CN108134405B - 一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法，在满足双有源桥电路在高压直接并网变流器正常运行的前提下，提出了改进的调制策略，作用于双有源桥中的原副边H桥占空比，而双有源桥的控制由控制器调节移相角实现，因此本发明可以和控制系统完全兼容。该调制算法能够有效提升高压直接并网变流器的性能，促进高压直接并网变流器的规模化应用，对光伏发电系统的发展有着积极的推动作用。

Description

一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法
技术领域
本发明属于电力电子以及光伏发电技术领域，涉及一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法。
背景技术
目前大型的光伏发电系统大都采用低压的并网构架，其基本组成部分为直流汇流箱，逆变器以及升压变压器。光伏电池板的输出通过汇流箱进行电能汇聚，输出提供至逆变器，逆变器将直流电能转化为交流电能，最终通过工频变压器提供至中压电网，该构架的示意图如图1所示。该模式技术成熟，但是在应用中仍然存在一系列的弊端。首先逆变器工作条件受制于直流侧输入电压，当光伏电池板输出电压较低的时候，逆变器无法工作，导致了电能的浪费；其次，该系统依靠工频变压器，而工频变压器体积大，质量重，效率低，同时存在变压器油对环境带来损害；最后，逆变器通过低压交流的电能汇聚线路提供至工频变压器，汇流电压较低电流大，整体损耗较高。
为了改进传统的构架，大量专利提出了解决方案，申请号为201610222409.7的专利提出了“一种基于固态变压器阵列的高压光伏并网发电系统”，该构架如图2所示，图中隔离DC/DC采用的是高效率的双有源桥电路。该构架能够有效的弥补传统构架中以上三种问题，首先，该系统不存在逆变电压限制的问题，由于系统采取了多级构架，在光伏电池板电压较低的时候，能够通过DC/DC的变换环节提升逆变侧的直流电压；其次，利用高频变换替代工频变压器，系统能够有效的降低体积、重量、而且固态的高频变压器不存在污染问题；最后，利用高压交流汇聚线路替代低压交流汇聚线路，系统整体线损更低。
虽然该构架优势明显，但是在一些工况下，仍然存在一定的问题。在光伏发电应用中，光伏电池板的输出电压变化巨大，宽范围的输入电压将对高压光伏并网的核心环节，双有源桥电路带来极大的影响，影响主要来自几个方面，首先电路中电流有效值将增加，这将影响到变换环节的损耗；其次，电流峰值增加，这将增加器件的电应力；最后，开关器件难以实现零电压开通，这会增加器件损耗。另外一方面，在高压光伏并网变流器中，由大量的功率模块组成，这将带来大量的并行通信和计算，实际工程应用中只能采用可支持并行通信和计算的FPGA控制芯片，但是FPGA中对复杂算法的处理难度较大，算法实现的时间要求短。综上所述，需要一种简单易行的调制策略来实现高压光伏并网中双有源桥电路性能提升。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制策略，算法执行简单，降低损耗，提升高压直接并网变流器的性能，促进高压直接并网变流器的规模化应用。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制策略，包括以下步骤：
1)控制器在每个控制周期对双有源桥输入电压Vin、双有源桥输出电压Vo进行采样；
2)然后对采样的电压Vin和Vo进行判断，如果满足abs(Vin-kVo)<Verror，表示输入侧电压和输出侧电压的相差不大，双有源桥电路的占空比满足d1＝d2＝0.5，其中Verror为误差电压；该模式为传统双有源桥工作模式，如果不满足以上条件，说明输入侧电压和输出侧电压相差较大，采用新的调制方式；
3)再对Vin和Vo的大小进行判断，如果满足Vin<kVo，说明输入侧电压相对较小，则d1＝0.5，控制器调节双有源桥副边H桥的占空比，满足d2＝0.5Vin/(kVo)；d1为双有源桥原边H桥的占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例，d2为双有源桥副边H桥的占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例；
4)如果Vin>kVo，说明输出侧电压相对较小，则双有源桥副边H桥的占空比d2＝0.5，控制器调节输入侧H桥占空比，满足d1＝0.5kVo/Vin。
进一步，误差电压Verror取值为0.05～0.1倍的Vo。
进一步，d1介于0到0.5之间；d2介于0到0.5之间。
本发明的有益效果是:
本发明在满足双有源桥电路在高压直接并网变流器正常运行的前提下，提出了改进的调制策略，该策略的好处有以下几个方面:
1)能够有效适应不同的输入侧电压；
2)能够有效降低输入侧电压变化时双有源桥电路的电流有效值，从而降低导通损耗；
3)能够有效降低输入侧电压变化时双有源桥电路的电流峰值，从而保证器件的可靠运行；
4)能够有效降低输入侧电压变化时双有源桥电路中器件的软开通范围；
5)算法执行简单，能够通过常见的控制芯片完成相应功能；
6)该调制策略作用于双有源桥中的原副边H桥占空比，而双有源桥的控制由控制器调节移相角实现，因此本发明可以和控制系统完全兼容。该调制算法能够有效提升高压直接并网变流器的性能，促进高压直接并网变流器的规模化应用，对光伏发电系统的发展有着积极的推动作用。
附图说明
图1是传统光伏电站构架；
图2是现有高压直接并网变流系统；
图3是本发明高压直接并网变流器拓扑结构；
图4a是本发明双有源桥电路拓扑图
图4b是双有源桥电路工作关键电气量波形图；
图5是本发明调制策略流程图；
图6是本发明与传统调制策略的对比波形图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的双有源桥电路调制方法，在高压直接并网变流器中，其结构图如图3所示，变流器有多个功率模块级联组成，功率模块主要包含双有源桥电路和H桥电路，其中双有源桥电路是本文研究的核心，其拓扑如图4a所示。在变流器系统中各个双有源桥电路各自控制各自的输出侧电压，稳定双有源桥输出侧电压Vo为其额定电压。在输入电压不同的时候，改变双有源桥电路中的桥式电路中的占空比。
当输入电压低于k倍输出电压的时候(k为变压器的变比)，输入侧占空比为0.5，调整输出侧占空比，其占空比表达式为d1＝Vin/(kVo)，其中d1为输入侧占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例；当输入侧电压与k倍输出电压接近的时候，输入侧与输出侧占空比均为0.5；当输入侧电压高于k倍输出侧电压的时候，输出侧占空比为0.5，调整输入侧占空比，其占空比表达式为d2＝kVo/Vin，其中d2为输出侧占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例。
如图3所示，光伏高压直接并网装置的电路拓扑由多个功率模块采用输入侧并联，输出侧串联的方式级联而成。功率模块中核心部件为双有源桥电路和H桥电路。其中双有源桥电路的调制策略是本发明研究的核心。
图5列出了本发明提出调制策略的示意图，其中Vin为双有源桥输入电压；Vo为双有源桥输出电压；k为变压器的变比；V1为双有源桥原边H桥的输出电压；V2为双有源桥副边H桥的输出电压；VL为双有源桥电路中施加在电感上的电压；iL为双有源桥中电感上的电流；d1为双有源桥原边H桥的占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例，d1介于0到0.5之间；d2为双有源桥副边H桥的占空比，其定义为H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例，d2介于0到0.5之间。
图5展示了本专利提出的调制方法，现在进行详细说明：
1)控制器在每个控制周期对电压进行采样，本处的采样电压为Vin以及Vo
2)然后对采样的电压Vin和Vo进行判断，如果满足abs(Vin-kVo)<Verror，这意味着输入侧电压和输出侧电压的相差不大，双有源桥电路的占空比满足d1＝d2＝0.5，其中Verror为误差电压，一般定义为0.05～0.1倍的Vo；该模式为传统双有源桥工作模式，如果不满足以上条件，说明输入侧电压和输出侧电压相差较大，需要采用新的调制方式；
3)下面再对Vin和Vo的大小进行判断，如果满足Vin<kVo，说明输入侧电压相对较小，则输入侧H桥占空比d1＝0.5，控制器调节输出侧H桥占空比，满足d2＝0.5Vin/(kVo)；
4)如果Vin>kVo，说明输出侧电压相对较小，则输出侧H桥占空比d2＝0.5，控制器调节输入侧H桥占空比，满足d1＝0.5kVo/Vin。
为验证本算法实施于柔性直流输电领域的优越性能，利用Matlab搭建了双有源桥的电路模型，并对仿真结果进行总结。该条件下，输入侧电压为500V，输出侧电压为700V，输出功率为5kW，仿真结果对比了本发明调制策略与传统双有源桥调制策略的波形，如图6所示。可见采用本发明的调制策略后，双有源桥电路中电流降低(电流峰值以及电流有效值)，同时器件软开关范围增加，电路将更加高效。详细的对比见下表：
Figure GDA0002902830820000061
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法，应用于高压直接并网变流器，其特征在于包括以下步骤：
1)控制器在每个控制周期对双有源桥输入电压Vin、双有源桥输出电压Vo进行采样；
2)然后对采样的电压Vin和Vo进行判断，如果满足abs(Vin-kVo)<Verror，表示输入侧电压和输出侧电压的相差不大，双有源桥电路的占空比满足d1＝d2＝0.5，其中Verror为误差电压；则为传统双有源桥工作模式，如果不满足abs(Vin-kVo)<Verror，说明输入侧电压和输出侧电压相差较大，采用新的调制方式，即执行步骤3)和步骤4)；
3)再对Vin和Vo的大小进行判断，如果满足Vin<kVo，说明输入侧电压相对较小，则d1＝0.5，控制器调节双有源桥副边H桥的占空比，满足d2＝0.5Vin/(kVo)；d1为双有源桥原边H桥的占空比，其定义为原边H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例，d2为双有源桥副边H桥的占空比，其定义为副边H桥输出高电平时间占整个开关周期的比例；
4)如果Vin>kVo，说明输出侧电压相对较小，则双有源桥副边H桥的占空比d2＝0.5，控制器调节输入侧H桥占空比，满足d1＝0.5kVo/Vin；
所述高压直接并网变流器由多个功率模块级联组成，功率模块包含双有源桥电路和H桥电路，在变流器系统中各个双有源桥电路各自控制各自的输出侧电压，稳定双有源桥输出侧电压Vo为其额定电压，在输入电压不同的时候，改变双有源桥电路中的桥式电路中的占空比；高压直接并网变流器的电路拓扑由多个功率模块采用输入侧并联，输出侧串联的方式级联而成。
2.根据权利要求1所述的适用于光伏发电应用的双有源桥电路调制方法，其特征在于：误差电压Verror取值为0.05～0.1倍的Vo。
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