CN105553281B - 反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统及方法 - Google Patents

反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统，本发明通过光伏电池电压、电网电压和并网电流基准值计算出反激式光伏并网微逆变器峰值电流控制所需的峰值基准；通过计数器、比较器和RS触发器实现反激式光伏并网微逆变器的峰值电流控制。本发明还提供了一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制方法。本发明中，利用计数器来模拟反激式光伏并网微逆变器中变压器原边电流，取消了主电路检测电流的传感器，降低了系统成本，所实现的控制性能完全可以和模拟控制电路相媲美，而且数字控制很好的符合了当今的控制发展方向。

Description

反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统及方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器的控制领域，特别涉及一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统及方法。
背景技术
光伏发电在近年得到了迅猛发展，将光伏电池所发电能进行并网是一种较为高效、廉价的使用方式。光伏并网发电可分为集中式并网、组串式并网和并网微逆变器直接并网，虽然并网微逆变器并网前期投资成本较高，但是其便于安装、易于管理、冗余性好的特点受到广泛关注。相对于其它两种并网发电方式，相同的光伏电池和气象条件下，并网微逆变器可获得光伏电池输出功率的最大化。
并网微逆变器的电路结构主要分为非隔离型和隔离型，由于单块光伏电池的输出电压较低，对于非隔离型电路需要增加一级高增益的DC/DC变换器，并且为抑制并网漏电流，需要专门的较为复杂的逆变器电路；而隔离型并网微逆变器采用高频变压器进行电气隔离，有效克服了并网漏电流问题，并且通过合理设计变压器的变比，可轻松实现输入、输出电压的匹配。
目前，主流的并网微逆变器采用反激式电路，如图1所示，反激式光伏并网微逆变器的主电路中，光伏电池作为微逆变器的输入电源，采用滤波电容Cin来稳定光伏电池输出电压UPV，主电路中变压器原边电路与常见的反激式直流变换器结构一致，变压器有绕组匝数相同的两个副边，根据电网电压ug的极性控制第二开关管S2或第三开关管S3的导通与关断，ug为正时，S2导通，ug为负时，S3导通；电网侧由电容Cg与电感Lg组成的低通滤波器滤除谐波电流，保证并网电流ig具有较小的THD(总谐波失真，下文简称THD)值。
反激式光伏并网微逆变器的控制方式多采用峰值电流控制方式，而目前通用模拟电路和数字电路相结合的方法实现峰值电流控制。如图2所示，反激式光伏并网微逆变器的通用控制方法—峰值电流控制法下的主要工作波形，令变压器的励磁电感电流工作在电感电流断续模式(下文简称DCM)，在一个开关周期起始时刻，开通第一开关管S1，变压器原边电流i1从0开始线性上升，一旦i1的值大于由模拟控制器的输出调制峰值电流ipk时，关断S1，此时变压器励磁电流转移到变压器副边绕组中，储存在变压器中的能量通过低通滤波器以电流形式向电网供电。在电网电压ug为正时，S2导通，与第一二极管D1相串联的副边绕组工作，当ug为负时，S3导通，与第二二极管D2相串联的副边绕组工作。然而这种模拟电路与数字电路的接口设计非常复杂，而且易出现电平不匹配的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种有效提高输出性能，可靠性高的反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统。
技术方案：本发明提供了一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统，包括最大功率点跟踪模块、锁相环、乘法器、峰值电流计算模块、第一脉冲发生器、第二脉冲发生器、计数器、第一比较器、RS触发器、第二比较器和反相器；
其中，光伏电池输出电压信号UPVf分别输入到最大功率点跟踪模块的第一输入端和峰值电流计算模块的第一输入端，光伏电池输出电流信号IPVf输入到最大功率点跟踪模块的第二输入端，电网电压信号ugf分别输入到锁相环的输入端、峰值电流计算模块的第三输入端和第二比较器的正输入端；最大功率点跟踪模块输出端的输出信号I*输入到乘法器的第一输入端，锁相环的输出端信号u*输入到乘法器的第二输入端，乘法器的输出信号iref输入到峰值电流计算模块的第二输入端；峰值电流计算模块的输出信号upk输入到第一比较器的负输入端；第一脉冲发生器的输出端信号upls1输入到第二脉冲发生器的开始计数输入端和RS触发器的S触发端，第二脉冲发生器的输出端信号upls2输入到计数器的计数输入端，计数器的输出端信号ucou输入到第一比较器的正输入端，第一比较器的输出端信号uR分别输入到RS触发器的R复位端、第二脉冲发生器的停止计数输入端和计数器的复位输入端；RS触发器的输出端信号uS1作为反激式光伏并网微逆变器中第一开关管的驱动信号；第二比较器的负输入端接0电平信号；第二比较器的输出端信号uS2输入到反相器的输入端，并作为反激式光伏并网微逆变器中第二开关管的驱动信号；反相器的输出端信号uS3作为反激式光伏并网微逆变器中第三开关管的驱动信号。
本发明还提供了一种采用上述反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：通过传感器检测得到反激式光伏并网微逆变器的主电路中光伏电池输出电压信号UPVf、光伏电池输出电流信号IPVf、电网电压信号ugf；
步骤2：最大功率点跟踪模块根据光伏电池输出电压UPVf和输出电流IPVf确定并网电流的幅值，锁相环根据电网电压信号ugf确定并网电流的相位；
步骤3：乘法器将步骤2中获得的并网电流的幅值和并网电流的相位合成并网电流基准信号iref；
步骤4：峰值电流计算模块根据步骤3中获得并网电流基准信号iref确定反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk；
步骤5：利用计数器模拟反激式光伏并网逆变器中变压器原边电流，将计数器模拟的结果ucou与步骤4中得到的反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk进行对比，根据对比结果控制反激式光伏并网微逆变器中的开关管，从而实现反激式光伏并网微逆变器峰值电流数字控制。
进一步，所述步骤5中的根据对比结果控制反激式光伏并网微逆变器中的开关管的方法为：在第一脉冲发生器输出信号upls1的上升沿时启动第二脉冲发生器输出信号upls2，信号upls2作为计数器的计数脉冲，当计数器的输出信号ucou一旦大于反激电路变压器原边峰值电流对应的数字信号upk时，第一比较器输出一个高电平脉冲信号uR，信号uR作为第二脉冲发生器的停止信号和计数器的复位信号；反激式光伏并网逆变器中第一开关管的驱动信号uS1由RS触发器确定，当第一脉冲发生器输出信号upls1上升沿时，信号uS1为高电平，当信号uR上升沿时，信号uS1为低电平；反激式光伏并网逆变器中第二开关管的驱动信号uS2和第三开关管的驱动信号uS3由电网电压极性确定，当电网电压为正时，信号uS2为高电平，信号uS3为低电平；当电网电压为负时，信号uS3为高电平，信号uS2为低电平。
进一步，所述步骤4中反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk通过公式计算获得，其中，Lm为反激式并网微逆变器中的变压器原边自感，fs为开关管的开关频率，fpls2为数字芯片的工作频率。
进一步，第一脉冲发生器输出信号upls1的频率确定了反激式光伏并网微逆变器中开关管的频率；第二脉冲发生器输出端信号upls2的频率为数字控制中数字芯片的工作频率；第一脉冲发生器在整个工作过程内都产生脉冲信号，第二脉冲发生器在第一脉冲发生器输出信号upls1的上升沿时开始输出脉冲信号，在第一比较器输出端信号uR上升沿时停止输出信号。
工作原理：本发明主要通过光伏电池电压、电网电压和并网电流基准值计算出反激式光伏并网微逆变器峰值电流控制所需的峰值基准；利用计数器来模拟反激式光伏并网微逆变器中变压器原边电流，通过比较器和RS触发器实现反激式光伏并网微逆变器的峰值电流的数字控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明不仅有效节省了成本，降低了系统的重量和体积；而且有效提高了输出性能，可靠性更高；同时有效解决了模拟电路与数字电路的接口设计非常复杂的问题。本发明更加适应当今的控制发展方向。
附图说明
图1为反激式光伏并网微逆变器的主电路；
图2为反激式光伏并网微逆变器的主要工作波形；
图3为反激式光伏并网微逆变器的数字控制方法框图；
图4为反激式光伏并网微逆变器在一个开关周期数字控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例：
如图3所示，本发明提供了一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统，包括最大功率点跟踪模块、锁相环、乘法器、峰值电流计算模块、第一脉冲发生器、第二脉冲发生器、计数器、第一比较器、RS触发器、第二比较器和反相器；
其中，光伏电池输出电压信号UPVf分别输入到最大功率点跟踪模块的第一输入端和峰值电流计算模块的第一输入端，光伏电池输出电流信号IPVf输入到最大功率点跟踪模块的第二输入端，电网电压信号ugf分别输入到锁相环的输入端、峰值电流计算模块的第三输入端和第二比较器的正输入端；最大功率点跟踪模块输出端的输出信号I*输入到乘法器的第一输入端，锁相环的输出端信号u*输入到乘法器的第二输入端，乘法器的输出信号iref输入到峰值电流计算模块的第二输入端；峰值电流计算模块的输出信号upk输入到第一比较器的负输入端；第一脉冲发生器的输出端信号upls1输入到第二脉冲发生器的开始计数输入端和RS触发器的S触发端，第二脉冲发生器的输出端信号upls2输入到计数器的计数输入端，计数器的输出端信号ucou输入到第一比较器的正输入端，第一比较器的输出端信号uR分别输入到RS触发器的R复位端、第二脉冲发生器的停止计数输入端和计数器的复位输入端；RS触发器的输出端信号uS1作为反激式光伏并网微逆变器中第一开关管的驱动信号；第二比较器的负输入端接0电平信号；第二比较器的输出端信号uS2输入到反相器的输入端，并作为反激式光伏并网微逆变器中第二开关管的驱动信号；反相器的输出端信号uS3作为反激式光伏并网微逆变器中第三开关管的驱动信号。
根据光伏电池输出电压和输出电流信号以及电网电压信号，由最大功率点跟踪模块和锁相环模块确定并网电流的基准值iref，数字控制的目的是实现并网电流对iref的跟踪。峰值电流控制下，设一个开关周期内反激电路的调制比为d，则变压器原边电流变化量Δi1为
式中，UPV为光伏电池输出电压，TS为开关周期，Lm为为反激式并网微逆变器中的变压器原边自感值。
由于电路工作在DCM模式，因此变压器原边电流最大值i1max等于变压器原边电流变化量Δi1，即
在第一开关管S1关断后，变压器励磁能量转移到副边，并在下一个开关周期开始前电流下降到零，假设变压器副边电流利用ΔdTS的时间从最大值下降到零，则变压器副边电流最大值isec_max为
则
式中，n为高频隔离变压器的变比，ug为电网电压，Δisec为变压器副边电流变化量。
由于电网侧滤波电容Cg的电流平均值等于零，则变压器副边电流在开关周期内的平均值Isec等于并网电流，则
根据式(5)，得到所需调制比
则根据式(1)可以得到相应的峰值电流i1max为
式中，ig为反激光伏式并网微逆变器的并网电流。
式(7)仅仅给出在主电路中变压器原边电流的最大值，还需将该峰值与数字芯片中的相关量进行对等。所以，最大功率点跟踪模块根据光伏电池输出电压和输出电流确定并网电流的幅值，锁相环确定并网电流的相位，由乘法器合成并网电流基准信号iref，峰值电流计算模块确定反激电路中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk；利用计数器来模拟变压器原边电流的上升，第一脉冲发生器输出信号upls1的频率即为开关频率fs(＝1/TS)，一般开关频率在50kHz到200kHz范围内，在信号upls1的上升沿时启动第二脉冲发生器输出信号upls2，信号upls2作为计数器的计数脉冲，其频率为采用的数字芯片的工作频率fpls2，当计数器的输出信号ucou一旦大于反激电路中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk时，第一比较器输出一个高电平脉冲信号uR，信号uR既作为第二脉冲发生器的停止信号，也作为计数器的复位信号；第一开关管的驱动信号uS1由RS触发器确定，当第一脉冲发生器输出信号upls1上升沿时，信号uS1为高电平，当信号uR上升沿时，信号uS1为低电平。第二开关管的驱动信号uS2和第三开关管的驱动信号uS3由电网电压极性确定，当电网电压为正时，信号uS2为高电平，信号uS3为低电平；当电网电压为负时，信号uS3为高电平，信号uS2为低电平。
根据开关频率fs和数字芯片工作频率fpls2可以确定一个开关周期内可以累积计数的最大值Tper为
因为调制比d为标幺化的数值，因此以调制比d来计算峰值电流对应的数字量信号upk，即
根据式(9)计算得到的数字就是峰值电流计算模块的运算表达式，其中在实时运算过程中，Lm、fs、fpls2是设计时确定的已知量，UPV、ug、ig分别用检测得到的检测值UPVf、ugf以及并网电流的基准信号uref来代替，即
如图4所示，给出了图3中部分信号的演示波形，因为在一个开关周期内其中某段的信号一致，为表达清楚，图4中横轴中被截去一段，截去部分前后信号一致。结合实际使用数字芯片TMS320F28335进行说明，该数字芯片工作频率为fpls2＝150MHz，设定开关频率fs＝50kHz，则Tper＝3000，信号upls1的频率亦为50kHz，如果根据式(6)求得的调制比d＝0.45，则在该开关周期内，upk＝1350，其余依次类推。需要说明的是，数字控制方法中，信号upk每个开关周期改变一次，而ucou每个数字芯片的工作周期改变一次，图4中的信号upk呈台阶状。
综上所述，本发明一种针对于反激式光伏并网微逆变器的一种数字控制方法，用峰值电流计算模块计算得到峰值电流对应的数字控制值，控制效果与模拟控制方法一致，完全采用数字控制方法，符合了当今控制发展的方向；并且采用计数器模拟反激变压器原边电流，未对变压器原边电流和并网电流进行采样，即省去了两个电流传感器，节省了成本，降低了系统的重量和体积。因此本发明具有性能优良，成本低，可靠性好的优点。

Claims (5)

1.一种反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统，其特征在于：包括最大功率点跟踪模块、锁相环、乘法器、峰值电流计算模块、第一脉冲发生器、第二脉冲发生器、计数器、第一比较器、RS触发器、第二比较器和反相器；
其中，光伏电池输出电压信号UPVf分别输入到最大功率点跟踪模块的第一输入端和峰值电流计算模块的第一输入端，光伏电池输出电流信号IPVf输入到最大功率点跟踪模块的第二输入端，电网电压信号ugf分别输入到锁相环的输入端、峰值电流计算模块的第三输入端和第二比较器的正输入端；最大功率点跟踪模块输出端的输出信号I*输入到乘法器的第一输入端，锁相环的输出端信号u*输入到乘法器的第二输入端，乘法器的输出信号iref输入到峰值电流计算模块的第二输入端；峰值电流计算模块的输出信号upk输入到第一比较器的负输入端；第一脉冲发生器的输出端信号upls1输入到第二脉冲发生器的开始计数输入端和RS触发器的S触发端，第二脉冲发生器的输出端信号upls2输入到计数器的计数输入端，计数器的输出端信号ucou输入到第一比较器的正输入端，第一比较器的输出端信号uR分别输入到RS触发器的R复位端、第二脉冲发生器的停止计数输入端和计数器的复位输入端；RS触发器的输出端信号uS1作为反激式光伏并网微逆变器中第一开关管的驱动信号；第二比较器的负输入端接0电平信号；第二比较器的输出端信号uS2输入到反相器的输入端，并作为反激式光伏并网微逆变器中第二开关管的驱动信号；反相器的输出端信号uS3作为反激式光伏并网微逆变器中第三开关管的驱动信号。
2.采用权利要求1所述的反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过传感器检测得到反激式光伏并网微逆变器的主电路中光伏电池输出电压信号UPVf、光伏电池输出电流信号IPVf、电网电压信号ugf；
步骤2：最大功率点跟踪模块根据光伏电池输出电压UPVf和输出电流IPVf确定并网电流的幅值，锁相环根据电网电压信号ugf确定并网电流的相位；
步骤3：乘法器将步骤2中获得的并网电流的幅值和并网电流的相位合成并网电流基准信号iref；
步骤4：峰值电流计算模块根据步骤3中获得并网电流基准信号iref确定反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk；
步骤5：利用计数器模拟反激式光伏并网逆变器中变压器原边电流，将计数器模拟的结果ucou与步骤4中得到的反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk进行对比，根据对比结果控制反激式光伏并网微逆变器中的开关管，从而实现反激式光伏并网微逆变器峰值电流数字控制。
3.根据权利要求2所述的反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制方法，其特征在于：所述步骤5中的根据对比结果控制反激式光伏并网微逆变器中的开关管的方法为：在第一脉冲发生器输出信号upls1的上升沿时启动第二脉冲发生器输出信号upls2，信号upls2作为计数器的计数脉冲，当计数器的输出信号ucou一旦大于反激电路变压器原边峰值电流对应的数字信号upk时，第一比较器输出一个高电平脉冲信号uR，信号uR作为第二脉冲发生器的停止信号和计数器的复位信号；反激式光伏并网逆变器中第一开关管的驱动信号uS1由RS触发器确定，当第一脉冲发生器输出信号upls1上升沿时，信号uS1为高电平，当信号uR上升沿时，信号uS1为低电平；反激式光伏并网逆变器中第二开关管的驱动信号uS2和第三开关管的驱动信号uS3由电网电压极性确定，当电网电压为正时，信号uS2为高电平，信号uS3为低电平；当电网电压为负时，信号uS3为高电平，信号uS2为低电平。
4.根据权利要求2所述的反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制方法，其特征在于：所述步骤4中反激式光伏并网逆变器中变压器原边峰值电流对应的数字信号upk通过公式计算获得，其中，Lm为反激式并网微逆变器中的变压器原边自感，fs为开关管的开关频率，fpls2为数字芯片的工作频率。
5.根据权利要求3所述的反激式光伏并网微逆变器的峰值电流数字控制方法，其特征在于：第一脉冲发生器输出信号upls1的频率确定了反激式光伏并网微逆变器中开关管的频率；第二脉冲发生器输出端信号upls2的频率为数字控制中数字芯片的工作频率；第一脉冲发生器在整个工作过程内都产生脉冲信号，第二脉冲发生器在第一脉冲发生器输出信号upls1的上升沿时开始输出脉冲信号，在第一比较器输出端信号uR上升沿时停止输出信号。
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