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一种连续导电模式的反激式并网逆变器设计

作者:姚福林,陶家园,程章格,胡永贵(中国电子科技集团公司第24研究所,重庆 400060)时间:2021-08-24来源:电子产品世界收藏
编者按:按功率等级可将光伏逆变器分成两种:分布式逆变器和集中式逆变器。其中,基于反激拓扑结构的(Flyback Converter)的逆变器具有结构简单、功率密度较高、输入输出电气隔离等优点,因此广泛应用于分布式光伏并网逆变器中。本文首先对反激式光伏并网逆变器进行了原理分析,分析了反激式DC-AC逆变器3种不同工作模式;设计了一种连续导电模式的反激式DC-AC逆变器,包括逆变器参数以及闭环控制策略;最后对设计的反激式DC-AC逆变器进行MATLAB/Simulink仿真和实验验证,证明了所设计的反激式DC-AC逆


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202108/427770.htm

0   引言

由于全球人口增长及工业化程度快速推进,导致能源需求逐年快速增长[1]。太阳能因为具备清洁、存量巨大、可再生、易获取等优点成为新能源领域的研究热点[2]。太阳能发电由光伏板和并网两部分组成,其中并网作为太阳能发电的核心部件成为广大科研机构研究的重点对象[3]。按功率等级可将光伏分成两种:分布式逆变器和集中式逆变器[4]。相比集中式逆变器,分布式逆变器可靠性高、MPPT 效率高、扩展灵活、安装方便,因此分布式逆变器应用广泛。

根据拓扑结构分类,分布式逆变器可分为推挽式、全桥式、半桥式及等拓扑类型。其中,基于反激拓扑结构的逆变器具有结构简单、功率密度较高、输入输出电气隔离等优点,因此这种拓扑结构在光伏并网逆变器中得到广泛应用[5]。反激转换器的工作模式可分为:断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)、临界导电模式(Boundary Conduction Mode,BCM)[6] 及连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)。本文首先分析了DC-AC 逆变器三种不同工作模式,然后设计了一种连续导电模式的DC-AC 逆变器,设计了逆变器参数以及闭环控制策略;最后对设计的反激式DC-AC 逆变器进行MATLAB/Simulink 仿真和实验验证,证明了所设计的反激式DC-AC 逆变器可正常运行且符合并网标准要求。

1   反激式光伏并网逆变器原理分析

1.1 反激式DC-DC转换器工作原理分析

图1(a)所示是一种升降压DC-DC 转换器。当开关管Sa 开通时,变压器励磁电流iL 等于is 并线性增加,二极管D 截止,电容C 提供负载电流iR 。当开关管Sa 关断时,电感L 通过二极管D 对负载供电的同时给电容C 充电, iL 下降。根据其工作过程,该升降压DC-DC 转换器电路的变压比image.png

图1(b)所示为反激式DC-DC 转换器,变压器2个绕组的电感分别为L1 、L2 。开关管Sb 根据PWM 导通关断。在Sb 导通时间T DT on s = 期间,电源VS 给原边线圈L1 充电,电感电流i1 根据斜率1629789899212455.png线性上升,此时磁通增加,电感L1 的储能增加,此时副边绕组的感应电压为上负下正,因此二极管D 截止,电容C 提供负载电流iR ;当Sb 关断时,电源VS 停止向电感L1 充电,此时电感L1 的磁通减小,根据楞次定律, L2 的感应电压反向,在Sb 关断期间,二极管导通,变压器原边电感L1 通过L2 向负载供电。反激式DC-DC 转换器与升降压DC-DC 转换器相同,在开关管导通期间储能,仅在开关管截止期间才将储存的能量传至负载。因此,当不考虑变压器匝比时,反激式转换器可以等效为隔离式Buck-Boost 转换器。可以得到反激式转换器的电压转换比为:

image.png

图1(b)所示反激式转换器可以选择不同的变比n,实现转换器的输出电压VO 高于或者低于电源电压VS 。因此可以通过选择变压器匝比来实现更宽的输出电压的范围。由于反激式转换器是靠变压器绕组电感储能,然后释放能量对负载供电,因此经常用于设计小于200 W的小功率DC-DC 转换器。

1.2 反激式DC-AC逆变器工作模式分析

如图1 所示,在开关管Sb 关断期间,二次侧电感L2 的电流i2 下降,如果二次侧电流i2 在开关管Sb 关断期间没有降低到零,则称为连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM);如果副边电流i2 在开关管Sb关断期间刚好减小为0,则称为临界导电模式(Boundary Conduction Mode,BCM);如果副边电流i2 在开关管Sb 关断期间未结束时就减小为0,则称为断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)。

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如图2 所示为光伏逆变器前级拓扑,其中变压器TR 变比为image.png,原边电感为Lp 。输入电池电压为VPV ,并网电流为igrid sinθ 。当分布式光伏并网逆变器运行时,反激式转换器部分输出电压为整流电网电压。由于输出电流和电压均和电网角度相关,所以每个开关周期原副边电感的初始值ip0 均不等(如图3 所示),每个开关周期内变压器磁通增加量不等于磁通量减小量,即ΔΦ ≠ ΔΦ' 。因此在逆变器中反激转换器并没有达到稳态,也就是说:

image.png

如图3 所示, 在0 ~ image.png区间内, ΔΦ > ΔΦ' ; 在image.png~ π 区间内, ΔΦ < ΔΦ' 。因此我们可以认为在πimage.png处ΔΦ = ΔΦ' ,因此可以得到:

image.png

此时,开关周期直流输入功率即为输出功率,即:

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求解可得,当逆变器工作于连续导电模式时,原边电感电流峰值等于:

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而当逆变器工作于断续导电模式时,每隔开关周期内直流输入的能量等于提供给电网侧的能量,即:

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由于此时ip0 = 0 ,因此可得到:

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而当分布式光伏并网逆变器工作于断续导电模式的条件为:

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即:

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联合式(3)求解可得工作于DCM 的条件为:

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由上式可以看出,如果输入电压、变压器参数、开关频率不变,就可以使反激转换器工作于断续模式时能够输出的最大功率。

2   一种连续导电模式的反激式DC-AC逆变器设计

如图4 所示为连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器拓扑结构图。可以看出,连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器中关键元器件包括:输入电容Cin ,反激式变压器TR ,主开关功率管Sp 和整流二极管D。

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如图5 所示为考虑变压器原边电感等效电阻Rp 、副边电感等效电阻Rs 、差模电感等效直流电阻Rf 时的三阶模型。对连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器三阶模型进行数学建模可以得到交流小信号模型,如式(11)所示。

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由式(11)可推导得到输出电流对占空比的传递函数:

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其中,image.png 。式中Rp 为变压器原边线圈串联等效电阻, Rs 为副边电感串联等效电阻, Rf 为差模电感串联直流等效电阻。

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图5 连续导电模式的反激式DC-AC逆变器三阶模型

选取连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器系统参数如表1 所示。

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由式(12)传递函数可得到所设计转换器的右半平面零点:

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由式(13)可知,占空比越大,右半平面零点越靠近虚轴,对逆变器的动态性能和带宽影响越大。系统开环波特图如图6 所示。可以看到10 kHz 附近存在谐振点,且谐振点相角滞后较大。由图6 可以发现谐振点尖峰与输出电流成正比。因此我们选取输出电流的最大点设计控制器,即VPV =36 V, Vg =342 V, Po =250 W(单路输出125 W)。

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基于上述分析设计的PI 控制器参数为:Kp=0.002 7,Ki =11.543。补偿后系统的波特图如图7 所示。补偿后,系统相位裕度为49.4°,幅值裕度为11.6 dB。

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图6 不同工作点的逆变器系统开环波特图对比

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图7 补偿前后逆变器系统开环波特图对比

3   实验验证

基于前文理论与仿真分析,本文设计的反激式DC-AC 逆变器实验样机额定并网功率为250 W。样机核心控制器为STM32F207VET6,采用Agilent E4360A模拟光伏电池输出曲线。图8 所示为本文设计的连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器输出功率为250 W 时的并网电流和反激转换器的输出电压波形。样机的输入电压为37.4 V,如图所示并网电流的峰值为1.6 A,输出电压的峰值为310 V。样机在额定并网功率时,转换效率为94.5%,总并网谐波畸变率THD 为3.58%,符合中国质量认证中心并网标准。

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图8 反激式DC-AC逆变器并网电流和输出电压波形图

4   总结

本文首先对反激式光伏并网逆变器进行原理分析,分析了反激式DC-AC 逆变器三种不同工作模式;然后设计了一种连续导电模式的反激式DC-AC 逆变器,设计了逆变器参数及闭环控制策略;最后对设计的反激式DC-AC 逆变器进行MATLAB/Simulink 仿真和实验验证,证明了所设计的反激式DC-AC 逆变器可正常运行且符合并网标准要求。

参考文献:

[1] 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2] 朱永强.新能源与分布式发电技术[M].北京:北京大学出版社,2010.

[3] 李安定,吕全亚.太阳能光伏发电系统工程[M].北京:化学工业出版社,2012.

[4] KJAER S B,PEDERSEN J K,BLAABJERG F.A review of single-phase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].Industry Applications,IEEE Transactions on, 2005,41(5):1292-1306.

[5] MYRZIK J M A,CALAIS M.String and module integrated inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems-a review[C].Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna,2003.

[6] ZHANG Z,CHEN M,GAO M,et al.An optimal control method for grid-connected photovoltaic micro-inverter to improve the efficiency at light-load condition[C].Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE),2011 IEEE:19-224.

[7] 张超,何湘宁.短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用[J].中国电机工程学报,2006, 26(20): 98-102.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年8月期)



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