CN110061520A - 基于光伏接入直流并网输出的llc谐振变换器参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法，该参数设计方法用于确定LLC谐振变换器的谐振电容C_r，谐振电感L_r，励磁电感L_m、隔离变压器原副边匝比n这四个核心参数的取值，使变换器在应用于分布式光伏发电场景时，仍能够实现原边侧开关管的零电压开通、副边侧二极管的零电流关断，从而稳定高效的向直流电网输出功率。为解决工作环境变化造成的光伏输出功率波动问题，同时最大限度提高能量利用率，本发明进一步提出了基于改进电导增量法的变换器调频控制策略，从而实现对光伏阵列输出的最大功率跟踪。经仿真结果验证，本发明提出的参数设计方法及控制策略均合理、有效。

Description

基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数设计方法及控制策略。

背景技术

近年来，光伏发电因其无污染、无噪声、维护成本低、使用寿命长等优点得到了飞速发展，截至2017年底，我国累计分布式光伏发电装机容量达到130.25GW，其并网体量大、密度高、间歇性强、波动性大等特点为交流配电系统的运行控制、电能质量、安全与效率都带来了大量问题。因此，为提高我国配电网对于规模化、高渗透率分布式光伏的消纳能力，将其接入中低压直流配电网是未来可再生能源并网的一种重要形式。

全新的并网形式对于直流变换器效率、变比、可靠性以及多种工作模式运行能力提出了更高的要求，故具有软开关特性、宽增益范围的LLC谐振变换器不失为一种较为理想的光伏接入变换器拓扑。LLC谐振变换器实现高效运作的关键在于电路参数的配置及优化，因此如何通过合理的参数设计使变换器在接入直流网的条件下仍能稳定高效的运行成为一个亟待解决的问题。现存参数设计方案多用于变换器带负载的工作场景，在直接接入直流网的运行模式下不再适用，恒压恒功率输出的参数设计更不能满足光伏接入后对流经变换器的功率进行灵活调节的要求。

同时，为提高光伏电池的能量利用率，需要通过谐振电路的频率控制实现对光伏阵列工作点的最大功率跟踪，传统的双环控制采用比例积分调节，结构复杂、响应速度较慢，当环境调节发生突变时，不利于对最大功率点进行快速跟踪。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数设计方法，用以确定变换器谐振电容C_r，谐振电感L_r，励磁电感L_m，隔离变压器原副边匝比n四个核心参数。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法，其特征是，所述变换器包括提供功率输入的光伏阵列、输入电容C_in、由四个MOSFET管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄构成的全桥逆变电路、由谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成的LLC谐振电路、隔离变压器以及由四个二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄构成的全桥整流电路，其输出端经输出电容C_o直接并入直流电网；

依据所期望的目标参数确定变换器谐振参数C_r、L_r、L_m的取值，以及隔离变压器原副边绕组匝比n的取值，进而实现变换器原边侧开关管的零电压开通、副边侧二极管的零电流关断；

其中，预设所期望的目标参数依次为：当光照强度及温度在一定区间内变化时，光伏阵列最大功率点对应的工作电压范围V_pvmin～V_pvmax，对应的最大输出功率范围P_min～P_max，变换器输出端直流网电压V_g以及仅当电感L_r、电容C_r参与谐振时变换器的谐振频率f_r；

具体包括以下步骤：

步骤1、定义光伏阵列始终在最大功率输出的条件下运行，则当光照强度及环境温度在一定区间内变化时，光伏阵列输出功率即变换器输入功率P和光伏阵列输出电压即变换器输入电压V_pv也随之不断变化，其变化区间由光伏电池物理特性决定，分别记为P_min～P_max和V_pvmin～V_pvmax；基于能量守恒原则，在忽略变换器开关损耗的前提下，P亦等价于谐振变换器向直流网输送的功率，直流侧电网电压记为V_g；其中，P_min和P_max分别是变换器输入功率的最小值和最大值；V_pvmin和V_pvmax分别是变换器输入电压的最小值和最大值；

计算变压器原副边绕组匝比n：

步骤2、结合实际经验，给定谐振频率f_r，按照下式选取谐振电感L_r和谐振电容C_r初始值：

步骤3、计算谐振变换器品质因数Q：

其中，R_eq为折算至原边侧的直流网等效负载电阻，可由下式求取：

当P依次取值P_min和P_max时，可分别得到变换器工作在轻载状况和重载状况下的品质因数Q_min和Q_max；

步骤4、绘制谐振电路电压增益曲线Gain-f_n：

其中，K按经验取2-7之间任一固定值；f_n是开关频率f_s的归一化量，记作：

当Q在Q_min至Q_max间取值时，得到一组相交于点(1,1)的电压增益曲线；

步骤5、比较Q_max对应增益曲线的峰值Gain_min与nV_g/V_pvmin的大小；若Gain_min<nV_g/V_pvmin，则在减小L_r的同时增大C_r，保持f_r不变，进而得到修正后的Q值；重复步骤3、4直至Gain_min>1.05nV_g/V_pvmin，保留一定的电压增益裕度；

步骤6、在增益曲线图纵坐标上标示出目标增益区间[V_g/V_pvmax,V_g/V_pvmin]，此区间与增益曲线组相交部分对应频段即为开关频率调节区间，若在此开关频率区间内，变换器的传输效率能够满足要求，则参数设计完成，同时利用下式得出励磁电感L_m的取值：

否则，在减小L_r的同时增大C_r，使f_r保持不变，返回至步骤3作进一步修正。

在上述的基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法，为保证步骤1中光伏阵列始终工作在最大功率点的条件，需要采用改进电导增量法对光伏阵列输出端进行最大功率跟踪；

当工作环境发生变化时，通过对开关频率f_s的直接控制，调节光伏阵列输出端电压V_pv，使之持续跟踪当前环境对应的最大功率点工作电压V_pvmax；

改进后的电导增量法包括以下步骤：

步骤1、采样得到某一时刻光伏阵列输出电压V_pv(k)、输出电流I_pv(k)；

步骤2、与上一时刻采样值作比较，得到光伏阵列输出电压及电流增量：

步骤3、根据dV_pv、dI_pv的取值，对MOSFET管的开关频率f_s按照以下规则做出调整：

a)若有或f_s保持不变；

b)若有或f_s增加df_s；

c)若有或f_s减少df_s；

随后进入下一个采样周期。

本发明的有益效果是：提出一种基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数设计方法，在一定环境变换范围内，实现变换器原边侧开关管的零电压开通以及副边侧二极管的零电流关断，使之能够稳定高效的向直流网输送功率；同时，采用改进电导增量法，对谐振变换器开关管的开断频率f_s进行直接调节，实现变换器的输入电压V_pv对于光伏阵列最大功率点的瞬时跟踪，最大限度提高能量利用率。

附图说明

图1为基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器电路结构图。

图2为基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数设计方法流程图。

图3为Q在0.86和1.67之间变化时谐振电路电压增益曲线Gain～f_n。

图4为Q在0.22和0.42之间变化时谐振电路电压增益曲线Gain～f_n。

图5为基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器最大功率跟踪控制策略流程图。

图6为仿真实验中光照强度随时间变化的曲线。

图7为仿真实验中环境温度随时间变化的曲线。

图8为仿真实验光伏阵列输出功率随时间变化的曲线。

图9为原边侧开关管Q₁的开关信号及端电压在某时间段内变化曲线。

图10为副边侧流经二极管VD₁、VD₂的电流在某时间段内变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器，包括提供功率输入的光伏阵列、输入电容C_in、由四个MOSFET管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄构成的全桥逆变电路、由谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成的LLC谐振电路、隔离变压器以及由四个二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄构成的全桥整流电路，其输出端经输出电容C_o直接并入直流电网；该参数设计方法依据所期望的目标参数确定变换器谐振参数C_r、L_r、L_m的取值，以及隔离变压器原副边绕组匝比n的取值，进而实现变换器原边侧开关管的零电压开通、副边侧二极管的零电流关断；其中，预设目标参数依次为：当光照强度及温度在一定区间内变化时，光伏阵列最大功率点对应的工作电压范围V_pvmin～V_pvmax，对应的最大输出功率范围P_min～P_max，变换器输出端直流网电压V_g以及仅当电感L_r、电容C_r参与谐振时变换器的谐振频率f_r。

为检验本发明所提出参数设计方法及控制策略的合理性，本实施例在MATLAB/Simulink平台上搭建基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器模型，进行仿真实验。

基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器模型结构如图1所示，从左至右依次为：串并联形成的光伏阵列、输入滤波电容C_in、由四个MOSFET管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄构成的全桥逆变电路、由谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成的LLC谐振电路、隔离变压器、由四个二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄构成的全桥整流电路、输出滤波电容C_o直接并入直流电网。

预设谐振变换器目标参数如下：

a)假定某地区光伏电池在一天内的工作环境变化区间：最高温度55℃、最底温度25℃、最强光照1200W/m²、最弱光照600W/m²，温度过低或光照过弱时电池停止运行。根据光伏电池工作特性可知，其输出最大功率主要取决于光照强度，最大功率点电压主要取决于环境温度。利用Simulink当中近包含单个光伏电池的PV Array模块，选取电池型号1Soltech 1STH～215～P，得出在该工作条件下的，光伏输出最大功率、最大功率点电压可能的最大变化区间：

V_pvmin＝25V；

V_pvmax＝30V；

P_min＝129.5W；

P_max＝252.8W；

b)输出侧直流网电压：V_g＝400V；

c)谐振频率：f_r＝110kHz；

d)参数K取经验值：K＝6；

下面按照本发明所提出的参数设计方法确定谐振电容C_r，谐振电感L_r，励磁电感L_m，隔离变压器原副边匝比n四个核心参数，具体流程如图2所示：

步骤1、按照公式(1)计算变压器原副边绕组匝比n：

即选取隔离变压器原副边绕组匝数之比为1:11；

步骤2、结合实际经验，给定谐振频率f_r，按照(2)式选取谐振电感L_r和谐振电容C_r初始值：

C_r＝220nF；

L_r＝9.5μH；

步骤3、按照公式(3)、(4)计算谐振变换器品质因数最大值Q_max和最小值Q_min：

步骤4、按照公式(5)绘制谐振电路电压增益曲线Gain～f_n：

当Q在0.86至1.67间取值时，可得到一组相交于点(1,1)的电压增益曲线，如图3所示；由图3可知其增益区间过小，远远不能满足电压增益要求，故修正参数：

C_r＝1.1μF；

L_r＝1.9μH；

步骤4、再次按照公式(3)、(4)计算变换器品质因数最小值Q_min和最大值Q_max可得：

步骤5、当Q在0.17至0.33间取值时，可得到一组相交于点(1,1)的电压增益曲线，如图4所示；在图中读取Q_max对应增益曲线的峰值Gain_min＝1.476，而1.05nV_g/V_pvmin＝1.26，故Gain_min>1.05nV_g/V_pvmin，满足电压增益要求。

步骤6、在增益曲线图纵坐标上标示出目标增益区间[V_g/V_pvmax,V_g/V_pvmin]，此区间与增益曲线组相交部分对应频段即为开关频率调节区间，为简化本实例，假定此时变换器的传输效率已能满足要求，参数设计完成，同时按照式(7)得出励磁电感L_m的取值：

L_m＝KL_r＝11.4μH；

输入电容C_in和输出电容C_o均按经验取值：

C_in＝10μF；

C_o＝1μF；

为保证参数设计步骤1中光伏阵列始终工作在最大功率点的条件，需要采用改进电导增量法对光伏阵列输出端进行最大功率跟踪；当工作环境发生变化时，通过对开关频率f_s的直接控制，调节光伏阵列输出端电压V_pv，使之持续跟踪当前环境对应的最大功率点工作电压V_pvmax；改进后的电导增量法在仿真中通过编写s函数实现，算法如图5所示，具体包括如下步骤：

步骤1、采样得到某一时刻光伏阵列输出电压V_pv(k)、输出电流I_pv(k)；

步骤2、与上一时刻采样值作比较，得到光伏阵列输出电压及电流增量：

步骤3、根据dV_pv、dI_pv的取值，对MOSFET管的开关频率f_s按照以下规则做出调整：

a)若有或f_s保持不变；

b)若有或f_s增加df_s；

c)若有或f_s减少df_s。

随后进入下一个采样周期。

选用上述求得的参数进行时长为10s的仿真实验，在4s～7s时间段内，光伏电池的光照强度由1200W/m²降至600W/m²，如图6所示；环境温度由55℃降至25℃，如图7所示；光伏阵列输出功率曲线如图8所示。实际工况中，环境温度变化缓慢，此处由于仿真运算能力所限，同时考虑到光照强度与温度的相关性，此处仅采用短时突变的环境条件来验证本发明所提参数设计方法及最大功率跟踪的有效性。由仿真结果可知，当环境条件发生突变时，所设计的变换器调频控制策略能快速响应变化，瞬时完成最大功率跟踪。同时在整个仿真过程当中，谐振变换器均能稳定运行并且实现软开关，如图9、10所示。图9中，对于原边侧开关管Q₁，在开关信号来临之前，其电压已降为零，因此能够实现零电压开通；图10中，对于副边侧二极管，每个导通周期内，流经VD₁的电流均能在VD₂导通前自然降至零，因此能够实现零电流关断。

综上所述，本发明所提出的基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数设计方法及控制策略均合理、有效。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法，其特征是，所述变换器包括提供功率输入的光伏阵列、输入电容C_in、由四个MOSFET管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄构成的全桥逆变电路、由谐振电容C_r、谐振电感L_r和励磁电感L_m构成的LLC谐振电路、隔离变压器以及由四个二极管VD₁、VD₂、VD₃、VD₄构成的全桥整流电路，其输出端经输出电容C_o直接并入直流电网；

依据所期望的目标参数确定变换器谐振参数C_r、L_r、L_m的取值，以及隔离变压器原副边绕组匝比n的取值，进而实现变换器原边侧开关管的零电压开通、副边侧二极管的零电流关断；

其中，预设所期望的目标参数依次为：当光照强度及温度在一定区间内变化时，光伏阵列最大功率点对应的工作电压范围V_pvmin～V_pvmax，对应的最大输出功率范围P_min～P_max，变换器输出端直流网电压V_g以及仅当电感L_r、电容C_r参与谐振时变换器的谐振频率f_r；

具体包括以下步骤：

步骤1、定义光伏阵列始终在最大功率输出的条件下运行，则当光照强度及环境温度在一定区间内变化时，光伏阵列输出功率即变换器输入功率P和光伏阵列输出电压即变换器输入电压V_pv也随之不断变化，其变化区间由光伏电池物理特性决定，分别记为P_min～P_max和V_pvmin～V_pvmax；基于能量守恒原则，在忽略变换器开关损耗的前提下，P亦等价于谐振变换器向直流网输送的功率，直流侧电网电压记为V_g；其中，P_min和P_max分别是变换器输入功率的最小值和最大值；V_pvmin和V_pvmax分别是变换器输入电压的最小值和最大值；

计算变压器原副边绕组匝比n：

步骤2、结合实际经验，给定谐振频率f_r，按照下式选取谐振电感L_r和谐振电容C_r初始值：

步骤3、计算谐振变换器品质因数Q：

其中，R_eq为折算至原边侧的直流网等效负载电阻，可由下式求取：

当P依次取值P_min和P_max时，可分别得到变换器工作在轻载状况和重载状况下的品质因数Q_min和Q_max；

步骤4、绘制谐振电路电压增益曲线Gain-f_n：

其中，K按经验取2-7之间任一固定值；f_n是开关频率f_s的归一化量，记作：

当Q在Q_min至Q_max间取值时，得到一组相交于点(1,1)的电压增益曲线；

步骤5、比较Q_max对应增益曲线的峰值Gain_min与nV_g/V_pvmin的大小；若Gain_min<nV_g/V_pvmin，则在减小L_r的同时增大C_r，保持f_r不变，进而得到修正后的Q值；重复步骤3、4直至Gain_min>1.05nV_g/V_pvmin，保留一定的电压增益裕度；

步骤6、在增益曲线图纵坐标上标示出目标增益区间[V_g/V_pvmax,V_g/V_pvmin]，此区间与增益曲线组相交部分对应频段即为开关频率调节区间，若在此开关频率区间内，变换器的传输效率能够满足要求，则参数设计完成，同时利用下式得出励磁电感L_m的取值：

否则，在减小L_r的同时增大C_r，使f_r保持不变，返回至步骤3作进一步修正。

2.根据权利要求1所述的基于光伏接入直流并网输出的LLC谐振变换器参数优化方法，其特征是，为保证步骤1中光伏阵列始终工作在最大功率点的条件，需要采用改进电导增量法对光伏阵列输出端进行最大功率跟踪；

当工作环境发生变化时，通过对开关频率f_s的直接控制，调节光伏阵列输出端电压V_pv，使之持续跟踪当前环境对应的最大功率点工作电压V_pvmax；

改进后的电导增量法包括以下步骤：

步骤1、采样得到某一时刻光伏阵列输出电压V_pv(k)、输出电流I_pv(k)；

步骤2、与上一时刻采样值作比较，得到光伏阵列输出电压及电流增量：

步骤3、根据dV_pv、dI_pv的取值，对MOSFET管的开关频率f_s按照以下规则做出调整：

a)若有或f_s保持不变；

b)若有或f_s增加df_s；

c)若有或f_s减少df_s；

随后进入下一个采样周期。