CN106469993A - 基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统及控制方法，该方法包括把太阳能电池板的输出电流I等分成两份I₁＝I₂并通过算法计算出占空比d₁,d₂；通过d₁,d₂分别控制两个升压模块的工作；检测并比较两个DC‑DC升压模块输出的直流母线电压U₁'和U₂'的数值：若U₁'＝U₂'，则DC‑AC逆变模块开始工作，通过驱动电路驱动DC‑AC逆变模块把U₁'和U₂'逆变成220V交流电压；否则调节占空比d₁或d₂，并重复以上步骤，直到满足U₁'＝U₂'。本发明可在微型逆变器中实现高效率的分流，并控制DC‑DC1升压模块的输出直流母线电压U₁和DC‑DC2升压模块输出的直流母线电压U₂大小相等，并使DC‑AC逆变模块快速稳定工作，能够很好的提高系统的工作效率和稳定性。

Description

基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及基于电流均衡的直流并联微型逆变器装置和方法。

背景技术

近些年来，随着社会的高速发展，人们对能源的效率性和安全性越来越重视，而可再生能源光伏并网逆变技术也逐渐成为研究的热点。微型逆变器能够很好地利用可再生能源太阳能，把太阳能转为电能。这一技术需要DC-DC直流升压模块对太阳能光电板产生的直流电压升高至400V左右。而每个微型逆变器的输出功率有限，输出能力受DC-DC升压模块设计的限制，所以为了能够更方便的得到所需的输出功率，需要微型逆变器的两个DC-DC升压模块并联使用，需要解决的问题就是让微型逆变器的两个DC-DC升压模块之间能够互不影响的输出能量，把此能量相加得到所需的功率；而电流均衡技术能够很好的解决该问题。

对于两个并联的DC-DC升压模块的微型逆变器能够协调高效工作，要求两个DC-DC升压模块输出侧的母线电压大小相同，传统的微型逆变器中DC-DC升压模块之间的协调工作主要由硬件电路来实现，通过硬件电路来强制微型逆变器每个DC-DC升压模块输出直流母线电压相同；但由此产生的是能耗问题，硬件电路中的电阻会消耗电能，是整体的微型逆变器效率降低，得不到高效的要求，而且电路不稳定造成整个微型逆变器系统的不稳定。

刘晓东等人在《DC/DC变换器并联均流技术》(安徽工业大学学报，2013，(1)：54-59)一文中研究了DC/DC变换器并联均流技术的无源法，该方法通过调节电源模块输出阻抗来达到均流的目的，进而控制DC/DC变换器。该方法属于开环控制，电流的特性比较差，并且以牺牲电压来达到均流的目的，而且采用的是硬件方法，电路稳定性不够好，电阻上会产生损耗。

“New masterless modular current-sharing technique for DC/DC parallelconverter”《Power Electronics&Motion Control Conference》.ML Bolloch，MCousineai，T Meynard，2010：T3-73-T3-80(《运用于DC/DC并联变换器的新型无主模式电流均衡技术》，《电力电子与运动控制会议》2010年T3期73-80页)一文中研究了基于均流误差信号的均流方法，将两DC-DC升压模块的电流直接传输到待均流模块，从而获得均流误差信号实现均流，进而控制DC-DC升压模块。但是该方法的安全性能差，一旦均流出现故障，整个系统就会瘫痪，并且此方法还是采用的硬件技术，会产生能耗问题以及实现速度比不上软件实现。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于电流均衡的直流并联微型逆变器装置和方法，以解决传统硬件电路来控制的不足和缺点，保证微型逆变器的实时的正常工作，从而提高系统的效率，稳定性和可靠性。

为解决本发明的技术问题，本发明所采用了如下技术方案。

本发明提供了一种基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统，包括以下结构：用于把太阳能转换为直流电压的太阳能电池板，用于升压的DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块，用于把DC-DC1升压模块输出的直流母线电压U₁和DC-DC2升压模块输出的直流母线电压U₂逆变成220V交流电压的DC-AC逆变模块，用于控制整个系统工作及算法的DSP控制电路，用于驱动DC-DC1升压模块的驱动电路Ⅰ和用于驱动DC-DC2升压模块的驱动电路Ⅱ，用于驱动DC-AC逆变模块的驱动电路Ⅲ，用于检测太阳能电池板输出总电流I的电流检测模块，用于检测DC-DC1升压模块输出母线电压U₁和DC-DC2升压模块输出母线电压U₂的电压检测模块；

所述DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块通过电连接并联在太阳能电池板与DC-AC逆变模块之间，即DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输入端与太阳能电池板的输出端电连接，DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端与DC-AC逆变模块的输入端电连接；

所述电流检测模块与太阳能电池板电连接，电流检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向通信连接；所述电压检测模块分别与DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端电连接；电压检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向向通信连接；

所述DSP控制电路输出端分别与驱动电路Ⅰ、驱动电路II和驱动电路Ⅲ的输入端单向通信连接；驱动电路Ⅰ的输出端与DC-DC1升压模块单向通信连接；驱动电路II的输出端与DC-DC2升压模块单向通信连接；驱动电路Ⅲ的输出端与DC-AC逆变模块单向通信连接。

本发明还提供了一种基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统的控制方法，主要步骤如下：

步骤1，系统初始化，包括DSP控制电路中DSP芯片的硬件初始化和软件初始化；

步骤2，电流检测模块采集太阳能电池板的总电流I，并传输给DSP控制电路；

步骤3，DSP控制电路把步骤2得到的总电流I分成2个大小相等的电流I₁和I₂，即其中I₁为DC-DC1升压模块的输入电流，记为均流1；I₂作为DC-DC2升压模块的输入电流，记为均流2；

步骤4，DSP控制电路根据步骤3得到的均流1和均流2分别计算出DC-DC1升压模块的占空比d₁和DC-DC2升压模块的占空比d₂，计算公式如下：

其中，U₁为DC-DC1升压模块输出直流母线电压，U₂为DC-DC2升压模块输出直流母线电压，I_ref为设定的参考电流，V_in为太阳能电池板的输出电压，为两零点两极点控制器，s为频域的时间；

步骤5，DSP控制电路输出根据步骤4得到的两个占空比，通过两个驱动电路控制两个DC-DC1升压模块工作，并对两个DC-DC1升压模块输出直流母线电压进行更新，即DSP控制电路输出占空比d₁通过驱动电路Ⅰ控制DC-DC1升压模块工作，得到更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'；DSP控制电路输出占空比d₂通过驱动电路II控制DC-DC2升压模块工作，得到更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'；

步骤6，电压检测模块采集更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'和更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'，并把U₁'，U₂'信号传输给DSP控制电路；

步骤7，DSP控制电路对步骤6采集到的两个更新后的输出直流母线电压U₁'和U₂'进行比较，

1)如果U₁'<U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC1升压模块的占空比d₁进行更新，并重复步骤5至步骤7；其中，DC-DC1升压模块更新后的占空比记为d₁'，其计算公式如下：

2)如果U₁'>U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC2升压模块的占空比d₂进行更新，并重复步骤5至步骤7；

其中，DC-DC2升压模块更新后的占空比记为d₂'，计算公式如下：

3)如果U₁'＝U₂'，DC-AC逆变模块开始工作，即DSP控制电路发送信号给驱动电路Ⅲ，驱动电路Ⅲ驱动DC-AC逆变模块把U₁'和U₂'逆变成220V交流电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过电流均衡技术将初始电流分成均等两份，分别产生两路占空比来控制微型逆变器的2个DC-DC升压模块工作，保证了微型逆变器2个DC-DC升压模块之间各自独立工作，互不影响。

2、本发明采用软件方式代替传统的硬件实现方式，减少能耗问题以及提高系统的快速性，能够有效的提高微型逆变器的效率和可靠性。

3、本发明信号的采集以及采用算法产生占空比都在CPU内完成，高效、可靠，快速。

附图说明

图1为本发明的基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统结构图。

图2为本发明的基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统控制方法实现的流程图。

具体实验方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明首先提供了一种基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统，以解决现有技术中的带来的能耗大，系统效率低以及电路的不稳定带来的系统稳定性差。该系统结构图如图1所示。具体如下：

基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统包括了：用于把太阳能转换为30V的直流电压的太阳能电池板、用于升压的DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块、用于把DC-DC1升压模块输出的直流母线电压U₁和DC-DC2升压模块输出的直流母线电压U₂逆变成220V交流电压的DC-AC逆变模块、用于控制整个系统工作及算法的DSP控制电路、用于驱动DC-DC1升压模块的驱动电路Ⅰ、用于驱动DC-DC2升压模块的驱动电路Ⅱ，用于驱动DC-AC逆变模块的驱动电路Ⅲ，用于检测太阳能电池板输出总电流I的电流检测模块、用于检测DC-DC1升压模块输出母线电压U₁和DC-DC2升压模块的检测模块U₂的电压检测模块，其中，所述的DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块采用相同的电路结构，采用反激式箝位升压电路，减少能耗，提高转换效率。所述的DC-AC逆变模块采用双BUCK交错式逆变电路，能够提高电路的稳定性。所述驱动电路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主要是把DSP控制电路发出的驱动信号放大，分别供给DC-DC1升压模块、DC-DC2升压模块和DC-AC逆变模块使用。在本实施例中，DSP控制电路中的DSP芯片采用TI公司的TMSF28035芯片，电流检测模块采用的是是霍尔传感器，该传感器高精度，低功耗。

所述DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块通过电连接并联在太阳能电池板与DC-AC逆变模块之间，即DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输入端与太阳能电池板的输出端电连接，DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端与DC-AC逆变模块的输入端电连接。

所述电流检测模块与太阳能电池板电连接，电流检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向通信连接；所述电压检测模块分别与DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端电连接；电压检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向向通信连接。

所述DSP控制电路输出端分别与驱动电路Ⅰ、驱动电路II和驱动电路Ⅲ的输入端单向通信连接；驱动电路Ⅰ的输出端与DC-DC1升压模块单向通信连接；驱动电路II的输出端与DC-DC2升压模块单向通信连接；驱动电路Ⅲ的输出端与DC-AC逆变模块单向通信连接。

本发明的控制方法的实施步骤如图2所示。包括以下步骤：

步骤1，系统初始化，包括DSP控制电路中DSP芯片的硬件初始化和软件初始化；

步骤2，电流检测模块采集太阳能电池板的总电流I，并传输给DSP控制电路；

步骤3，DSP控制电路把步骤2得到的总电流I分成2个大小相等的电流I₁和I₂，即其中I₁为DC-DC1升压模块的输入电流，记为均流1；I₂作为DC-DC2升压模块的输入电流，记为均流2；

步骤4，DSP控制电路根据步骤3得到的均流1和均流2分别计算出DC-DC1升压模块的占空比d₁和DC-DC2升压模块的占空比d₂，计算公式如下：

其中，U₁为DC-DC1升压模块输出直流母线电压，U₂为DC-DC2升压模块输出直流母线电压，I_ref为设定的参考电流，V_in为太阳能电池板输出电压30V，为两零点两极点控制器，s为频域的时间；

步骤5，DSP控制电路输出根据步骤4得到的两个占空比，通过两个驱动电路控制两个DC-DC1升压模块工作，并对两个DC-DC1升压模块输出直流母线电压进行更新，即DSP控制电路输出占空比d₁通过驱动电路Ⅰ控制DC-DC1升压模块工作，得到更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'；DSP控制电路输出占空比d₂通过驱动电路II控制DC-DC2升压模块工作，得到更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'；

步骤6，电压检测模块采集更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'和更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'，并把U₁'，U₂'信号传输给DSP控制电路；

步骤7，DSP控制电路对步骤6采集到的两个更新后的输出直流母线电压U₁'和U₂'进行比较，

1)如果U₁'<U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC1升压模块的占空比d₁进行更新，并重复步骤2.5至步骤2.7；其中，DC-DC1升压模块更新后的占空比记为d₁'，其计算公式如下：

2)如果U₁'>U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC2升压模块的占空比d₂进行更新，并重复步骤2.5至步骤2.7；

其中，DC-DC2升压模块更新后的占空比记为d₂'，计算公式如下：

3)如果U₁'＝U₂'，DC-AC逆变模块开始工作，即DSP控制电路发送信号给驱动电路Ⅲ，驱动电路Ⅲ驱动DC-AC逆变模块把U₁'和U₂'逆变成220V交流电压。

Claims (2)

1.一种基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统，其特征在于，包括以下结构：用于把太阳能转换为直流电压的太阳能电池板，用于升压的DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块，用于把DC-DC1升压模块输出的直流母线电压U₁和DC-DC2升压模块输出的直流母线电压U₂逆变成220V交流电压的DC-AC逆变模块，用于控制整个系统工作及算法的DSP控制电路，用于驱动DC-DC1升压模块的驱动电路Ⅰ和用于驱动DC-DC2升压模块的驱动电路II，用于驱动DC-AC逆变模块的驱动电路Ⅲ，用于检测太阳能电池板输出总电流I的电流检测模块，用于检测DC-DC1升压模块输出母线电压U₁和DC-DC2升压模块输出母线电压U₂的电压检测模块；

所述DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块通过电连接并联在太阳能电池板与DC-AC逆变模块之间，即DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输入端分别与太阳能电池板的输出端电连接，DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端分别与DC-AC逆变模块的输入端电连接；

所述电流检测模块的输入端与太阳能电池板电连接，电流检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向通信连接；所述电压检测模块的输入端分别与DC-DC1升压模块和DC-DC2升压模块的输出端电连接，电压检测模块的输出端与DSP控制电路的输入端是单向向通信连接；

所述DSP控制电路输出端分别与驱动电路Ⅰ、驱动电路Ⅱ和驱动电路Ⅲ的输入端单向通信连接；驱动电路Ⅰ的输出端与DC-DC1升压模块单向通信连接；驱动电路Ⅱ的输出端与DC-DC2升压模块单向通信连接；驱动电路Ⅲ的输出端与DC-AC逆变模块单向通信连接。

2.根据权利要求1所述基于电流均衡的直流并联堆叠式微型逆变器系统的控制方法，其特征在于，主要步骤如下：

步骤1，系统初始化，包括DSP控制电路中DSP芯片的硬件初始化和软件初始化；

步骤2，电流检测模块采集太阳能电池板的总电流I，并传输给DSP控制电路；

步骤3，DSP控制电路把步骤2得到的总电流I分成2个大小相等的电流I₁和I₂，即其中I₁为DC-DC1升压模块的输入电流，记为均流1；I₂作为DC-DC2升压模块的输入电流，记为均流2；

步骤4，DSP控制电路根据步骤3得到的均流1和均流2分别计算出DC-DC1升压模块的占空比d₁和DC-DC2升压模块的占空比d₂，计算公式如下：

$d_1=\frac{(I_1-I_{ref})*G\left(s\right)+U_1}{V_{in}}$

$d_2=\frac{(I_2-I_{ref})*G\left(s\right)+U_2}{V_{in}}$

其中，U₁为DC-DC1升压模块输出直流母线电压，U₂为DC-DC2升压模块输出直流母线电压，I_ref为设定的参考电流，V_in为太阳能电池板的输出电压，为两零点两极点控制器，s为频域的时间；

步骤5，DSP控制电路输出根据步骤4得到的两个占空比，通过两个驱动电路控制两个DC-DC1升压模块工作，并对两个DC-DC1升压模块输出直流母线电压进行更新，即DSP控制电路输出占空比d₁通过驱动电路Ⅰ控制DC-DC1升压模块工作，得到更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'；DSP控制电路输出占空比d₂通过驱动电路Ⅱ控制DC-DC2升压模块工作，得到更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'；

步骤6，电压检测模块采集更新后的DC-DC1升压模块输出直流母线电压U₁'和更新后的DC-DC2升压模块输出直流母线电压U₂'，并把U₁'，U₂'信号传输给DSP控制电路；

步骤7，DSP控制电路对步骤6采集到的两个更新后的输出直流母线电压U₁'和U₂'进行比较，

1)如果U₁'<U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC1升压模块的占空比d₁进行更新，并重复步骤5至步骤7；其中，DC-DC1升压模块更新后的占空比记为d₁'，其计算公式如下：

${d_1}^{\&prime;}=\frac{(I_1-I_{ref})*G\left(s\right)+{U_2}^{\&prime;}}{V_{in}}$

2)如果U₁'>U₂'，DC-AC逆变模块不工作，则DSP控制电路对DC-DC2升压模块的占空比d₂进行更新，并重复步骤5至步骤7；

其中，DC-DC2升压模块更新后的占空比记为d₂'，计算公式如下：

${d_2}^{\&prime;}=\frac{(I_2-I_{ref})*G\left(s\right)+{U_1}^{\&prime;}}{V_{in}}$

3)如果U₁'＝U₂'，DC-AC逆变模块开始工作，即DSP控制电路发送信号给驱动电路Ⅲ，驱动电路Ⅲ驱动DC-AC逆变模块把U₁'和U₂'逆变成220V交流电压。