·132·丝路视野光伏并网微逆变器开环控制算法研究谭彦峰方宇张晓莉陈彭浩万阳慧曹松银(扬州大学信息工程学院,江苏扬州225127)【摘要】针对应用在光伏发电并网微逆变器中的反激电路,论文研究了高效的开环控制算法。分析和推导了反激逆变器分别处于临界连续和断续工作模式时的开关管开通和关闭时间;在此基础上提出了一种准谐振时间补偿的开环控制算法,可提高反激变换电路的工作效率,并能有效的控制开关频率。论文中反激变换器采用峰值电流控制方法,令反激变换器的输出电流波形为正弦形状,从而建立数学模型,并揭示开环控制算法的理论依据。最后通过面向电力电子领域的仿真应用软件PSIM搭建电路模型进行仿真,证明所研究控制算法的可行性。在理论分析的基础上,以DSP28035为主控芯片,设计制作了一台500W的微逆变器实验样机,实验表明,采用带谐振时间补偿的开环控制算法具有高效率。【关键词】反激变换器;开环控制;峰值电流法;准谐振反激变换器具有升压功能、电气隔离、控制相对简单、安全可靠的优点,是目前常用的微逆器主电路,由于反激变换器在成本和结构上的突出优势,受到了微逆开发行业人士的青睐。目前光伏发电微逆变器正朝着高频化和模块化的方向发展。高频化和模块化可以有效减小逆变器的体积和重量,提高功率密度和性价比,符合当前光伏市场的发展要求。而准谐振技术在反激电路的应用,提高了适配器的效率。但由于准谐振反激变换器开关频率同输入、输出电压和负载大小等条件密切相关,在小功率时需要很高的开关频率,这就会限制主开关器件选型并影响系统EMI性能。为克服这些问题,文献采用临界模式和断续模式相结合控制,但该方法在断续模式下采用定频控制,没有实现软开关,系统小功率运行时效率不理想;文献中提出了一种引入谐振周期的减载降频控制策略,有效的降低了小功率时的开关频率并实现了软开关,但该方法并没有对引入的谐振时间进行补偿,这势必会影响小功率时系统的并网电流波形质量和转换效率。文献通过计算漏感损失能量进而补偿开通时间的方法,可有效的优化并网电流波形质量,但该方法中存在多个不完全可控量,无法保证各系统的一致性。基于上述分析,从满足微逆变器的实际需求和性能进一步提高的角度出发,多功能复合控制技术将是微逆变器的新挑战。为此本文提出一种带谐振时间补偿的开环控制算法,以提高微逆变器效率。一、临界连续时开环控制算法采用峰值电流控制法,将反激变换器的输出电流调制成理想形状。如图1所示,ton为主功率开关管导通时间,toff为关断时间,对应于[t1-t2]工作模态。副边电流原边电流tontoffip_peakis_peakT图1BCM原副边电流波形变压器匝比为N(定义为原边与副边匝数之比),则有:(1)另外有:(2)(3)由副边平均电流等于输出平均电流可得:(4)由公式(1)~(4)式推算出:(5)为保证由电流基准控制得到的副边输出电流与实际的输出电流相同,需满足下列关系式,Ig是输出电流有效值:(6)由公式(5)、(6)解得处于临界导通模式的原边电流基准公式:(7)将公式(7)式代入公式(2)、(3)可解出主功率管开通和关断时间。二、断续时开环控制算法导通时间和BCM计算一样:(8)另外有:(9)(10)由副边平均电流等于输出平均电流可得:(11)由原副边电流关系公式(8)代入公式(11):(12)为保证由电流基准控制得到的副边输出电流与实际的输出电流相同,需满足下列关系式,其中为输出电流有效值:基金项目:国家自然科学基金资助项目(51377083);国家级大学生创新创业训练计划项目(201611117025Z)。·133·经验交流(13)因为公式(12)、(13)相等,并考虑到公式(8)、(10),解得处于断续导通模式的原边电流基准公式:(14)将公式(14)代入公式(9)、(10)可解出主功率管开通和关断时间。三、谐振时间补偿算法在主功率管关断后,由变压器漏感和主功率管的结电容形成谐振,如图2所示,此时若在谐振周期的波谷处开通主功率管,可以做到零电压开通,大大的降低了功率损耗;谐振产生的震荡可通过添加吸收电路来抑制。所以将主功率管两端的电压的谐振时间纳入频率计算,即能解决功率损耗的问题;又可以有效的降低开关频率,从而提高效率。加入谐振时间补偿后原副边电流波形如图3所示。tVdsn=0.5n=1.5n=2.5Tr图2主功率管漏源极电压波形ip_peak副边电流原边电流tontoff0.5Tr0.5Trtontoffip_peakis_peakis_peak图3加入谐振补偿后原副边电流波形反激变换器的匝比为N(定义为原边与副边匝数之比),则有:(15)另外有:(16)(17)由副边平均电流等于输出平均电流可得:(18)由公式(15)~(18)式推算出:(19)将公式15、17代入公式19:(20)反激式微型逆变器在工作时,由于H4桥体二极管的存在,会将输出电流整流成周期性的正弦半波施加在直流母线上,相当于反激变换器输出端的。其表达式为:(21)为保证由电流基准控制得到的副边输出电流与实际的输出电流相同,即需满足下列关系式,为输出电流有效值:(22)由公式19、20、21解得:(23)(24)令=(25)将公式(25)代入公式(16)、(17)可解出加入谐振时间补偿后主功率管开通和关断时间。四、仿真本文中采用PSIM9.0软件搭建电路的仿真模型。图4是采用本文所提算法的单端反激式变换器仿真实验原理图,图5采用可编程逻辑控制器DLL模块,该模块可以让用户根据实际系统的状况,自由编辑控制逻辑,给本次控制策略的修改带来了极大便利。图4仿真实验原理图图5DLL模块图图6上面是临界连续工作模式的开环满载工作仿真波形图,电流相位滞后,开关以变频率工作;下面是频率。有关电流相位滞后可在实际程序中通过锁相环校正。·134·丝路视野图6BCM工作模式的开环工作仿真波形(电网电压缩小了1/300)图7是断续工作模式的开环满载工作仿真波形图,电流相位滞后,开关频率固定在200kHz。有关电流相位滞后可在实际程序中通过锁相环校正。图7以断续工作模式的开环工作仿真波形(电网电压缩小了1/300)图8是混合工作模式的开环满载工作仿真波形图,当开关频率高于200kHz时,开关管处于变频率工作模式;反之设置在固定开关频率为200kHz的DCM下工作。中间图为开关频率,最下面的波形图为工作模式示意。电流相位滞后。有关电流相位滞后可在实际程序中通过锁相环校正。图8混合工作模式的开环工作仿真波形(电网电压缩小了1/300)五、样机实验根据上述分析,设计了一个500W双通道光伏并网微型逆变器,通过考察当前光伏市场上主流微逆变器主功率开关管工作参数和提高功率密度,决定将该实验样机主功率开关管的断续模式工作频率定为200kHz,高于200kHz时处于变频率工作。样机见下图9。图9样机图微逆变器性能指标如下:表1主要性能指标参数数值输入电压范围24VDC~54VDC电网电压范围184VA~265VAC输出电压纹波ΔVdc 1%额定输出功率Po=500W效率Η>95%功率因数PF>0.99输入电流总谐波畸变率THD<2.4%图10为主开关管零电压开通波形图,CH1为主开关管漏源极电压波形,CH2为开关管门极驱动信号波形,从图中可以看到,在主开关管驱动信号到来时,其漏源极电压已为零,实现了零电压开通;图11为波谷开通波形图,CH1为主开关管漏源极电压波形,CH2为主开关管驱动信号波形,在第二个谐振周期的波谷处驱动主开关管。图10零电压开通波形图11波谷开通波形·135·经验交流图12为反激变换器的输出电流波形图,调制成为周期性的正弦半波,证明所建立的数学模型的正确性;图13为电网电压和并网电流波形图,从中可以看出反激变换器输出电压与并网电压同频同相,可实现并网发电。CH1:反激输出电流(500mA/div)t(10ms/div)图12反激输出波形CH1:电网电压(100V/div)CH2:并网电流(2A/div)t(5ms/div)图13满载时并网电流与电网电压波形六、小结针对目前微逆变器开发中常用的反激式变换器拓扑结构,本论文研究了高效的开环控制算法。在该算法中反激式变换器工作于开环模式,即通过建立数学模型,得到计入谐振时间补偿的原边励磁电流基准电流表达式,控制反激变换器工作于临界连续和断续工作相结合的模式。通过PSIM仿真和样机实验,论证了本文所提算法的可行性。参考文献[1]张哲.模块化光伏并网系统中微型逆变器和功率优化器结构和控制策略研究[D].杭州:浙江大学,2014.[2]李柳.太阳能光伏发电并网微型逆变器的研究[D].北京:北京化工大学,2015.[3]高文祥.反激式光伏微型逆变器的研究[D].重庆:重庆大学,2012.[4]莫琼.有源钳位反激式光伏并网逆变器的研究[D].杭州:浙江大学,2014[5]赵佳鹤.微型光伏并网逆变器研究[D].北京:北京交通大学,2016.[6]JiYH,JungDY,KimJH,etal.DualmodeswitchingstrategyofflybackinverterforphotovoltaicACmodules[C]//PowerElectronicsConference(IPEC),2015International.IEEE,2010:2924~2929.[7]张震.基于有源钳位交错反激光伏并网微型逆变器研究[D].合肥:合肥工业大学,2015.[8]袁庆庆,伍小杰,石祥龙,戴鹏.基于特定谐波消除的并网锁相环技术[J].中国电机工程学报,2013(36):34~40,7.才能够理解诗人的情意。骆宾王的《鹅》(小学语文第一册)中:“鹅,鹅,鹅,曲项向天歌。白毛浮绿水,红掌拨清波。”虽然是一首简单的儿歌,但是却以浮水、拨水几个动作细节的描写,表现出了鹅的动态美;又以“白”、“绿”、“红”、“清”等几个色彩词,描绘了色彩之美。于是鹅的形象就跃然纸上。孩子们可以想象,在碧空、白云之下,在绿草如茵的池塘边,“白毛”与“绿水”相映,“红掌”与“清波”成趣,该是多么绚丽的画面,该是多么富于童趣和生活气息。课后带领学生去观察鹅的生活习性,摹仿鹅的动作做一场游戏,学生就会在充满情趣的兴致中学习诗歌之美。无论是走进去,还是走出来,感受古诗意境都能够使学生的审美能力得到提高,生活经验得到积累。审美能力取决于一个人的审美经验,只有认识能力获得显著的提高,人的审美能力才会得到相应的提升。参考文献[1]魏淑云.在小学古诗教学中进行美育[J].学知报,2010(03):03~04.[2]边霞.审美教育与小学语文教学[J].南京大学报,2001:72.[3]周跃良.美育不再虚泛[N].中国教育报,2001-07-05(08).[4]胡雪静.在小学古诗教学中进行美育[J].小学生:教学实践,2012(12):51.作者简介:张彩萍(1983.04—),女,汉族,甘肃兰州人,小学一级教师,研究方向:小学语文教学。(上接第124页)