t为时间。