一種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路實時檢測交錯并聯(lián)反激變壓器初級串聯(lián)的開關(guān)管漏源電壓，當(dāng)檢測到開關(guān)管關(guān)斷后漏源電壓諧振到波谷的信號送控制芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA輸出控制信號到開關(guān)管，導(dǎo)通開關(guān)管，使反激變壓器工作在準(zhǔn)諧振模式；開關(guān)管導(dǎo)通時間在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，使得輸出功率正比于正弦波的平方，輸出電流波形接近于半周期正弦波，控制開關(guān)管的關(guān)斷，完成一次反激變壓器的能量傳遞過程；實時調(diào)整每個周期內(nèi)開關(guān)管開關(guān)的時刻，實現(xiàn)變頻控制。本發(fā)明方法使開關(guān)管在可以穩(wěn)定工作的頻率范圍內(nèi)始終處于變頻控制狀態(tài)，最終提高了微型光伏并網(wǎng)逆變器的效率，改善了整體性能。
【專利說明】—種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力控制技術(shù)，特別涉及一種適用于交錯反激結(jié)構(gòu)的微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石燃料產(chǎn)量的下降，國際上對開拓可再生能源的興趣日益增長。太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎统毕艿饶茉葱问蕉伎梢詾槿祟惱?，其中太陽能以其資源豐富、分布廣泛、可再生以及無污染等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其以太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展最快。近年來出現(xiàn)了微型光伏并網(wǎng)逆變器(Mic1-1nverter，MD的新架構(gòu)，為每個光伏組件單獨(dú)配備一個具備交直流轉(zhuǎn)換功能和最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能的逆變器模塊，將所有逆變器模塊輸出端連到電網(wǎng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以完全消除光伏組件之間不匹配的問題，是未來光伏逆變器發(fā)展的趨勢之一。
[0003]目前微型光伏并網(wǎng)逆變器多采用交錯并聯(lián)反激拓?fù)?，為了實現(xiàn)高效率的轉(zhuǎn)換，多在反激變壓器的初級增加附加電路，采用高邊鉗位或低邊鉗位的方法實現(xiàn)軟開關(guān)，反激變壓器通常工作在電流連續(xù)的模式，在這種模式下，當(dāng)前PWM控制周期反激變壓器輸出的能量與上個周期變壓器的狀態(tài)有關(guān)，對輸出電流的波形控制不便。如果令反激變壓器工作在電流斷續(xù)的模式，當(dāng)前PWM控制周期中反激變壓器輸出的能量與以前的狀態(tài)無關(guān)，對輸出電流波形的控制相對較容易實現(xiàn)，此時，一般對反激變壓器初級開關(guān)管進(jìn)行固定頻率的PWM控制，調(diào)節(jié)其占空比，從而在次級獲得馬鞍形電流波形，完成能量傳遞變換的過程。但在這種模式下，反激變壓器的電流波動較大，在相同的輸入輸出條件下，斷續(xù)模式的電流峰值比連續(xù)模式的要大得多，系統(tǒng)效率通常不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對交錯反激結(jié)構(gòu)的微型光伏并網(wǎng)逆變器波形控制不便，效率較低的問題，提出了一種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，采用變頻軟開關(guān)準(zhǔn)諧振模式，方便控制，提聞效率。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路實時檢測交錯并聯(lián)反激變壓器初級串聯(lián)的開關(guān)管漏源電壓，當(dāng)檢測到開關(guān)管關(guān)斷后漏源電壓諧振到波谷的信號送控制芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA輸出控制信號到開關(guān)管，導(dǎo)通開關(guān)管，使反激變壓器工作在準(zhǔn)諧振模式；開關(guān)管導(dǎo)通時間在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，使得輸出功率正比于正弦波的平方，輸出電流波形接近于半周期正弦波，控制開關(guān)管的關(guān)斷，完成一次反激變壓器的能量傳遞過程；實時調(diào)整每個周期內(nèi)開關(guān)管開關(guān)的時刻，實現(xiàn)變頻控制。
[0006]所述軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路由RC微分電路組成，實時檢測交錯并聯(lián)反激變壓器初級串聯(lián)的開關(guān)管振蕩波形的下降沿，確定波形谷底位置并穩(wěn)定地輸出一個可供FPGA直接采樣處理的高電平信號。
[0007]所述開關(guān)管導(dǎo)通時間在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，設(shè)一個正弦周期采樣點(diǎn)數(shù)為見采樣得到的點(diǎn)用S(i) (i=l, 2, 3，...，勸表示，并假設(shè)反激變壓器初級電感為Z，輸出電壓的頻率為f，幅值為A，負(fù)載電阻為R,迭代公式如下:
uPV^ifn = kTs(i),(i = 1，2，3”"，2/)
其中Upv為A/D模塊測量的光伏電池板輸入電壓，T由FPGA結(jié)合軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路計算得到，為變頻控制的時間周期，U則通過上式由FPGA內(nèi)部算法進(jìn)行逐一迭代，直到誤差最小為止j代表輸出半周期正弦波的有效值，左用來控制輸出功率的大小，左的變化通常根據(jù)FPGA內(nèi)部的最大功率點(diǎn)跟蹤算法模塊來改變。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，通過軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路實時檢測反激變壓器初級開關(guān)管漏源電壓，給出漏源電壓在開關(guān)管關(guān)斷后諧振到波谷的信號，得到開關(guān)管開通的最佳時刻，使反激變壓器工作在準(zhǔn)諧振模式，并實現(xiàn)軟開關(guān)，降低了開關(guān)損耗和應(yīng)力；根據(jù)期望的半周期正弦波電流，通過FPGA實現(xiàn)的迭代運(yùn)算，找出了最佳的開關(guān)管關(guān)斷時刻，從而控制導(dǎo)通時長，使得輸出電流總諧波失真最小。本發(fā)明實時調(diào)整每個PWM控制周期內(nèi)開關(guān)管開關(guān)的時刻，在開關(guān)管可以穩(wěn)定工作的頻率范圍內(nèi)始終處于變頻控制狀態(tài)，最終提高了微型光伏并網(wǎng)逆變器的效率，改善了整體性倉泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明變頻軟開關(guān)微型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路圖；
圖3為本發(fā)明中反激變壓器初級開關(guān)管柵源電壓和漏源電壓波形圖；
圖4為本發(fā)明中軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路測量輸出波形圖；
圖5為本發(fā)明中開關(guān)管軟開關(guān)狀態(tài)柵源電壓和漏源電壓波形圖；
圖6為本發(fā)明中變頻軟開關(guān)微型并網(wǎng)逆變器輸出電壓和開關(guān)管漏源電壓波形。

【具體實施方式】
[0010]如圖1所示變頻軟開關(guān)微型并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，微型并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)包括:輸入電源(光伏電池板)1、兩個完全相同的反激變壓器2、控制反激變壓器交錯工作于準(zhǔn)諧振模式的兩個開關(guān)管3、軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路4、全橋工頻換向電路5、輸出濾波電路6、FPGA模塊7、電網(wǎng)8。
[0011]如圖1-2，單塊光伏電池板是微型光伏并網(wǎng)逆變器的輸入電源。兩個完全相同的反激變壓器2并聯(lián)后經(jīng)兩個控制開關(guān)管3連接于輸入電源兩端，圖1中反激變壓器2、開關(guān)管
3、軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路4均為一對，并聯(lián)，結(jié)構(gòu)相同，圖1和2中均用一組表示，兩組反激變壓器2及其開關(guān)管3交錯工作，實現(xiàn)DC-DC變換，將20V?50V的光伏電池板輸入直流電壓，變換為馬鞍形波。軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路4給出開關(guān)管3關(guān)斷后漏源電壓諧振到波谷的信號，給出開關(guān)管開通的最佳時刻，使反激變壓器工作在準(zhǔn)諧振模式，同時根據(jù)期望的半周期正弦波電流，通過FPGA模塊實現(xiàn)的迭代運(yùn)算，找出了最佳的開關(guān)管關(guān)斷時刻，從而控制導(dǎo)通時長，實現(xiàn)變頻軟開關(guān)準(zhǔn)諧振工作模式控制方法。然后經(jīng)過全橋結(jié)構(gòu)的工頻換向，實現(xiàn)DC-AC變換，最后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)完成并網(wǎng)。
[0012]如圖2所示軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路圖，軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路中，Ql是反激變壓器的開關(guān)管，采用低導(dǎo)通電阻的M0SFET，電阻R1、R3、R4和電容C1、C3組成微分電路，用來檢測Ql漏源電壓的下降沿，Q2的漏極輸出軟開關(guān)點(diǎn)檢測信號給FPGA，R2是上拉電阻，二極管Dl和D2用來限幅，保護(hù)Q2。Ql是主開關(guān)管，相當(dāng)于圖1中的3，Q2是軟開關(guān)檢測電路4中用到的控制用開關(guān)管，用以形成檢測信號。
[0013]如圖3所示反激變壓器初級開關(guān)管柵源電壓和漏源電壓波形圖，當(dāng)反激變壓器初級電感工作在電流斷續(xù)模式時，開關(guān)管漏源電壓有兩次振蕩過程。其中，示波器通道一是開關(guān)管柵源電壓波形，通道二是開關(guān)管漏源電壓波形。第一次振蕩，是在開關(guān)管關(guān)斷，變壓器開始傳遞能量，次級電感續(xù)流時，反激變壓器漏感與初級寄生電容及稱合到初級的次級寄生電容發(fā)生串聯(lián)諧振，如圖3中A處所示。第二次振蕩，是在次級電感續(xù)流結(jié)束，下一個開關(guān)周期開始前，開關(guān)管漏源電壓會發(fā)生固定頻率的振蕩，即初級電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲存的能量完全耦合到副級線圈之后，變壓器初級電感與初級寄生電容及耦合到初級的次級寄生電容發(fā)生串聯(lián)諧振，如圖3中B處所示。如果能在輸入電壓和負(fù)載變化時，均能于開關(guān)管漏源電壓發(fā)生第二次諧振的最低點(diǎn)處觸發(fā)開關(guān)管Ql導(dǎo)通，則可以令開關(guān)應(yīng)力最小。由于諧振波形呈衰減趨勢，此時開關(guān)管的導(dǎo)通點(diǎn)應(yīng)選在第一個振蕩波形的谷底最佳，此位置的開關(guān)管兩端電壓為最小值uDSmin=max {uPV-u/N,奶，其中Wjfy為光伏板輸出電壓,&/N為反激變壓器次級折算到初級的電壓。如系統(tǒng)中發(fā)生串聯(lián)諧振的LC參數(shù)和反激變壓器匝比設(shè)計合理，第二次振蕩時，B處的開關(guān)管漏源電壓可以諧振到零，但不會過零。因為一旦即將過零，將被并聯(lián)在開關(guān)管兩端的體二極管鉗位到零點(diǎn)。此時導(dǎo)通開關(guān)管則滿足零電壓開通的軟開關(guān)條件，如果開關(guān)管導(dǎo)通時刻剛好在B處第一個波谷處，反激變壓器將工作在準(zhǔn)諧振模式。
[0014]如圖4所示軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路測量輸出波形圖，為使反激變壓器可靠地工作于準(zhǔn)諧振模式，圖2的軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路將檢測開關(guān)管振蕩波形的下降沿，確定波形谷底位置并穩(wěn)定地給出軟開關(guān)點(diǎn)提示信號。圖4中示波器通道一是軟開關(guān)點(diǎn)檢測信號輸出波形，通道二是開關(guān)管漏源電壓波形?？梢姡诼┰措妷航档阶畹忘c(diǎn)之前，檢測電路就已經(jīng)輸出了一個可供FPGA模塊直接采樣處理的高電平信號。將此信號連到FPGA引腳，F(xiàn)PGA內(nèi)部經(jīng)過固定的小延時(延時因為波谷信號到了，不是正好要導(dǎo)通開關(guān)管，波谷提示信號比真正的波谷點(diǎn)要早，所以小延時)后，控制開關(guān)管再次導(dǎo)通。接著，在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，找出最佳的開關(guān)管導(dǎo)通時長，使得輸出功率正比于正弦波的平方，則輸出電流波形就非常接近于半周期正弦波，據(jù)此控制開關(guān)管的關(guān)斷，完成一次反激變壓器的能量傳遞過程。
[0015]設(shè)開關(guān)管Ql導(dǎo)通時間為A/D模塊測量的光伏電池板輸入電壓為Upr,反激變壓器初級電感為Z，當(dāng)前開關(guān)Ql周期為T,兩個反激變壓器輸出的瞬時功率為/^ut，則有式(I)成立。

【權(quán)利要求】
1.一種微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，其特征在于，軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路實時檢測交錯并聯(lián)反激變壓器初級串聯(lián)的開關(guān)管漏源電壓，當(dāng)檢測到開關(guān)管關(guān)斷后漏源電壓諧振到波谷的信號送控制芯片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA輸出控制信號到開關(guān)管，導(dǎo)通開關(guān)管，使反激變壓器工作在準(zhǔn)諧振模式；開關(guān)管導(dǎo)通時間在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，使得輸出功率正比于正弦波的平方，輸出電流波形接近于半周期正弦波，控制開關(guān)管的關(guān)斷，完成一次反激變壓器的能量傳遞過程；實時調(diào)整每個周期內(nèi)開關(guān)管開關(guān)的時刻，實現(xiàn)變頻控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，其特征在于，所述軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路由RC微分電路組成，實時檢測交錯并聯(lián)反激變壓器初級串聯(lián)的開關(guān)管振蕩波形的下降沿，確定波形谷底位置并穩(wěn)定地輸出一個可供FPGA直接采樣處理的高電平信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述微型光伏并網(wǎng)逆變器的變頻軟開關(guān)控制方法，其特征在于，所述開關(guān)管導(dǎo)通時間在FPGA內(nèi)部進(jìn)行迭代運(yùn)算，設(shè)一個正弦周期采樣點(diǎn)數(shù)為見采樣得到的點(diǎn)用^ (i) (i=l, 2，3，…，AO表示，并假設(shè)左=^2/尤反激變壓器初級電感為Z，輸出電壓的頻率為/，幅值為兒負(fù)載電阻為A迭代公式如下:
其中upv為A/D模塊測量的光伏電池板輸入電壓，T由FPGA結(jié)合軟開關(guān)點(diǎn)檢測電路計算得到，為變頻控制的時間周期，U則通過上式由FPGA內(nèi)部算法進(jìn)行逐一迭代，直到誤差最小為止j代表輸出半周期正弦波的有效值，左用來控制輸出功率的大小，左的變化通常根據(jù)FPGA內(nèi)部的最大功率點(diǎn)跟蹤算法模塊來改變。
【文檔編號】H02M7/537GK104167948SQ201410460060
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】夏鯤, 袁印, 何子慧, 秦玉鍵, 董斌, 譚媛, 盧晶 申請人:上海理工大學(xué)