CN105978389A - 桥式微逆变器的一种低频电流纹波抑制数字控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制策略，该策略由DSP数字芯片实现，包括模/数转换模块、最大功率点跟踪模块、占空比预计算模块、信号放大器模块、信号调理模块共同组成。本发明仅需采用简单的控制策略即可实现微逆变器输入侧低频电流纹波的抑制，具有纹波抑制率高、控制实现方便、成本低等一系列优点。

Description

桥式微逆变器的一种低频电流纹波抑制数字控制装置
技术领域
本发明涉及一种应用于桥式微逆变器的一种低频电流纹波抑制数字控制装置，属于电力电子变换器控制技术领域。
背景技术
光伏微逆变器的常用拓扑是以小功率电路，如反激或正激电路为基础构建形成，随着单块光伏电池功率的逐渐增加，一般采用并联变换器实现扩容，采用交错控制可实现滤波器的优化。目前，光电转换效率的提升使得单块光伏电池的功率越来越大，目前，市场常见的单块光伏电池功率已经达到350W，可以预见，今后的单块电池功率将持续增加，而单个正激、反激型电路仅在合适的功率范围内才能高效变换，在光伏电池输出功率持续增加的背景下，需要更多台的正激或反激电路交错并联，这大大增加了电路的复杂性和成本。因此目前出现了以桥式电路为基础构建的微逆变器，为降低电路的复杂性，一般都采用变压器原边全桥+副边半波周波变换器的结构，这类拓扑会引起开关管的电流应力较高。
光伏交流模块指的是微逆变器和单块光伏电池进行集成，因此微逆变器安装在环境恶劣的室外，微逆变器的寿命与光伏电池寿命匹配是一项基本要求，而微逆变器关键元件之一的功率解耦通常由电解电容实现，电解电容正是制约微逆变器寿命的关键，采用容值较小、寿命更长的薄膜电容代替电解电容是经常采用的方法，这就需要引入光伏电池输入电流的低频纹波抑制策略，将光伏电池输出功率与电网侧功率的差异通过第三方的储能元件进行缓存，从而保证光伏电池侧输出功率恒定。而要实现上述功率解耦并且消除电解电容的常用方法是消除微逆变器输入侧电流中的低频纹波，现行的常用方法要么增加相关硬件电路，要么采用复杂的控制才能实现，其实现成本相对较高。
为此，本发明针对桥式微逆变器电路，通过一种简单的数字控制装置实现了输入低频电流纹波的抑制。
发明内容
发明目的：为保证微逆变器具有与光伏电池相同的寿命，必须消除微逆变器中的电解电容，而用容值更小的薄膜电容代替，由此带来了微逆变器输入侧电流含有大量的低频纹波，常用方法要么电路结构复杂，要么控制实现非常困难。本发明的目的就是在不增加硬件电路的情况下，提出一种简单的数字控制装置，实现微逆变器输入侧低频电流纹波的抑制。
技术方案：
一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制装置，其特征在于：包括模/数转换模块、最大功率点跟踪模块、占空比预计算模块、信号放大器模块以及信号调理模块；
模/数转换模块的第一输入端接光伏电池输出电压信号，模/数转换模块的第二输入端接光伏电池输出电流信号，模/数转换模块的第三输入端接直流环节输出电压信号，最大功率点跟踪模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，最大功率点跟踪模块的第二输入端接模/数转换模块的第二输出端，占空比预计算模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，占空比预计算模块的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，占空比预计算模块的第三输入端接模/数转换模块的第三输出端，信号放大器模块的输入端接占空比预计算模块的输出端，信号调理模块的输入端接信号放大器模块的输出端，信号调理模块输出微逆变器前级DC/DC变换器中开关管的驱动信号；
一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制方法，其特征在于：合理的调节占空比大小以保证微逆变器输入侧电流的平均值为恒定值，从而消除微逆变器输入侧电流中所含低频谐波成分，实现微逆变器输入侧低频电流纹波的抑制；此方法控制策略简单，具有纹波抑制率高、控制实现方便、成本低等一系列优点；
有益效果：采用上述方案后，该逆变器中开关器件更易于实现软开关，整流器的输出电流具有电流源特性，方便通过简单的控制实现输入电流低频纹波的抑制，整流器中开关管电压被滤波电容钳位，没有电压尖峰，可以利用变压器的漏感作为能量缓冲网络的一部分，充分利用了器件。
附图说明
图1为本发明实施例的桥式光伏微逆变器主电路图；
图2为本发明实施例的桥式光伏微逆变器主电路前级DC/DC环节，一个开关周期内电路的主要波形示意图；
图3为本发明实施例的一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制装置框图；
图4为本发明实施例的电网侧逆变器控制框图；
图中符号名称：UPV——光伏电池输出电压；IPV——光伏电池输出电流；Cin——输入滤波电容；uAB——缓冲电感L输入端电压；S1～S8——第一开关管至第八开关管；L——缓冲电感；iL——缓冲电感L流过电流；T——高频变压器；n——变压器副边与原边的匝比；uCD——整流器输入电压；D1、D2——变压器副边整流二极管；C1、C2——直流滤波器；irec1——变压器正向磁化时副边电流；irec2——变压器反向磁化时副边电流；iDC——整流器输出电流；UDC——整流器输出电压；uEF——逆变器侧滤波电感L1输入端电压；L1——逆变器侧滤波电感；iL1——逆变器侧滤波电感L1流过电流；C——并网滤波电容；L2——并网滤波电感；iC——并网滤波电容电流；iG——并网电流；uG——电网电压；i*——并网电流相位基准信号；IG*——并网电流的幅值；iG*——并网电流基准信号；UDC_F——整流器输出电压平均值；UDC_e——整流器输出电压误差信号；UPV_D——模/数转换模块的第一输出端输出信号；IPV_D——模/数转换模块的第二输出端输出信号；UDC_D——模/数转换模块的第三输出端输出信号；P——最大功率点跟踪模块输出信号；D——占空比预计算模块的输出信号；ur——信号放大器模块输出信号；uS1～uS4——第一开关管至第四开关管的驱动信号。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1为本发明实施例的桥式光伏微逆变器主电路图，一个开关周期内开关管驱动信号以及主要电压、电流波形图如图2，图中详细描述了全桥电路中的四个开关管与缓冲电感L输入端电压的位置关系，开关管驱动信号直接决定了缓冲电感输入端电压uAB，图中还给出了缓冲电感电流iL随开关管开关时间的变化情况，并且描述了整流器输入端电压uCD、变压器副边电流irec1、变压器副边电流irec2、以及光伏电池输出电流IPV随缓冲电感电流iL的变化情况，在一个开关周期内，桥式工作模式下变压器前级电路输出为脉宽可变的高频交流电，全桥电路中四个开关管S1～S4均处于高频工作状态。
如图3所示，一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制装置，其特征在于：包括模/数转换模块、最大功率点跟踪模块、占空比预计算模块、信号放大器模块以及信号调理模块，以下将就其相互连接关系及组成部件进行详细说明。
模/数转换模块的第一输入端接光伏电池输出电压信号，模/数转换模块的第二输入端接光伏电池输出电流信号，模/数转换模块的第三输入端接直流环节输出电压信号，最大功率点跟踪模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，最大功率点跟踪模块的第二输入端接模/数转换模块的第二输出端，占空比预计算模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，占空比预计算模块的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，占空比预计算模块的第三输入端接模/数转换模块的第三输出端，信号放大器模块的输入端接占空比预计算模块的输出端，信号调理模块的输入端接信号放大器模块的输出端，信号调理模块输出微逆变器前级DC/DC变换器中开关管的驱动信号。
由MPPT算法得到光伏电池输出功率为P，则IPV的均值为
I P V _ F = P U P V _ D
根据图2中的电流IPV的几何关系，得
I P V _ F = ( 2 nU P V _ D - U D C _ D ) D 2 T S 8 n L
由以上两式得到
D = 8 n L P ( 2 nU P V _ D - U D C _ D ) U P V _ D T S
式中，n为变压器变比，TS为前级DC/DC变换器的开关周期，D为占空比，因此，根据MPPT得到的功率P，微逆变器的输入电压UPV_D和直流环节电压UDC_D，就可以得到可以抑制输入侧低频电流纹波的控制方法，前级DC/DC变换器用来实现光伏电池的MPPT，再由其得到的光伏电池输出功率P、UPV_D与UDC_D共同决定DC/DC变换器的调制比。
图4为电网侧逆变器的控制框图，电网侧的正弦逆变器的并网电流的幅值IG*通过对直流环节电压UDC闭环控制得到，并与锁相环得到的相位进行运算得到逆变器并网电流基准值iG*。
综上所述，使用适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制的数字控制方法，该逆变器中开关器件更易于实现软开关，整流器的输出电流具有电流源特性，方便通过简单的控制实现输入电流低频纹波的抑制，整流器中开关管电压被滤波电容钳位，没有电压尖峰，可以利用变压器的漏感作为能量缓冲网络的一部分，充分利用了器件，并且此方法控制策略简单，具有纹波抑制率高、控制实现方便、成本低等一系列优点。

Claims (3)

1.一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制装置，其特征在于：包括模/数转换模块、最大功率点跟踪模块、占空比预计算模块、信号放大器模块以及信号调理模块；
模/数转换模块的第一输入端接光伏电池输出电压信号，模/数转换模块的第二输入端接光伏电池输出电流信号，模/数转换模块的第三输入端接直流环节输出电压信号，最大功率点跟踪模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，最大功率点跟踪模块的第二输入端接模/数转换模块的第二输出端，占空比预计算模块的第一输入端接模/数转换模块的第一输出端，占空比预计算模块的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，占空比预计算模块的第三输入端接模/数转换模块的第三输出端，信号放大器模块的输入端接占空比预计算模块的输出端，信号调理模块的输入端接信号放大器模块的输出端，信号调理模块输出微逆变器前级DC/DC变换器中开关管的驱动信号。
2.一种如权利要求1所述的适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制装置，其特征在于：设模/数转换模块的第一输出端输出信号为UPV_D，模/数转换模块的第三输出端输出信号为UDC_D，最大功率点跟踪模块输出信号为P，得到占空比预计算模块的输出信号D为：
D = 8 n L P ( 2 nU P V _ D - U D C _ D ) U P V _ D T S
其中，n为变压器副边与原边的匝比，L为前级缓冲电感感值，Ts为开关管开关周期。
3.一种适用于桥式微逆变器的低频电流纹波抑制数字控制方法，其特征在于：合理的调节占空比大小以保证微逆变器输入侧电流的平均值为恒定值，从而消除微逆变器输入侧电流中所含低频谐波成分，实现微逆变器输入侧低频电流纹波的抑制；此方法控制策略简单，具有纹波抑制率高、控制实现方便、成本低等一系列优点。
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