CN106026749A - 拓扑可变的微逆变器及其数字控制装置 - Google Patents

拓扑可变的微逆变器及其数字控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种拓扑可变的微逆变器及其数字控制装置，包括DC/AC和AC/AC两个环节，变压器副边采用双绕组的全波整流结构，在高功率时微逆变器工作于桥式模式，变压器铁芯正、反向双向磁化；低功率时工作于改进双管正激模式，变压器铁芯单向磁化。两种工作下变压器的设计参数一致，通过控制策略的变化即可实现大功率和小功率下都能够高效变换，满足CEC效率与欧洲效率达到相关机构要求。

Description

拓扑可变的微逆变器及其数字控制装置
技术领域
本发明涉及一种拓扑可变的微逆变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
光伏电源模块可分为直流模块和交流模块(即微逆变器)两类。虽然光伏直流模块中DC/DC变换器实现了每块电池板的MPPT，集中式DC/AC也保证了***的高效，但是这也导致***冗余度不高。光伏微逆变器可以直接与电网的接口装置集成在电池板背面，其安装方便，可热插拔、冗余性能好，因此受到了广泛研究。
常用隔离型微逆变器可分为无直流环节微逆变器和带直流环节微逆变器，无直流环节微逆变器中包含DC/AC变换器和AC/AC变换器。其中AC/AC变换器为周波变换器，作用是将高频交流变换为工频交流；而带直流环节的微逆变器又分为平滑直流环节和伪直流环节两类，相比于带直流环节微逆变器，无直流环节微逆变器功率变换级数少，变换效率高而受到广泛重视，但除了目前常使用的反激式无直流环节微逆变器以外，很少有其他类型的无直流环节微逆变器，而且反激式微逆变器的效率在较大功率时较低也进一步制约了其被广泛使用；以桥式电路为基础的微逆变器，在功率较低时效率较低，制约了其加权效率值，使其难以满足相关规定的要求。
因此建立一种电路拓扑可变的微逆变器结构，使得微逆变器在轻载与满载时有不同的工作电路，使微逆变器在不同功率等级下都取得高效率，并且能够方便切换是本发明的主要任务。
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，本文提出了一种拓扑可变的微逆变器，功率高于100W时微逆变器工作于桥式模式，功率低于100W时微逆变器工作于改进双管正激模式，两种情况下变压器的设计参数一致，并且拓扑可变的微逆变器能够实现较高的加权效率。
技术方案：
一种拓扑可变的微逆变器，包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、周波整流电路以及并网滤波电路；其中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、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；
所述周波整流电路包含带有反并联二极管的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管，副边第一绕组的同名端与第五开关管的漏极连接，第五开关管的源极与第六开关管的源极连接，副边第二绕组的异名端与第七开关管的漏极连接，第七开关管的源极与第八开关管的源极连接；
所述并网滤波电路包括并网滤波电容和并网滤波电感，第六开关管的漏极、第八开关管的漏极、并网滤波电容的正端、并网滤波电感的一端连接在一起，并网滤波电感的另一端和电网火线连接，电网的零线，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、并网滤波电容的负端连接在一起；
一种拓扑可变的微逆变器的数字控制装置，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、第二电流传感器以及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、锁相环、乘法器、减法器、PID调节器、第一极性识别器、第二极性识别器、第一信号调制器、第二信号调制器、第一模式选择开关、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第一开关管漏极与光伏电池的正端之间，第二电流传感器的输入端与并网滤波电感Lg相串联；
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流传感器的输出端和第一电压传感器的输出端，锁相环的输入端接上述第二电压传感器的输出端，乘法器的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第二输出端，乘法器的第二输入端接锁相环的输出端，减法器的正输入端接乘法器的输出端，减法器的负输入端接第二电流传感器的输出端，PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端分别与第一信号调制器和第二信号调制器的输入端连接，第一模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第一模式选择开关的第二输入端接第一信号调制器的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二信号调制器的输出端，第一极性识别器和第二极性识别器的输入端都与第二电压传感器的输出端连接，第二模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第一极性识别器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接第二极性识别器的输出端；
当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于桥式模式，第一模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第一极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第一极性识别器输入为高电平时，第五开关管和第七开关管处于开通状态，第六开关管和第八开关管处于关断状态，当第一极性识别器输入为低电平时，第五开关管和第七开关管处于关断状态，第六开关管和第八开关管处于开通状态；
当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进双管正激模式，第一模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第二极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第二极性识别器输入为高电平时，第五开关管处于开通状态，第六开关管、第七开关管和第八开关管处于关断状态，当第二极性识别器输入为低电平时，第八开关管处于开通状态，第五开关管、第六开关管、第七开关管处于关断状态；
一种拓扑可变的微逆变器的数字控制方法，其特征在于：在桥式工作模式时，变压器前级电路输出为脉宽可变的高频交流电，且全桥电路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，全桥电路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，变压器副边的周波整流电路在工频半个周期内仅有一个开关管处于开通状态，节省了开关管的开关损耗和驱动损耗，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为本发明实施例的拓扑可变的微逆变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，一个工频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，一个工频周期内电路的主要波形示意图；
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～S8——第一开关管至第八开关管；L——缓冲电感；ir——缓冲电感电流；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；irec——变压器副边电流；Cg——并网滤波电容；Lg——并网滤波电感；iC——并网滤波电容电流；ig——并网电流；ug——电网电压；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；ug_f——第二电压传感器输出信号；ig_f——第二电流传感器输出信号；P——最大功率点跟踪模块第一输出端信号；I*——最大功率点跟踪模块第二输出端信号；i*——锁相环输出信号；ig*——乘法器输出信号；ig_e——减法器输出信号；D——PID调节器输出信号；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；uS5a～uS8a——第一极性识别器输出信号；uS5b～uS8b——第二极性识别器输出信号；uS1～uS8——第一开关管至第八开关管的驱动信号。
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，一种拓扑可变的微逆变器，包括输入滤波电容Cin、全桥电路、缓冲电感L、高频变压器T、周波整流电路以及并网滤波电路，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；周波整流电路包含带有反并联二极管的第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8，副边第一绕组的同名端与S5的漏极连接，S5的源极与S6的源极连接，副边第二绕组的异名端与S7的漏极连接，S7的源极与S8的源极连接；并网滤波电路包括并网滤波电容Cg和并网滤波电感Lg，S6的漏极、S8的漏极、并网滤波电容Cg的正端、并网滤波电感Lg的一端连接在一起，并网滤波电感Lg的另一端和电网火线连接，电网的零线，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、并网滤波电容Cg的负端连接在一起。
应用于拓扑可变的微逆变器的数字控制装置，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、第二电流传感器以及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、锁相环、乘法器、减法器、PID调节器、第一极性识别器、第二极性识别器、第一信号调制器、第二信号调制器、第一模式选择开关、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第一开关管漏极与光伏电池的正端之间，第二电流传感器的输入端与并网滤波电感Lg相串联；
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流传感器的输出端和第一电压传感器的输出端，锁相环的输入端接上述第二电压传感器的输出端，乘法器的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第二输出端，乘法器的第二输入端接锁相环的输出端，减法器的正输入端接乘法器的输出端，减法器的负输入端接第二电流传感器的输出端，PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端分别与第一信号调制器和第二信号调制器的输入端连接，第一模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第一模式选择开关的第二输入端接第一信号调制器的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二信号调制器的输出端，第一极性识别器和第二极性识别器的输入端都与第二电压传感器的输出端连接，第二模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第一极性识别器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接第二极性识别器的输出端；当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于桥式模式，第一模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第一极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第一极性识别器输入为高电平时，第五开关管和第七开关管处于开通状态，第六开关管和第八开关管处于关断状态，当第一极性识别器输入为低电平时，第五开关管和第七开关管处于关断状态，第六开关管和第八开关管处于开通状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进双管正激模式，第一模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第二极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第二极性识别器输入为高电平时，第五开关管处于开通状态，第六开关管、第七开关管和第八开关管处于关断状态，当第二极性识别器输入为低电平时，第八开关管处于开通状态，第五开关管、第六开关管、第七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，一个工频周期内开关管驱动信号以及主要电压、电流波形图如图3，图中详细描述了为得到标准的并网电流ig，缓冲电感输入端电压uAB、缓冲电感电流ir、周波整流电路四个开关管驱动信号随时间的变化情况；图4为本发明在改进双管正激模式时的等效电路图，一个工频周期内开关管驱动信号以及主要电压、电流波形图如图5，图中详细描述了为得到标准的并网电流ig，桥式电路两个开关管驱动信号、缓冲电感电流ir、周波整流电路两个开关管驱动信号随时间的变化情况。
综上所述，应用于拓扑可变的微逆变器的数字控制方法，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，电路工作于改进双管正激模式，全桥电路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，变压器副边的周波整流电路在工频半个周期内仅有一个开关管处于开通状态，节省了开关管的开关损耗和驱动损耗；输入功率高于100W时，电路工作于桥式模式，导通损耗低、铁损较小，相对于其它的现有微逆变器，本文所采用的拓扑可变的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，能够实现在一个工频周期内电能的高效变换。

Claims (3)

1.一种拓扑可变的微逆变器，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、周波整流电路以及并网滤波电路；其中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、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；
所述周波整流电路包含带有反并联二极管的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管，副边第一绕组的同名端与第五开关管的漏极连接，第五开关管的源极与第六开关管的源极连接，副边第二绕组的异名端与第七开关管的漏极连接，第七开关管的源极与第八开关管的源极连接；
所述并网滤波电路包括并网滤波电容Cg和并网滤波电感Lg，第六开关管的漏极、第八开关管的漏极、并网滤波电容Cg的正端、并网滤波电感Lg的一端连接在一起，并网滤波电感Lg的另一端和电网火线连接，电网的零线，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、并网滤波电容Cg的负端连接在一起。
2.一种如权利要求1所述的拓扑可变的微逆变器的数字控制装置，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、第二电流传感器以及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、锁相环、乘法器、减法器、PID调节器、第一极性识别器、第二极性识别器、第一信号调制器、第二信号调制器、第一模式选择开关、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第一开关管漏极与光伏电池的正端之间，第二电流传感器的输入端与并网滤波电感Lg相串联；
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流传感器的输出端和第一电压传感器的输出端，锁相环的输入端接上述第二电压传感器的输出端，乘法器的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第二输出端，乘法器的第二输入端接锁相环的输出端，减法器的正输入端接乘法器的输出端，减法器的负输入端接第二电流传感器的输出端，PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端分别与第一信号调制器和第二信号调制器的输入端连接，第一模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第一模式选择开关的第二输入端接第一信号调制器的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二信号调制器的输出端，第一极性识别器和第二极性识别器的输入端都与第二电压传感器的输出端连接，第二模式选择开关的第一输入端接最大功率点跟踪模块的第一输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第一极性识别器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接第二极性识别器的输出端；
当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于桥式模式，第一模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第一极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第一极性识别器输入为高电平时，第五开关管和第七开关管处于开通状态，第六开关管和第八开关管处于关断状态，当第一极性识别器输入为低电平时，第五开关管和第七开关管处于关断状态，第六开关管和第八开关管处于开通状态；
当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进双管正激模式，第一模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制全桥电路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；第二模式选择开关输出第二极性识别器的输出信号，该信号控制周波整流电路四个开关管的开关状态，当第二极性识别器输入为高电平时，第五开关管处于开通状态，第六开关管、第七开关管和第八开关管处于关断状态，当第二极性识别器输入为低电平时，第八开关管处于开通状态，第五开关管、第六开关管、第七开关管处于关断状态。
3.一种拓扑可变的微逆变器的数字控制方法，其特征在于：在桥式工作模式时，变压器前级电路输出为脉宽可变的高频交流电，且全桥电路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，全桥电路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，变压器副边的周波整流电路在工频半个周期内仅有一个开关管处于开通状态，节省了开关管的开关损耗和驱动损耗，有利于小功率情况下效率的提升。
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