CN106026679B - 应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，该变换器应用于微逆变器中第一级的DC/DC环节，高功率时微逆变器工作于全桥模式，低功率时工作于正激模式，两种情况下变压器的设计参数一致，在大功率和小功率下都能够高效变换，实现微逆变器的高加权效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置，属于电力电子变换器及其控制技术领域。
背景技术
微逆变器是光伏发电的一个重要研究方向，相比于组串供电方式和集中供电方式，微逆变器可保证光伏电池工作于最大功率点、模块化设计、可热插拔、冗余性好，可靠性高和安装方便等一系列的优点而广受各界关注。
功率变换效率提升一直是光伏微逆变器的一个重要研究方向，为此研究人员提出了多种非隔离型微逆变器和隔离型微逆变器。由于单块光伏电池输出电压较低(25V-50V)，要实现并网，可采用两级式电路结构，升压后再进行逆变，常用的Boost变换器难以高效实现高升压比，因此需要特定结构的高升压比变换器，该类型变换器一般都采用调节耦合电感的匝比实现10倍以上的升压比，但高升压比变换器也需要较多的二极管和无源元件才能实现，而采用高频变压器实现电气隔离的微逆变器可以用较少的功率变换级数完成逆变功能，目前隔离型微逆变器中研究较多的是反激微逆变器，另外正激、推挽、全桥和Zeta微逆变器也有相关研究，隔离型全桥和Zeta微逆变器的电路结构较复杂，不利于小功率情况下电路效率的提高，反激和正激型微逆变器的电路结构较简单，但正激型微逆变器副边电路二极管在峰值电流时换流，造成二极管的寄生振荡和反向恢复损耗，效率难以提升；反激型微逆变器的功率受限于储能变压器，随着单块光伏电池功率增加，因此近年交错反激型微逆变器，但后级必须增加翻转逆变器，这增加了微逆变器的复杂性。
目前对新能源发电系统普遍采用加权效率来衡量，如欧洲效率和CEC效率，作为微逆变器主流拓扑的交错反激方案，研究人员提出多种方案来改善其效率，这些方案的主要思想是根据并网功率与电网的工频相位，决定是全部电路还是部分电路投入功率变换，以在低输出功率时降低电路的总损耗，这些方案都取得了较高的加权效率；随着光伏电池光电转换效率的提高，相同面积的光伏电池输出功率也越来越大，目前单块光伏电池已达350W，预计今后将持续增加，受单台反激变换器处理功率所限，交错反激并联的台数将要随着功率的增加而增加，这将极大的增加电路的复杂性；为此，需要颠覆现有的微逆变器，提出在大功率和小功率下都实现高效变换的方案。
发明内容
发明目的：为保证微逆变器在大功率和小功率下都能实现高效变换，本文提出了一种全桥柔性微逆变器拓扑，该拓扑应用于微逆变器中第一级的DC/DC环节，功率高于100W时微逆变器工作于全桥模式，功率低于100W时微逆变器工作于正激模式，两种情况下变压器的设计参数一致，并且柔性拓扑微逆变器能够实现较高的加权效率。
技术方案：
一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、全波整流电路以及输出滤波器；其中全桥电路以光伏电池作为输入电源，包含带反并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；第一开关管的源极和第三开关管的漏极连接，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容的正端连接在一起，第二开关管的源极和第四开关管的漏极连接，第三开关管的源极、第四开关管的源极、光伏电池负极、输入滤波电容的负端连接在一起；
所述缓冲电感一端接在第一开关管的源极和第三开关管的漏极之间；所述高频变压器包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、输出滤波器的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器的负端连接在一起；
一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制装置，其特征在于：包括第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器以及DSP数字控制器，其中DSP数字控制器包括最大功率点跟踪模块、第一占空比预计算模块、第二占空比预计算模块、减法器、信号发生器、PID调节器、第一模式选择开关、限幅器、加法器、第一信号调制器、第二信号调制器、第二模式选择开关；
第一电压传感器的输入端连接在光伏电池的两端，第二电压传感器连接在输出滤波器的两端，第一电流传感器串联在第一开关管漏极与光伏电池的正端之间；
最大功率点跟踪模块的第一输入端和第二输入端分别连接上述第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端；第一占空比预计算模块的第一输入端接上述第二电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；第二占空比预计算模块的第一输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第二占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第二占空比预计算模块的第三输入端接第二电压传感器的输出端；减法器的正输入端接信号发生器的输出端，减法器的负输入端接第二电压传感器的输出端；PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端接限幅器的输入端；第一模式选择开关的第一输入端接第一占空比预计算模块的输出端，第一模式选择开关的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二占空比预计算模块的输出端；加法器的第一输入端接限幅器的输出端，加法器的第二输入端接第一模式选择开关的输出端，加法器的输出端接第一信号调制器的输入端和第二信号调制器的输入端；第二模式选择开关的第一输入端接第一信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第二信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；
当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于全桥模式，第一模式选择开关输出第一占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使四个开关管都处于高频工作状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进正激模式，第一模式选择开关输出第二占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使第一开关管和第四开关管处于高频工作状态，使第二开关管和第三开关管处于关断状态；
一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制方法，其特征在于：在桥式工作模式下，变压器前级电路输出为脉宽可变的高频交流电，四个开关管均处于高频工作状态；在改进双管正激工作模式时，仅有两个开关管处于高频工作状态，因此改进双管正激电路节省了两个开关管的驱动损耗，有利于小功率情况下效率的提升。
有益效果：采用上述方案后，由于变压器前串联电感电流为关键控制量，且电路输出呈电流源特性，该变换器中所有开关都可实现软开关，并消除了变压器副边整流二极管反向恢复损耗，电路在两种模式下都可实现高效率传输；通过分析还可以得到微逆变器的最大占空比、占空比的预置值、开关管的电流应力以及无源选件参数。
附图说明
图1为本发明实施例的应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置框图；
图2为本发明实施例在桥式工作模式电路图；
图3为本发明实施例在桥式工作模式时，一个开关周期内电路的主要波形示意图；
图4为本发明实施例在改进双管正激工作模式电路图；
图5为本发明实施例在改进双管正激工作模式时，一个开关周期内电路的主要波形图；
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——缓冲电感输入端电压；S1-S4——第一开关管至第四开关管；L——缓冲电感；iL——缓冲电感电流；im——变压器磁化电流；T——高频变压器；n——变压器副边与原边的匝比；uw1——高频变压器原边电压；D1——第一整流二极管；D2——第二整流二极管；irec——变压器副边电流；Cdc——输出滤波器；iC——输出滤波器电流；iDC——输出电流；UDC——输出电压；UPV_f——第一电压传感器输出信号；IPV_f——第一电流传感器输出信号；UDC_f——第二电压传感器输出信号；P——最大功率点跟踪模块输出信号；UDC*——输出电压基准信号；UDC_e——输出电压误差信号；Da——柔性拓扑微逆变器的调制比微调信号；Db——柔性拓扑微逆变器工作在桥式模式下的调制比预调信号；Dc——柔性拓扑微逆变器工作在改进正激模式下的调制比预调信号；Dp——第一模式选择开关的输出信号；Dm——限幅器的输出信号；D——柔性拓扑微逆变器的调制比信号；uS1a～uS4a——第一信号调制器输出信号；uS1b～uS4b——第二信号调制器输出信号；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。
如图1所示，一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，包括输入滤波电容Cin、全桥电路、缓冲电感L、高频变压器T、全波整流电路以及输出滤波器Cdc，以下将就其相互连接关系及组成部件进行详细说明。
全桥电路以光伏电池作为输入电源，并包含带反并联二极管的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；S1的源极和S3的漏极连接，S1的漏极、S2的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容Cin的正端连接在一起，S2的源极和S4的漏极连接，S3的源极、S4的源极、光伏电池负极、输入滤波电容Cin的负端连接在一起；缓冲电感L一端接在S1的源极和S3的漏极之间；高频变压器T包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感L的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管S2和S4的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管D1阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管D2阳极连接，第一整流二极管D1的阴极、第二整流二极管D2的阴极、输出滤波器Cdc的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器Cdc的负端连接在一起。
应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制装置，其特征在于：包括第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器以及DSP数字控制器，其中DSP数字控制器包括最大功率点跟踪模块、第一占空比预计算模块、第二占空比预计算模块、减法器、信号发生器、PID调节器、第一模式选择开关、限幅器、加法器、第一信号调制器、第二信号调制器、第二模式选择开关。
第一电压传感器的输入端连接在光伏电池的两端，第二电压传感器连接在电网的两端，第一电流传感器串联在S1的漏极与光伏电池的正端之间。
最大功率点跟踪模块的第一输入端和第二输入端分别连接上述第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端；第一占空比预计算模块的第一输入端接上述第二电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；第二占空比预计算模块的第一输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第二占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第二占空比预计算模块的第三输入端接第二电压传感器的输出端；减法器的正输入端接信号发生器的输出端，减法器的负输入端接第二电压传感器的输出端；PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端接限幅器的输入端；第一模式选择开关的第一输入端接第一占空比预计算模块的输出端，第一模式选择开关的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二占空比预计算模块的输出端；加法器的第一输入端接限幅器的输出端，加法器的第二输入端接第一模式选择开关的输出端，加法器的输出端接第一信号调制器的输入端和第二信号调制器的输入端；第二模式选择开关的第一输入端接第一信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第二信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于全桥模式，第一模式选择开关输出第一占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，控制四个开关管的开关状态，使四个开关管都处于高频工作状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进正激模式，第一模式选择开关输出第二占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，控制四个开关管的开关状态，使第一开关管和第四开关管处于高频工作状态，使第二开关管和第三开关管处于关断状态。
图2为本发明在桥式工作模式时的等效电路图，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3，图中详细描述了全桥电路中的四个开关管与缓冲电感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，并且描述了缓冲电感电流iL随开关管开关时间的变化情况，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，四个开关管S1-S4均处于高频工作；图4为本发明在改进正激模式时的等效电路图，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5，图中详细描述了改进正激电路中的两个开关管与缓冲电感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，并且描述了变压器原边电压uw1、变压器磁化电流im及变压器副边电流irec随开关管开关时间的变化情况，在一个开关周期内，仅有2个开关管处于高频工作状态，因此改进双管正激电路节省了2个开关管的驱动损耗，有利于小功率情况下效率的提升。图5中，im为变压器磁化电流，在一个开关周期结束前，im必须下降为零。
综上所述，应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制方法，所有的开关器件都工作在软开关状态；变压器变比对不同开关管的电流应力有不同的影响，据此确定适中的变压器变比；输入功率低于100W时，电路工作于改进正激模式，开通损耗较低，仅有两个开关管处于高频工作状态，节省了两个开关管的驱动损耗；输入功率高于100W时，电路工作于全桥模式，导通损耗低、铁损较小，相对于其它的现有微逆变器，本文所采用的柔性拓扑微逆变器在小功率和大功率时都有较小的损耗，使其具有较高的加权效率，能够实现在一个开关周期内电能的高效变换。
Claims (2)
1.一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，其特征在于：包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、全波整流电路以及输出滤波器；其中全桥电路以光伏电池作为输入电源，包含带反并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；第一开关管的源极和第三开关管的漏极连接，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容Cin的正端连接在一起，第二开关管的源极和第四开关管的漏极连接，第三开关管的源极、第四开关管的源极、光伏电池负极、输入滤波电容Cin的负端连接在一起；
所述缓冲电感一端接在第一开关管的源极和第三开关管的漏极之间；所述高频变压器包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、输出滤波器Cdc的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器Cdc的负端连接在一起；
还包括第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器以及DSP数字控制器，其中DSP数字控制器包括最大功率点跟踪模块、第一占空比预计算模块、第二占空比预计算模块、减法器、信号发生器、PID调节器、第一模式选择开关、限幅器、加法器、第一信号调制器、第二信号调制器、第二模式选择开关；
第一电压传感器的输入端连接在光伏电池的两端，第二电压传感器连接在输出滤波器的两端，第一电流传感器串联在第一开关管漏极与光伏电池的正端之间；
最大功率点跟踪模块的第一输入端和第二输入端分别连接上述第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端；第一占空比预计算模块的第一输入端接上述第二电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；第二占空比预计算模块的第一输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第二占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第二占空比预计算模块的第三输入端接第二电压传感器的输出端；减法器的正输入端接信号发生器的输出端，减法器的负输入端接第二电压传感器的输出端；PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端接限幅器的输入端；第一模式选择开关的第一输入端接第一占空比预计算模块的输出端，第一模式选择开关的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二占空比预计算模块的输出端；加法器的第一输入端接限幅器的输出端，加法器的第二输入端接第一模式选择开关的输出端，加法器的输出端接第一信号调制器的输入端和第二信号调制器的输入端；第二模式选择开关的第一输入端接第一信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第二信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；
当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于全桥模式，第一模式选择开关输出第一占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号去控制四个开关管的开关状态，使四个开关管都处于高频工作状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进正激模式，第一模式选择开关输出第二占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号去控制四个开关管的开关状态，使第一开关管和第四开关管处于高频工作状态，使第二开关管和第三开关管处于关断状态。
2.如权利要求1所述的应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，其特征在于：设第一电压传感器输出信号电压为UPV_f，第二电压传感器输出信号电压为UDC_f，电路可实现的最大功率为Pmax，最大功率点跟踪模块输出信号为P，当P高于100W时，电路工作于全桥模式，得到占空比预调制比的输出信号Db为：
当P低于100W时，电路工作于改进正激模式，得到占空比预调制比的输出信号Dc为：
其中，n为变压器副边与原边的匝比，L为缓冲电感的感值，Ts为开关管开关周期。
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