本發(fā)明涉及一種電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法，屬于電力電子變換器及其控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，為解決化石能源短缺問題，各國政府推出多項(xiàng)促進(jìn)新能源發(fā)展的相關(guān)政策，其中光伏發(fā)電被普遍認(rèn)為是一種高效、低成本、無污染、使用方便的可再生能源。光伏發(fā)電的一種高效利用形式是將電能輸送至電網(wǎng)，其發(fā)電形式有集中式發(fā)電和模塊化發(fā)電。集中供電方式成本低、效率高，但冗余性不高，一些不確定的因素都會對光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)產(chǎn)生不利影響。因此近年來單塊光伏電池集成功率變換器模塊的供電方式得到了廣泛研究。

光伏模塊供電分交流模塊和直流模塊，雖然直流模塊實(shí)現(xiàn)了每塊電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，而集中式DC/AC仍然有冗余度不高的缺點(diǎn)。交流模塊(即微逆變器)直接作為電池板與電網(wǎng)的接口裝置集成在電池板背面，其安裝方便，可熱插拔、冗余性能好而受到廣泛研究。

為滿足歐洲效率與CEC效率的要求，研究人員將光伏微逆變器的效率提升作為重要研究內(nèi)容，從控制策略改進(jìn)方面對電路實(shí)現(xiàn)增效是一個重要的研究方向，研究對象主要是針對反激型微逆變器。一些研究認(rèn)為在電流臨界連續(xù)模式(BCM)時，過高的驅(qū)動損耗和開關(guān)損耗降低了變換效率，因此分別提出變頻+電流斷續(xù)工作模式(DCM)與選擇投切反激電路數(shù)量的控制策略。為克服BCM時電網(wǎng)電壓過零時間段過高的開關(guān)頻率，相關(guān)研究提出工頻周期內(nèi)不同的時間段分別采用BCM控制與DCM控制。韓國學(xué)者在反激的基礎(chǔ)上，結(jié)合有源鉗位電路也提出了分段的控制策略。要實(shí)現(xiàn)BCM，以上控制策略都是以變頻為代價的。

為克服反激變換器不能同時獲得電流臨界連續(xù)與恒頻工作的缺點(diǎn)，因此必須找到同時具備上述兩個特點(diǎn)的反激變換器的控制方法，這既可以優(yōu)化反激變換器中輸出濾波器的設(shè)計(jì)，又可降低反激變換器中的器件導(dǎo)通損耗、變壓器的鐵損與銅損，提高了變換器的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對反激變換器不能同時兼顧電流臨界連續(xù)與恒頻工作的矛盾，本發(fā)明改進(jìn)反激變壓器的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種輸出功率控制方法，在功率較大時，控制反激變換器變壓器的自感在合適的值，保證反激變換器工作在電流臨界連續(xù)模式；在功率較小時，保證反激變壓器自感固定，調(diào)節(jié)反激變換器的占空比，使反激變換器工作于電流斷續(xù)模式；以上改進(jìn)可以優(yōu)化反激變換器中輸出濾波器的設(shè)計(jì)，降低反激變換器中的器件的導(dǎo)通損耗、變壓器的鐵損與銅損，提高變換器的效率。

技術(shù)方案：

一種電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法，包括變壓器原邊側(cè)電路、自感可變高頻變壓器T、整流側(cè)電路以及電壓控制電流源、輸出功率調(diào)節(jié)器；其中變壓器原邊側(cè)電路包含輸入電源U_in與帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管S，輸入電源U_in的負(fù)端與開關(guān)管S的源極相連接；自感可變高頻變壓器T包含第一線圈W1、第二線圈W2、第三線圈W3與第四線圈W4，自感可變高頻變壓器T的第一線圈W1的同名端與輸入電源U_in的正端相連接，自感可變高頻變壓器T的第一線圈W1的異名端與開關(guān)管S的漏極相連接，自感可變高頻變壓器T的第三線圈W3的異名端與自感可變高頻變壓器T的第四線圈W4的異名端相連接；整流側(cè)電路包含整流二極管D、輸出濾波電容C_o以及負(fù)載R_L，其中整流二極管D的陽極與自感可變高頻變壓器T的第二線圈W2的異名端相連接，整流二極管D的陰極與輸出濾波電容C_o的正端以及負(fù)載R_L的一端相連接，輸出濾波電容C_o的負(fù)端、負(fù)載R_L的另一端共同連接到自感可變高頻變壓器T的第二線圈W2的同名端；輸出功率調(diào)節(jié)器的第一輸出端、第二輸出端分別連接到電壓控制電流源的第一輸入端、第二輸入端，輸出電壓調(diào)節(jié)器的第三輸出端作為開關(guān)管S的驅(qū)動信號；電壓控制電流源的第一輸出端、第二輸出端分別連接到自感可變高頻變壓器T的第三線圈W3的同名端、自感可變高頻變壓器T的第四線圈W4的同名端。

輸出功率調(diào)節(jié)器的控制方法為：根據(jù)輸出功率的基準(zhǔn)值判斷反激變換器是工作于電流臨界連續(xù)模式還是電流斷續(xù)模式；如果判斷結(jié)果為電流臨界連續(xù)模式，則固定反激變換器的PWM驅(qū)動信號的占空比為恒定的值，由功率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出電壓來控制電壓控制電流源輸出電流的大小，從而確定自感可變高頻變壓器T原邊自感在合適的值，保證電流工作于臨界連續(xù)模式；如果判斷結(jié)果為電流斷續(xù)模式，則固定電壓控制電流源輸出電流為零，自感可變高頻變壓器T的原邊自感工作于最大值，由功率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的控制反激變換器的PWM驅(qū)動信號的占空比的大小，使電流工作于斷續(xù)模式。

電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法中，根據(jù)自感可變高頻變壓器T原邊自感的可變范圍，確定電流臨界連續(xù)模式還是電流斷續(xù)模式的分界功率閾值；在絕大部分輸出功率范圍內(nèi)，反激變換器都是工作在電流臨界連續(xù)，使得電路中的開關(guān)器件電流應(yīng)力最小，降低了器件的導(dǎo)通損耗以及變壓器的鐵損與銅損，提高了反激變換器的效率。

電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法可作為光伏微逆變器的前級直流/直流變換器的控制方法。

有益效果：采用上述方案后，通過控制偏磁線圈的工作狀態(tài)，反激變換器在較大功率時可以在恒定頻率+電流臨界連續(xù)模式下工作，在功率較小時可以在恒定頻率+電流斷續(xù)模式下工作，這可以大大降低電路中的開關(guān)器件電流應(yīng)力，降低器件的導(dǎo)通損耗以及變壓器的鐵損與銅損，提高反激變換器的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的一種恒頻工作+電流臨界連續(xù)的反激變換器及其功率控制裝置；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的反激變換器變壓器的繞組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電壓控制電流源的電路結(jié)構(gòu)；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的變壓器原邊自感隨偏磁電流的變化曲線圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)框圖；

圖中符號名稱：U_in——輸入電源電壓；i_in——輸入電源電流；S——開關(guān)管；T——自感可變高頻變壓器；n——自感可變高頻變壓器的變比；W1-W4——自感可變高頻變壓器的第一線圈至第四線圈；D——整流二極管；i_sec——自感可變高頻變壓器的第二線圈電流；C_o——輸出濾波電容；i_c——輸出濾波電容的電流；R_L——負(fù)載；U_o——反激變換器輸出電壓；U_o——反激變換器輸出電流；u_S——開關(guān)管S的驅(qū)動信號；U_con——可變自感控制電壓；I_con——可變自感控制電流；R₁-R₃——信號電路第一電阻至第三電阻；U₁-U₂——信號電路第一運(yùn)放至第三運(yùn)放；V₁——信號電路三極管；L_p——自感可變高頻變壓器原邊線圈的自感；P*——輸出功率基準(zhǔn)值；I_in*——輸入電流基準(zhǔn)值；I_{in_f}——輸入電流的反饋值；K_am——閉環(huán)調(diào)節(jié)器切換系數(shù)；D_BCM——電流臨界連續(xù)模式時反激變換器占空比；D_DCM——計(jì)算得到得電流斷續(xù)模式時反激變換器占空比；D_DCML——最終采用電流斷續(xù)模式時反激變換器占空比；D_F——反激變換器占空比；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，一種電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法，包括變壓器原邊側(cè)電路、自感可變高頻變壓器T、整流側(cè)電路以及電壓控制電流源、輸出功率調(diào)節(jié)器；其中變壓器原邊側(cè)電路包含輸入電源U_in與帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管S，輸入電源U_in的負(fù)端與開關(guān)管S的源極相連接；自感可變高頻變壓器T包含第一線圈W1、第二線圈W2、第三線圈W3與第四線圈W4，自感可變高頻變壓器T的第一線圈W1的同名端與輸入電源U_in的正端相連接，自感可變高頻變壓器T的第一線圈W1的異名端與開關(guān)管S的漏極相連接，自感可變高頻變壓器T的第三線圈W3的異名端與自感可變高頻變壓器T的第四線圈W4的異名端相連接；整流側(cè)電路包含整流二極管D、輸出濾波電容C_o以及負(fù)載R_L，其中整流二極管D的陽極與自感可變高頻變壓器T的第二線圈W2的異名端相連接，整流二極管D的陰極與輸出濾波電容C_o的正端以及負(fù)載R_L的一端相連接，輸出濾波電容C_o的負(fù)端、負(fù)載R_L的另一端共同連接到自感可變高頻變壓器T的第二線圈W2的同名端；輸出功率調(diào)節(jié)器的第一輸出端、第二輸出端分別連接到電壓控制電流源的第一輸入端、第二輸入端，輸出電壓調(diào)節(jié)器的第三輸出端作為開關(guān)管S的驅(qū)動信號；電壓控制電流源的第一輸出端、第二輸出端分別連接到自感可變高頻變壓器T的第三線圈W3的同名端、自感可變高頻變壓器T的第四線圈W4的同名端。

輸出功率調(diào)節(jié)器的控制方法為：根據(jù)輸出功率的基準(zhǔn)值判斷反激變換器是工作于電流臨界連續(xù)模式還是電流斷續(xù)模式；如果判斷結(jié)果為電流臨界連續(xù)模式，則固定反激變換器的PWM驅(qū)動信號的占空比為恒定的值，由功率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出電壓來控制電壓控制電流源輸出電流的大小，從而確定自感可變高頻變壓器T原邊自感在合適的值，保證電流工作于臨界連續(xù)模式；如果判斷結(jié)果為電流斷續(xù)模式，則固定電壓控制電流源輸出電流為零，自感可變高頻變壓器T的原邊自感工作于最大值，由功率閉環(huán)調(diào)節(jié)器的控制反激變換器的PWM驅(qū)動信號的占空比的大小，使電流工作于斷續(xù)模式。

電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法中，根據(jù)自感可變高頻變壓器T原邊自感的可變范圍，確定電流臨界連續(xù)模式還是電流斷續(xù)模式的分界功率閾值；在絕大部分輸出功率范圍內(nèi)，反激變換器都是工作在電流臨界連續(xù)，使得電路中的開關(guān)器件電流應(yīng)力最小，降低了器件的導(dǎo)通損耗以及變壓器的鐵損與銅損，提高了反激變換器的效率。

電流混合工作模式的反激變換器的輸出功率控制方法可作為光伏微逆變器的前級直流/直流變換器的控制方法。

圖2為自感可變高頻變壓器的繞制示意圖，采用一副EE型鐵芯，在兩側(cè)磁芯柱中分別繞匝數(shù)相等的偏磁線圈，即第三線圈W3與第四線圈W4，并通以控制感值的電流源；中間磁芯柱中繞反激變換器中的第一線圈W1與第二線圈W2。在偏磁線圈中通以控制電流I_con后，左右兩側(cè)磁芯柱上的磁偏置繞組在鐵芯中產(chǎn)生大小相等的磁通，在左右兩側(cè)磁芯柱上產(chǎn)生的磁通方向相同，相互疊加，產(chǎn)生磁偏置；在中間磁芯柱上的磁通方向相反，相互抵消，與I_con＝0時相同。因此，圖2自感可變的變壓器的實(shí)質(zhì)就是改變中間磁芯柱繞組的有效磁路長度，當(dāng)I_con足夠大，使得兩側(cè)磁芯柱完全飽和時，有效磁路長度最長，磁阻最大，變壓器自感值最小。

圖3所示為電壓控制電流源的電路結(jié)構(gòu)，它由兩塊單電源運(yùn)放U1-U2、分壓電阻R1-R2、反饋電阻R3以及電流調(diào)整管V1共同構(gòu)成，電流源控制電壓U_con經(jīng)分壓電阻R1-R2并經(jīng)電壓跟隨器，在運(yùn)放U2的正輸入端得到電壓為

根據(jù)運(yùn)放虛短、虛斷的原則，在反饋電阻R3上電壓等于U₂₊，則

對本發(fā)明專利建立了一臺自感可變的反激式高頻變壓器，其變壓器原邊自感L_p隨I_con的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?，采用較小的電流源損耗可以實(shí)現(xiàn)變壓器自感在很大的范圍內(nèi)變化，為不同功率下變壓器電流臨界連續(xù)提供了條件。令反激變換器占空比為D_F，則在電流臨界連續(xù)狀況下變壓器原邊電流峰值i_{Lp_peak}為，

式中，T_s為開關(guān)周期，L_p為變壓器原邊自感，開關(guān)管S關(guān)斷后，變壓器電流轉(zhuǎn)移到副邊，對應(yīng)的變壓器副邊峰值電流i_{Ls_peak}為

根據(jù)副邊電流在(1-D)T_s內(nèi)從最大值下降到0，得到臨界連續(xù)時的占空比D_BCM為

而根據(jù)輸入電流i_in的平均值I_in與功率P的關(guān)系，得到功率P下所需的電感值為L_{p_BCM}為

而當(dāng)變壓器原邊自感達(dá)到最大值時，隨著功率進(jìn)一步降低，則采用電流斷續(xù)控制方式來調(diào)節(jié)輸出功率，所需占空比D_DCM為

式中，L_{p_max}為變壓器原邊自感可控的最大值，根據(jù)以上分析，得到的輸出電壓控制器的框圖如圖5所示。首先根據(jù)可變電感的變化范圍和微逆變器的輸入、輸出電壓參數(shù)確定變壓器電流工作于臨界連續(xù)模式還是斷續(xù)模式。如果變壓器電流工作于臨界連續(xù)模式，首先根據(jù)式(5)確定工作的占空比D_BCM，輸出功率的調(diào)節(jié)由可變壓器自感的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)式(6)確定所需電感值，為消除誤差，采用輸入電流閉環(huán)對電感值進(jìn)行微調(diào)實(shí)現(xiàn)精確的功率跟蹤；在變壓器電流工作于斷續(xù)模式時，控制電感值的控制電壓U_con＝0，變壓器自感處于最大值，此時通過調(diào)節(jié)占空比D來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，通過式(7)預(yù)確定占空比的大小，再采用輸入電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對占空比的微調(diào)以保證控制精度。需要注意的是，在電流臨界連續(xù)與電流斷續(xù)采用同一閉環(huán)調(diào)節(jié)器，由于輸出信號數(shù)量上的關(guān)系，采用系數(shù)K_am以保證控制的穩(wěn)定性。

綜上所述，本發(fā)明在反激變換器的變壓器中引入偏磁線圈，改變偏磁電流的大小可以控制變壓器的自感值，過控制偏磁線圈的工作狀態(tài)，反激變換器在較大功率時可以在恒定頻率+電流臨界連續(xù)模式下工作，在功率較小時可以在恒定頻率+電流斷續(xù)模式下工作，這可以大大降低電路中的開關(guān)器件電流應(yīng)力，降低器件的導(dǎo)通損耗以及變壓器的鐵損與銅損，提高反激變換器的效率。