软开关交错反激光伏并网逆变器

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第 31 卷 第 36 期 2011 年 12 月 25 日

国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号:TM 85

Vol.31 No.36 Dec.25, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号:47040
文章编号:0258-8013 (2011) 36-0040-06
阳能已经成为一种非常具有潜力的新能源,而光伏 并网发电是当前利用太阳能的主要方式之一[1-2]。 传统的光伏发电系统中,一般通过将多个光伏 组件组成光伏阵列来获得足够高的直流电压,再通 过并网逆变器将电能并入电网。该种方式很难保证 每个光伏组件都工作在最大功率点,且当整个阵列 的部分组件被遮挡时,光伏阵列的输出功率会发生 大范围变化,因此整体发电效率受到影响。为了克 服上述问题, 交流组件的概念被提出[3]。 交流组件逆 变器(AC module inverter,ACMI)是与单个光伏组件 相连接的并网逆变器,由于每个逆变器只与一个光 伏组件相连,消除了光伏阵列中由于各个组件不匹 配而产生的功率损耗,能够对每个组件单独实现最 大功率点跟踪,而且只需单级功率变换,具有更优 的发电效率。另外,由于可以生产出标准的模块, 所以系统扩展简单易行, 因此成为了研究的热点[4-9]。 由于单个光伏组件输出的功率较小,因此研究 适合中小功率的变换效率高、控制方式简单、成本 低的 ACMI 成为需要解决的关键问题。 反激变换器 具有结构简单、成本低、适合中小功率场合应用的 优 点 , 当 变 换 器 工 作 于 临 界 电 流 模 式 (boundary current mode,BCM)或断续电流模式(discontinuous current mode,DCM)时具有电流源特性[10],因此用 作小功 率并 网逆变 器时 ,采用 数字 信号处 理器 (digital signal processor,DSP),只需要结合锁相环 (phase-locked loop, PLL)就能实现并网电流的控制, 不需要采用电流闭环,控制简单,在 ACMI 领域获 得了广泛的研究,并提出和发展了多种适用于光伏
文献标志码:A
软开关交错反激光伏并网逆变器
古俊银 1,吴红飞 2,陈国呈 1,邢岩 2
(1.上海大学机电工程与自动化学院,上海市 闸北区 200072; 2.航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学),江苏省 南京市 210016)
Soft-switching Grid-connected PV Inverter With Interleaved Flyback Topology
[13-15]
1.2 控制原理 1.2.1 系统控制原理 图 1 所示的 ACMI 并网系统中, 最大功率点跟 踪(maximum power point tracking,MPPT)控制器及 PLL 都由 DSP 实现。 MPPT 的输出提供并网功率的 基准值;PLL 的输出提供并网电流的电角度及电网 电压幅值。DSP 根据并网功率的大小及电网电压电 角度实时计算得到反激变换器开关管的开关周期 及占空比,进而实现并网功率的控制。同时,DSP 根据电网电压的瞬时值,计算得到反激变换器变压 器反射电压的大小, 通过控制漏感吸收电路即 Buck 变换器的开关管, 使得漏感吸收电容 Ca 的电压跟踪 变压器反射电压与输入电压之和,进而实现漏感能 量的吸收和反激变换器开关管关断电压的钳位。 1.2.2 逆变电路的控制 变换器采用全数字控制,两路反激变换器交错 导通,结合软开关控制策略,反激变换器原边主开 关管的开关频率和占空比由 DSP 根据输入电压、 输 出电压及输出功率的变化实时运算得到,反激变换 器输出电流 iD 的包络线为半波正弦, 经输出滤波电 路得到平滑的半波正弦形状的输出电流 io,经开关 管 S3—S6 构成的全桥电路后得到相位与电网电压 一致的正弦并网电流。全桥逆变电路功率开关管 S3(S5)与 S4(S6)在电网电压频率下互补工作, 当电网 电压为正时,S3(S5)导通,反之,S4(S6)导通。由于 开关管 S3—S6 的开通与关断仅在电网电压换相时 刻,此时开关管 S3—S6 的电压及电流均为零,因此 开关管 S3—S6 的开关损耗非常小。 图 2 为并网逆变 器主要工作波形图。
0 引言
随着能源短缺与环境污染问题的日益严重,太
第 36 期
古俊银等:软开关交错反激光伏并网逆变器
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组件的反激式光伏并网逆变器[5-9, 11-12]。 为提高功率密度、减小变压器体积,ACMI 的 开关频率很高,由此导致开关损耗增大,变换效率 降低。另一方面,由于光伏组件输出的电压较低, 而电网电压的峰值较高,因此变压器原边匝数很少, 导致变压器漏感所占激磁电感的比例明显增大,漏 感不仅导致变换效率降低,同时会引起开关管关断 电压尖峰过高,严重时击穿开关管,因此采用反激 变压器不易高效率地传输能量
pvsp由于反激变换器的开关频率远高于工频频率在一个开关周期内近似认为并网逆变器输出的功率恒定则并网逆变器输出的能量为每个开关周期内交错并联的两路反激变换器输出的能量之和等于并网逆变器的输出能量即2espopoppvsin22谐振软开关分析每个开关周期内反激变压器副边电流为零后如果不开通原边主开关管则变压器原边电感谐振谐振等效电路及其主要工作波形如图4所示
1 拓扑结构与控制原理
1.1 拓扑构成 本文提出的软开关交错反激 ACMI 主电路如 图 1 所示。变换器由交错并联反激电路、逆变环节 及漏感能量吸收回馈电路(图中虚线部分所示)3 部 分构成,反激电路与逆变环节共同组成逆变电路。 其中,S1、S2 分别为两路反激变换器的主开关管; D1、D2 分别为两路反激变换器输出整流二极管; NP1、NP2 及 NS1、NS2 分别为反激变压器 T1 及 T2 的 原边和副边;逆变电路由开关管 S3—S6 构成。漏感 能量吸收回馈电路由与反激变压器直接相连的能 量回馈二极管 Da1、Da2 及 Buck 电路构成,Da1 与 Da2 同时起到开关管漏源电压钳位的作用,Buck 电 路将漏感能量回馈到输入端,同时起到调节钳位电 容电压d PV inverter based
on soft-switching interleaved fly-back converter
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在上述控制方案下,反激变换器输出的峰值功 率等于并网逆变器输出的峰值功率,而反激变压器 需要按照峰值功率进行设计,采用多路交错并联 后,变压器的峰值功率可以成倍减小,进而减小变 压器体积,减小磁芯损耗。另一方面,采用交错并 联方案后,副边等效开关频率可以成倍提高,因此 可以减小输出滤波器的体积,以及减小输出电流高 频纹波。 1.2.3 漏感能量吸收回馈电路的控制 漏感能量吸收回馈电路将变压器漏感能量回 馈到输入端, 同时调节钳位电容 Ca 的电压, 使钳位 电容电压跟随输入电压与电网电压反射电压之和, 即 Da1、Da2 与 D1、D2 同步导通,因此只有漏感部 分能量被 Ca 吸收, 而主电感能量则传输到副边。 由 于该部分电路与主电路相互独立,控制电路互不影 响,因此可以采取多种控制方式。图 3 为采用固定 开关频率控制时的控制框图,钳位电容电压与处理 器实时计算得到的电压基准比较得到的误差信号 经 PI 调节器得到控制电压, 控制电压与三角载波比 较得到开关管 Sa 的占空比信号, 进而调节钳位电压 uCa 的值。图 3 中,N=NS1:NP1=NS2:NP2,uGSa 为开关 管 Sa 的驱动信号。 u uin G N
GU Junyin1, WU Hongfei2, CHEN Guocheng1, XING Yan 2
(1. School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Zhabei District, Shanghai 200072, China; 2. Aero-Power Science-Technology Center (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics), Nanjing 210016, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: A soft-switching grid-connected PV inverter topology with its soft-switching algorithm was proposed. Leak inductance energy is recovered and the drain-source voltage of the main switch is clamped with the help of the leak inductance energy recovery circuit to improve the conversion efficiency and eliminate the switch-off voltage spike of the main switch. A DSP-based resonant soft-switching algorithm with variable switching frequency was proposed to achieve zero voltage switching (ZVS) turning-on of the main switch and improve the electromagnetic interference (EMI) performance of the inverter. The interleaved flyback topology reduces the volume of the transformer and filtering inductor, and improves the power density of the inverter. In-depth analysis was given on the inverter principles and the principle and criteria of variable resonant soft-switching algorithm. Finally, experimental results were given. KEY WORDS: flyback; grid-connected PV inverter; soft switching; AC module 摘要:提出一种应用于单个光伏组件的软开关交错反激并网 逆变器拓扑及其软开关控制策略。 针对反激变压器漏感问题, 提出漏感能量吸收回馈电路,实现了漏感能量吸收再利用, 并实现了开关管漏源电压的钳位,提高了变换效率同时降低 了开关管关断电压尖峰;提出基于数字处理器的反激变换器 变开关频率谐振软开关控制策略,实现了开关管的零电压开 通,同时改善了逆变器的电磁兼容特性;提出的交错并联反 激逆变器有助于减小变压器和滤波器的体积, 提高功率密度。 详细分析变换器的工作原理,分析变开关频率谐振软开关控 制方式的原理和实现条件,最后进行实验验证。 关键词:反激;光伏并网逆变器;软开关;交流组件
uGS1 uGS2 uGS3(uGS5) uGS4(uGS6) t t t t t uG iG t t
。提高变换效率
和可靠性是反激式 ACMI 需要解决的关键问题。 本文提出一种新型软开关交错反激式 ACMI。 通过引入漏感能量吸收回馈电路,将漏感能量回馈 到电源输入端,同时实现了开关管关断电压的钳 位,减小了开关管关断电压尖峰;并提出一种采用 DSP 的变开关频率软开关反激变换器控制策略,实 现了开关管的零电压开通;多路交错方案减小了反 激变压器的峰值功率,能够减小变压器磁芯体积, 提高功率密度,减小变压器损耗,提高变换效率, 同时减小了并网电流的高频纹波。
La Sa Da Ca Np1 T1 * T2 * D2 Np2 D1 iD1 iD2 Co S2 Ns1 Ns2 * * S6 iD Lo io S3 S4 iG u G S5
iD1 iD2
+ uPV PV
Cin
Da2
Da1 S1
图1 Fig. 1
软开关交错反激光伏并网逆变器主电路 图2 Fig. 2 并网逆变器主要工作波形 Principle waveforms of the inverter
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