CN108111046B - 一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法。该变流器主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、原边二极管、辅助开关管、辅助二极管、解耦电容、隔离变压器、副边开关管、副边二极管、滤波电路及电网；其控制方法为：解耦电容电压采样值经过电压环获得其电压扰动信号，输入电压和电流采样值经过输入电流基准电路获得输入电流基准，电网电压采样值经过PLL获得与其同频同相的单位正弦波，然后通过基准生成模块、调制波生成模块、比较器、逻辑电路获得开关管驱动信号。本发明通过控制增加的有源辅助电路实现了直流输入侧功率纹波的有效抑制，同时实现并网。

Description

一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法，属于隔离、并网变流器，其利用增加的有源辅助电路配合以相应的控制来实现直流输入侧功率纹波的抑制。

背景技术

近年来，能源短缺和环境污染问题受到了人们的广泛关注，光伏、风能等新能源以其清洁、高效、可持续等优点而得到了快速发展，例如新能源发电系统等。对于这种新能源发电系统，并网变流器输出功率中含有两倍于电网电压频率的功率纹波，该功率纹波必然会反馈到直流电源端，对于光伏组件而言，将会影响其最大功率点跟踪，降低系统效率，因此解决新能源发电系统中的功率纹波问题具有十分重要的意义。通过并联大容量的电解电容能够有效的抑制输入侧功率脉动，但所需的电容容值将会很大，严重影响系统的功率密度，并且电解电容的使用寿命较短，可靠性较低。在电路中并联LC谐振电路，并将其谐振频率设计为两倍电网电压频率，也能够有效的抑制输入侧功率纹波，但该方案所采用的谐振电感和谐振电容的取值比较大，降低了系统的功率密度。总而言之，这些通过无源器件来抑制输入侧功率纹波的方法，存在着体积重量大、可靠性较低等问题。为此探索新的变换电路拓扑、参数设计和系统控制策略等，能够有效抑制直流输入侧功率纹波，从而采用寿命长、可靠性高的薄膜电容替代寿命短的电解电容，具有十分重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述变流器所存在的技术缺陷提供一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法，既实现了并网逆变，又抑制了直流输入侧功率纹波。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种有源纹波抑制型并网变流器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、原边二极管、隔离变压器、副边开关管、副边二极管、滤波电路、电网及有源辅助电路；其中有源辅助电路包括解耦电容、辅助开关管及辅助二极管，直流电源的正极、输入电容的一端和隔离变压器原边绕组异名端相连接，隔离变压器原边绕组的同名端、原边开关管的集电极和辅助二极管的阳极相连接，辅助二极管的阴极、解耦电容的正极和辅助开关管的集电极相连接，解耦电容的负极、原边开关管的发射极和原边二极管的阳极相连接，原边二极管的阴极、辅助开关管的发射极、输入电容的另一端和直流电源的负极相连接；隔离变压器副边绕组包括两个绕组，副边开关管包括两个开关管，副边二极管包括两个二极管，第一副边绕组的同名端接第一副边二极管的阳极，第一副边二极管的阴极接第一副边开关管的集电极，第一副边开关管的发射极、第二副边开关管的集电极、滤波电容的一端和滤波电感的一端相连接，第二副边开关管的发射极接第二副边二极管的阳极，第二副边二极管的阴极接第二副边绕组的异名端，第二副边绕组的同名端、第一副边绕组的异名端、滤波电容的另一端和电网的一端相连接，电网的另一端接滤波电感的另一端。

一种有源纹波抑制型并网变流器的控制方法，包括以下步骤：

步骤A，检测解耦电容电压信号，输入电压信号，输入电流信号，电网电压信号；

步骤B，将步骤A得到的解耦电容电压信号输入电压环，获得解耦电容电压扰动信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入输入电流基准电路，获得输入电流基准信号；

步骤D，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤E，将步骤A得到的解耦电容电压信号，将步骤B得到的解耦电容电压扰动信号，步骤C得到的输入电流基准信号，步骤D得到的单位正弦波信号接入基准生成模块，获得模式1电流基准、模式2电流基准和原边电流基准；

步骤F，将步骤E得到的模式1电流基准、模式2电流基准和原边电流基准接入调制波生成模块得到第一、第二、第三、第四和第五调制波信号；

步骤G，将步骤A得到的电网电压信号，步骤F得到的第一、第二、第三、第四和第五调制波信号接入比较器，其中电网电压信号和第五调制波信号与零电平作比较，第一、第二、第三和第四调制波信号与载波作比较，获得第一、第二、第三、第四、第五和第六逻辑信号；

步骤H，将前述第一、第三、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第一逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第三和第五逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第四和第五逻辑信号接入逻辑与门，获得辅助开关管的控制信号；

将前述第二、第五、第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第二逻辑信号一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，然后和第六逻辑信号一同接入逻辑与门，获得第一副边开关管的控制信号；

将前述第二、第五、第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第二逻辑信号一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时第六逻辑信号接入逻辑非门，最后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第二副边开关管的控制信号。

有益效果：

本发明披露了一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法，其有效的抑制了直流电源输入侧功率纹波，变流器中电容均可采用小容值的薄膜电容，大大延长了系统的使用寿命。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过控制在反激变换器原边加入的有源辅助电路来处理交流输出侧引起的功率纹波，使得输入电流为一直流量，避免了在直流输入侧并联体积大、寿命短的电解电容。

附图说明

附图1是本发明的一种有源纹波抑制型并网变流器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图2是本发明的一种有源纹波抑制型并网变流器进一步等效电路图。

附图3是本发明的一种有源纹波抑制型并网变流器主要工作波形示意图。

附图4～附图9是本发明的一种有源纹波抑制型并网变流器的各开关模态示意图。

附图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、解耦电容电压及并网电流的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、电源电压。C_i、输入电容。S_p、原边开关管。D_p、原边二极管。S_s1、S_s2、均为副边开关管。S_x、为辅助开关管。D_x、为辅助二极管。D_s1、D_s2、均为副边二极管。C_x、解耦电容。T、隔离变压器。N_p、N_s1、N_s2、隔离变压器绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。v_x、解耦电容电压。v_grid、电网电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1是一种有源纹波抑制型并网变流器主电路及其控制方法的结构示意图。所述变流器主电路由直流电源、输入电容、原边开关管、原边二极管、隔离变压器、副边开关管、副边二极管、滤波电路、电网、辅助开关管、辅助二极管及解耦电容组成。S_p是原边开关管，D_p是原边二极管，C_i是输入电容，S_x是辅助开关管，D_x是辅助二极管，C_x是解耦电容，T是隔离变压器，S_s1、S_s2是副边开关管，D_s1、D_s2是副边二极管，L_f是滤波电感，C_f是滤波电容。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1的变流器等效为附图2所示的电路。

检测解耦电容电压信号v_x，输入电压信号V_i，输入电流信号I_i，电网电压信号v_grid；将解耦电容电压信号v_x输入电压环，获得解耦电容电压扰动信号Δv_x；将输入电压信号V_i和输入电流信号I_i接入输入电流基准电路，获得输入电流基准I_{1_ref}；将电网电压信号v_grid输入PLL，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号sinωt；将解耦电容电压信号v_x，解耦电容电压扰动信号Δv_x，输入电流基准I_{1_ref}和单位正弦波信号sinωt接入基准生成模块，获得模式1电流基准i_{p_1}、模式2电流基准i_{p_2}和原边电流基准i_{p_ref}；将模式1电流基准i_{p_1}、模式2电流基准i_{p_2}和原边电流基准i_{p_ref}输入调制波生成模块，获得调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄及M₅；将电网电压信号v_grid、调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄及M₅输入比较器，其中电网电压信号v_grid和调制波信号M₅与零电平作比较，调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄与载波作比较，获得逻辑信号C₁、C₂、C₃、C₄、C₅及C₆；将逻辑信号C₁、C₃、C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中辑信号C₅接入逻辑非门后，和逻辑信号C₁一同接入逻辑与门，同时逻辑信号C₃、C₅接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管S_p的控制信号；将前述逻辑信号C₄、C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₄、C₅接入逻辑与门，获得辅助开关管S_x的控制信号；将逻辑信号C₂、C₅、C₆输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅接入逻辑非门后，和逻辑信号C₂一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，然后和逻辑信号C₆一同接入逻辑与门，获得副边开关管S_s1的控制信号；将逻辑信号C₂、C₅、C₆输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅接入逻辑非门后，和逻辑信号C₂一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时逻辑信号C₆接入逻辑非门，最后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得副边开关管S_s2的控制信号。

下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图3～附图9叙述本发明的具体工作原理。由于直流电源提供的输入功率为一直流量，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率P_i与瞬时输出功率p_o的大小将电路的工作模式分为两种：当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式1状态；当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式2状态。由附图3可知变流器工作于模式1或者模式2时，一个开关周期均有4种开关模态，模式1时：[t₁₀-t₁₁]、[t₁₁-t₁₂]、[t₁₂-t₁₃]、[t₁₃-t₁₄]，模式2时：[t₂₀-t₂₁]、[t₂₁-t₂₂]、[t₂₂-t₂₃]、[t₂₃-t₂₄]。下面以电网电压处于正半周期时为例，对各开关模态的工作情况进行具体分析；当电网电压处于负半周期时，其工作情况与正半周期时类似，不再赘述。

在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②隔离变压器原副边匝比为：N_p∶N_s1∶N_s2＝1∶n∶n。

模式1下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₁₀-t₁₁][对应于附图4]

t₁₀时刻，原边开关管S_p开通，变压器激磁电感L_m开始储能，原边电流i_p从零开始线性上升。t₁₁时刻，电流i_p到达模式1电流基准i_{p_1}，此时关断开关管S_p，该模态结束。

2.开关模态2[t₁₁-t₁₂][对应于附图5]

t₁₁时刻，由于变压器激磁电感能量不能够突变，原边电流i_p将流过辅助二极管D_x及解耦电容C_x，变压器激磁电感承受直流电源电压和解耦电容电压之差，由于变流器的开关频率高，在一个开关周期内解耦电容电压可看作为定值，原边电流i_p线性下降，当其下降到基准i_{p_ref}时，副边开关管S_s1开通，此模态结束。

由此可以得出原边电流基准i_{p_ref}为：

其中，T_s为开关周期。进而可以得到调制波M₅(t)和模式1电流基准i_{p_1}表达式：

M₅(t)＝i_{p_ref}-I_{1_ref} (2)

其中，P_i＝V_iI_i。由此可以得到调制波M₁(t)和M₂(t)：

3.开关模态3[t₁₂-t₁₃][对应于附图6]

t₁₂时刻，开通副边开关管S_s1。由于变压器副边折算到原边的电压小于解耦电容上的电压与直流电源电压之差，辅助二极管和原边二极管承受反向电压截止，变压器激磁电感向电网输送电能。此阶段内，副边电流i_s由基准i_{p_ref}/n线性下降到零。

4.开关模态4[t₁₃-t₁₄][对应于附图7]

t₁₃时刻，副边电流i_s下降到零。此阶段内，副边开关管依然导通，但已经没有电流流过。t₁₄时刻，副边开关管关断，此工作模态结束，并且该开关周期结束，进入下一个开关周期。

模式2下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₂₀-t₂₁][对应于附图8]

t₂₀时刻，同时开通原边开关管S_p和辅助开关管S_x，变压器激磁电感L_m承受直流电源电压和解耦电容电压之和，原边电流i_p从零开始线性上升。t₂₁时刻，电流i_p到达模式2电流基准i_{p_2}，关断辅助开关管S_x，该模态结束。

2.开关模态2[t₂₁-t₂₂][对应于附图9]

t₂₁时刻，由于变压器激磁电感承受直流电源电压，原边电流i_p继续上升，当其上升至原边电流基准i_{p_ref}时，原边开关管S_p关断，此模态结束。

进而可以得到模式2电流基准i_{p_2}表达式：

由此可以得到调制波M₃(t)和M₄(t)：

3.开关模态3[t₂₂-t₂₃][对应于附图6]

t₂₂时刻，当电网电压为正时，副边开关管S_s1在模式2下始终开通，如附图6所示，变压器激磁电感向电网释放能量。此阶段内，副边电流i_s由基准i_{p_ref}/n线性下降到零。

4.开关模态4[t₂₃-t₂₄][对应于附图7]

此阶段内，副边开关管依然导通，但已经没有电流流过，直至该开关周期结束，进入下一个开关周期。

图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流I_i、解耦电容电压v_x及并网电流i_grid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明能够抑制直流输入侧的功率纹波。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种有源纹波抑制型并网变流器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)增加的有源辅助电路有效抑制了直流电源输入侧的功率纹波，避免采用寿命短、可靠性低的电解电容。

2)并网变流器元器件相对较少，控制简单，易实现。

3)隔离变压器漏感中能量能回馈到解耦电容和直流电源中，进一步提高了变流器的性能和效率。

Claims (1)

1.一种有源纹波抑制型并网变流器的控制方法，所述并网变流器包括直流电源、输入电容、原边开关管、原边二极管、隔离变压器、副边开关管、副边二极管、滤波电路、电网及有源辅助电路；其中有源辅助电路包括解耦电容、辅助开关管及辅助二极管，直流电源的正极、输入电容的一端和隔离变压器原边绕组异名端相连接，隔离变压器原边绕组的同名端、原边开关管的集电极和辅助二极管的阳极相连接，辅助二极管的阴极、解耦电容的正极和辅助开关管的集电极相连接，解耦电容的负极、原边开关管的发射极和原边二极管的阳极相连接，原边二极管的阴极、辅助开关管的发射极、输入电容的另一端和直流电源的负极相连接；隔离变压器副边绕组包括两个绕组，副边开关管包括两个开关管，副边二极管包括两个二极管，第一副边绕组的同名端接第一副边二极管的阳极，第一副边二极管的阴极接第一副边开关管的集电极，滤波电路包括一个滤波电容和一个滤波电感，第一副边开关管的发射极、第二副边开关管的集电极、滤波电容的一端和滤波电感的一端相连接，第二副边开关管的发射极接第二副边二极管的阳极，第二副边二极管的阴极接第二副边绕组的异名端，第二副边绕组的同名端、第一副边绕组的异名端、滤波电容的另一端和电网的一端相连接，电网的另一端接滤波电感的另一端；其特征在于，该并网变流器的控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测解耦电容电压信号，输入电压信号，输入电流信号，电网电压信号；

步骤B，将步骤A得到的解耦电容电压信号输入电压环，获得解耦电容电压扰动信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入输入电流基准电路，获得输入电流基准信号；

步骤D，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤E，将步骤A得到的解耦电容电压信号，将步骤B得到的解耦电容电压扰动信号，步骤C得到的输入电流基准信号，步骤D得到的单位正弦波信号接入基准生成模块，获得模式1电流基准、模式2电流基准和原边电流基准；

步骤F，将步骤E得到的模式1电流基准、模式2电流基准和原边电流基准接入调制波生成模块得到第一、第二、第三、第四和第五调制波信号；

步骤G，将步骤A得到的电网电压信号，步骤F得到的第一、第二、第三、第四和第五调制波信号分别接入五个比较器，其中，第一、第二、第三和第四调制波信号分别与载波作比较，第五调制波信号和电网电压信号分别与零电平作比较，依次对应获得第一、第二、第三、第四、第五和第六逻辑信号；

步骤H，将前述第一、第三、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第一逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第三和第五逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第四和第五逻辑信号接入逻辑与门，获得辅助开关管的控制信号；

将前述第二、第五、第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第二逻辑信号一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，然后和第六逻辑信号一同接入逻辑与门，获得第一副边开关管的控制信号；

将前述第二、第五、第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第二逻辑信号一同接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时第六逻辑信号接入逻辑非门，最后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第二副边开关管的控制信号。