（电力电子与电力传动专业论文）高频隔离型光伏逆变器的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l ya g g r a v a t e de n e r g yc r i s i s i nt h ew o r l d ，s o l a r ”p h o t o v o l t a i c p o w e rh a sb e e ng r e a t l yd e v e l o p e da n db e c o m eo n eo ft h ec l e a n e s ta n dm o s te f f e c t i v e r e n e w a b l ee n e r g y t h ei n v e r t e r , a st h em a j o rp o w e rc o n v e r t e ri nt h ep vg e n e r a t o r s y s t e m ，i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ee f f i c i e n c yo ft h es o l a rp o w e r t h i s p a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o lm e t h o do fv i r t u a lv a l u eo u t e rl o o pa n di n s t a n t a n e o u sv a l u e i n n e rl o o p ，w h i c hc a l le l i m i n a t et h es t a t i ce r r o r , a sw e l la sm a k et h eo u t p u tw a v e f u n c t i o nn o r m a l l y , t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et o p o l o g yo ft h es y s t e m ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fr e a l i z a t i o nb a s e do n f p g a f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rc h o o s e st h es u i t a b l em e t h o do fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gb y c o m p a r i n gi tw i t hs e v e r a lo t h e rr e l a t i v em e t h o d s t h e nt h i sp a p e rg i v e st h es t r u c t u r eo f t h ei n v e r t e ra n dm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，e q u i v a l e n tc i r c u i t u n d e rt h ed i f f e r e n ts t a t e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sb a s e do nt h es t a t e s p a c ea v e r a g e m e t h o da n di td e d u c et h ei n p u t - o u t p u tc h a r a c t e r so ft h es y s t e ms o a st oe n s u r et h e p a r a m e t e r so ft h em a i nc o m p o n e n t s s e v e r a lr e l a t i v e l yp o p u l a rc o n t r o lm e t h o d so fi n v e r t e ra r es i m p l yi n t r o d u c e db y u s i n gb l o c kd i a g r a m v o l t a g ea n dc u r r e n td u a l l o o pc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do ns p w m h a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha si n v a r i a b l es w i t c h i n gf r e q u e n c y , s i m p l i f i e ds i g n i f i c a t i o n a n de a s yr e a l i z a t i o n i no r d e rt oe n a b l et h em a x i m u mp o w e ro u t p u to fs o l a rc e l l s ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e ss o m eu s u a l l ym a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) m e t h o d s a n da n a l y z e sr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n da p p r o p r i a t e n e s so fu s i n gt h e o c c a s i o n f i n a l l y , t h ea u t h o rd e s i g n st h es y s t e mc o n t r o lp l a nb yi m p l e m e n t i n gf p g a t e c h n o l o g y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sc a ns a t i s f y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，w h i c hc a nb eu s e di nv e r i f i n gt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds p w mc o n t r o lm e t h o d k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ，s p w m ，m p p t , i n v e r t e r , p u s h p u l lf o r w a r d c o n v e r t e r n 诹；l 亡工繁失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 柏稆厶日期：知矿7 年月y 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：桕讳山 日期：动口7 年6 月坯日 欤矿 孑日 黝州 ：，占 名 e 馘净 臃少 教 ： 导 期 指 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 光伏发电的发展状况 1 1 1 太阳能利用是必然的选择 能源是人类生存与生活的基本条件，人类不断地从自然界探索出适合生存和 发展的各种能源，能源的利用水平反映出人类文明的进步水平。从原始社会到科 技日益更新的现代社会，化石能源一直占据着能源舞台上的主要位置。随着人类 对能源需求的同益增加，化石能源的储量正逐渐减少啦! 。各国能源专家呼吁：煤炭、 石油、天然气等稀有的化石能源应该储备起来留给后代。 同时，大量使用化石然料对我们的生活环境造成严重的污染。目前在生活中 由于大量使用化石燃料，全世界每天排放约1 亿吨c 魄、s o 。等温室效应气体。5 1 ， 对大气已经造成非常严重的污染。如果排放量不能够控制，将导致冰山融化，海 平面上升几米，四分之一的人类生活空间将因此受到极大挑战。 一 为了让我们的生活质量和生活水平得到提高，开发利用各种可再生能源是目 前必须采取的措施。从能源需求供应以及光伏技术的发展水平等诸多方面考虑， 太阳能无疑是绿色能源的最佳选择。 1 1 2 太阳能光伏发电的优点 近年来太阳能光伏发电在世界范围内高速发展，我国太阳能光伏技术的研发 水平也在不断提高，正逐步向国际先进水平靠拢。 太阳能光伏发电具有以下显著的优点1 ： 没有污染； 可循环利用； 资源充足； 安装方便； 便于传输、存储和使用； 大幅度节省远程输电的费用； 光伏建筑一体化的出现节约了土地的使用面积。 由于太阳能电池的主要原料硅在全球的储存量巨大，随着高效硅提纯等 相关技术的飞速发展，太阳能光伏发电成本也随之快速下降。可以肯定，太阳能 湖北工业大学硕士学位论文 光伏发电必将在人类社会能源利用的发展的舞台上扮演重要角色。 1 1 3 光伏技术的发展现状 1 国外光伏发电技术的进展情况 光伏发电技术的应用越来越普遍。尽管太阳能光伏发电优点很多，但是所发 出来的每度电比火电、水电等常规电力要高出许多，没有办法与常规能源进行竞 争。为了鼓励人们利用太阳能这一清洁能源，各国政府先后推出了各种相关政策 来鼓励加快光伏发电的发展，以德日美等西方发达国家表现最为突出口一1 。 德国政府在很早就倡导应用太阳能光伏发电。1 9 9 0 年，德国政府推出“千 个太阳能屋顶计划”，1 9 9 8 年又进一步提出了“十万光伏屋顶计划”，同时研究开 发建筑一体化的专用异性太阳能电池组件等。“十万太阳能屋顶计划”在1 9 9 9 年1 月j 下式开始实施。德国的“可再生能源法 于2 0 0 0 年4 月1 日正式生效。 日本先后发布了很多关于鼓励包括太阳能在内的可再生能源应用的法规， 这在很大程度上加快了同本光伏产业链的发展。2 0 0 2 年，同本的太阳能电池生产 总量已达到2 5 4 5 m w ，每年以4 8 6 的比例增加，预计到2 0 1 0 年一半以上的屋顶 将安装太阳能发电系统。 1 9 9 6 年，美国政府也制定了一项“光伏建筑物计划”， 2 0 0 2 年，美国生 产的太阳能电池共计1 1 2 9 m w ，美国预言到2 0 1 0 年光伏发电成本将下降到7 7 美 分千瓦时。 此外，意大利、印度、法国、荷兰等国家都有类似的光伏发展规划，并花巨 资用于技术开发和推行产市场规模化。从世界范围来讲，太阳能光伏发电已经完 成了前期的研究和初期产品的规模化，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，光 伏集中发电、光伏建筑一体化等应用形式发展迅速，已逐渐成为市场主力。 2 我国光伏技术的进展情况 我们国家对太阳能光伏发电技术的研究起步很晚，但是进步很快1 。我国的太 阳能光伏技术是从上世纪6 0 年代开发起步，低成本的光伏发电技术的研究在8 0 年代中期才逐渐展开。到9 0 年代中期，我国光伏产业健康发展，产量逐年稳步增 长。“九五”期间，国家科学技术委员会开始将太阳能屋顶系统的研究列入国家科 技攻关计划，随后在深圳和北京两地建立了太阳能发电屋顶系统。2 0 0 3 年1 0 月， 国家发展改革委员会、科技部制定出太阳能资源开发的下一个五年计划，发改委 “光明工程 筹集了1 0 0 亿资会用于推进光伏发电技术的应用，到2 0 0 5 年我国总 共安装光伏发电系统达到3 0 0 m w 。2 0 0 8 年北京奥运会，各奥运建筑普遍采用太阳 能等绿色能源利用技术，印证了绿色奥运的主体。 2 湖北工业大学硕士学位论文 我国光伏产业发展迅速，为推动光伏应用巾场快速发展发挥了重要作用。但 是，与德同美等发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我困没有形成庞大的 生产规模，自动化的生产线比较少；其次，例如太阳能级硅的提成等核心技术仍 掌握在少数国家手中。因此，我国要想真正成长为光伏产业强国，还有很长的路 要走。 1 2 光伏逆变器的现状和未来趋势 光伏逆变器是光伏发电系统的重要组成部分，随着新型的拓扑结构和相关控 制理论等技术的多元化发展，逆变器在功率和效率等方面得到了不断完善和提高。 逆变器按变换方式可分为工频逆变器和高频逆变器n 引。工频逆变器是先将低 压直流电逆变成低压交流电，然后经过工频变压器升压成2 2 0 v 交流电。这种逆变 器结构简单，工作可靠，但这种逆变器有体积大、笨重、噪音大、价格高等缺陷， 转化效率也有待进一步提高。高频逆变器是通过先进的高频d c d c 变换技术，先 将低频低压直流变为高频低压直流，经过高频变压器升压后再整流成高压直流， 对其进行正弦逆变，即可得到2 2 0 v 、5 0 h z 正弦波交流电。当然，这种逆变器也有 其自身的瑕疵，控制环节较多导致电路复杂，控制方面实现起来相对困难。但因 为采用高频变换，所以体积小、重量轻、噪音小、效率高。由于采用闭环控制技 术，其输出电压稳定，带载能力强，性价比高，是当前太阳能发电、风电等绿色 能源系统的首选产品。 逆变器按输出波形一般可分为方波逆变器和正弦波逆变器两种。方波逆变器 控制环节少，电路结构简单，成本低，但转化效率低，谐波含量大，而且会产生 很大噪声。正弦波逆变器是目前的主流产品，随着带有p w m 功能的微处理器问世， 正弦波逆变器的技术已经相当成熟。由于开关变换器的非线性强，负载样式多， 主电路的性能必须满足如感性负载等非线性负载的大范围变化，所有这些使设计 变得复杂。白适应、模糊控制、复合控制等一些新的控制方式的广泛应用，专有 控制芯片的问世，使逆变器的动态性能得到很大提高，电路也大大简单化。光伏 逆变器的研究方向正朝着专业集成化、数字控制化的方向发展1 3 1 1 3 课题来源及研究的主要内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“节能与新能源汽车”， 项目编号：2 0 0 7 a a l1 a 1 0 3 ，本文研究的内容为该项目的一部分。 在光伏逆变器工作原理以及前人研究的基础上，本文进一步研究了光伏逆变 湖北工业大学硕士学位论文 器的核心问题：光伏逆变器的数学模型分析和跟踪控制，并进行了较为深入的理 论分析和研究。在理论分析的基础上研制了一台正弦波光伏逆变器，并进行了实 验研究。 本论文通过对逆变器数学模型的分析，结合各种控制方案的比较，采用现场 可编程门阵列f p g a 研制了一套纯正弦波光伏逆变器，完成了数字化s p w m 自然采 样法脉冲发生和控制的功能。全文的结构安排如下： 第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景，研究工作的实际意义。概述了与 本课题相关的国内外光伏产业以及光伏逆变器的研究和发展现状。 第二章为开关变换器的动态建模方法。对几种常用的动态建模方法进行了分 析和比较，结合本项目的具体情况，最后确定对本课题适用的建模方法。 第三章为逆变器的电路分析与建模。研究了逆变器的工作原理并对其主电路 进行数学建模分析，通过数学模型的分析，对逆变器主要部件的参数进行定量推 导分析。 第四章为光伏逆变器的控制策略。通过对电压瞬时值单环反馈控制、电流瞬 时值单环反馈控制、电压电流双环控制等三种控制方法的比较，得出适合本文的 控制策略。另外通过对太阳能电池输出特性的分析，给出了太阳能最大功率点的 概念，介绍了几种太阳能电池最大输出功率跟踪的方法，并且给出优化后的负载 扰动控制策略。 第五章为基于f p g a 的系统控制部分的设计。采用高性价比的f p g a 实现了双 环控制器和p w m 控制器，简化了设计流程。采用了模块化的软件设计思路，使得 逆变器的通用性增强。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章开关变换器的建模方法 按电路结构来分，逆变器一般由开关变换器、p 1 j l m 调制器、驱动电路、反馈控 制环节构成，如图2 1 所示。电力电子系统性能的好坏与反馈环节有着很紧密的 联系，而了解研究对象的动态模型是设计反馈环节的必要条件。图2 1 中，在进 行设计之前，首先就要知道开关变换器和p w m 调制器的数学模型。从经典自动控 制理论可以得知，旦了解所研究控制对象的传递函数，就可以通过根轨迹法或 频率特性法来设计反馈环节。 图2 1 逆变电源系统结构图 开关变换器含有m o s f e t 、i g b t 、晶闸管等非线性元件，是个非线性系统， 但是当变换器工作在特定的稳定状态工作点附近时，电路含有的小信号变量之间 表现出线性的特性，所以要得到正确的解十分困难。一般来讲，开关变换器的建 模方法可以分为两大类：数字仿真法和解析建模法。其详细分类情况见图2 2 所 示，数字仿真法着眼于利用算法对开关变换器进行数值计算，从而得到某些特征 解。数字仿真法能对电路进行全面分析，所得结果没有明确的物理概念。数字仿 真法按表达方式上可分为直接数字仿真法和间接数字仿真法两种。解析建模法是 一种用解析表达式来描述丌关变换器特性的建模方法。解析建模法的优点是得到 的结果直观明了，表达的物理概念清楚，对设计有很大帮助。其缺点是其所得结 果的精确度较差，解析建模法目前主要可分为离散法、平均法、符号法及p f c 电 路建模法等几种方法。 5 湖北工业大学硕士学位论文 数字仿真法 l 。_。_。 r 。一- 1 直接f a j 接 数字仿真法l；数字仿真法j 线建模i 法 图2 2 开关建模法的分类示意图 2 1 常见的开关变换器数学建模方法 1 等效电路法 在丌关变换器中，丌关元件的作用是使某一支路在一定的时间接通或断开， 所以，这些元件的电压和电流的平均值常常与电路中另外某条支路的电流或电压 的平均值有关。因此，这些元件可近似表示为一个以占空比为自变量的受控源， 其形式视具体情况而定。 等效受控源算法u 饥“1 ：保持原电路的拓扑结构和r ，l ，c 元件均不变，用受控 源来替代丌关器件，得到一个含有受控源的电路。运用基本的电路求解方法来求 解等效电路，所得的各支路的电压和电流均为其平均值。 以含有m o s f e t 等三端开关器件的电路为例，如图2 3 所示，a 端为有源端，p 端为无源端，c 端为公共端。 a 三端开关器件的伏安特性可用如下两个公式来描述。 电流表达式：i o = d i 。 电压表达式：= d v 妒 上l 上 1 iv a p j 三、 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) l c 1 ：d 品南一匹c ； pp 图2 3 三端开关器件电路模型图2 4 三端开关器件的等效电路模型 式中的符号都表示包含扰动分量与稳态分量两者之和的平均值。三端丌关器件的 6 湖北工业大学硕士学位论文 等效电路模型如图2 4 所示。 2 符号分析法 之所以叫符号分析法，就是在电路表达式中，用符号表示与纹波有关的变量。 符号分析法的基本原理：将扰动法和谐波平衡法相结合，求解丌关变换器的时变 方程n8 1 9 1 。这种方法的最大优点是能够求出状态变量的纹波解析式。但是，因为在 列写开关变换器的时变方程时使用了状态平均的概念，所以符号分析法也体现一 种平均概念，但它不要求扰动信号的频率远低于载波频率，也不要求扰动量的幅 值远小于其平均值。 3 离散时域建模法 离散时域建模法的基本思想：列出开关变换器一周期内各个时间段的分段线 性状念方程并得出非线性差分方程，然后用叠加替代法求出其精确的平衡点。在 求解非线性差分方程时，需要确定开关丌通和关断的转换时间，即需要确定各分 段线性化的边界条件。 统一离散时域状态方程模型啪1 ，其基本思想是将开关变换器一周期内各个时 间段的分段线性状态方程表示成一个含有开关函数的数学表达式，这样可以简化 其求解，为了确保求解的值收敛，引出了联合状态变量的时域模型的概念口。这种 方法有两个改进的优点：首先，把开关器件的状态量作为状态变量；其次是将开 关器件的控制量作为输入变量，改进后的模型可以适合于分析各种变换器。在这 个模型中状态变量的对象包含开关器件和储能元件两部分，所以将其称之为联合 状态变量时域模型。 4 传输线建模法 开关变换器的非线性体现在开关器件的非线性和储能元件的非线性，为了提 高开关器件的工作频率，减少损耗，软丌关技术得到了广泛的应用。查阅最近的 研究资料可以得知，在仿真非线性电路时，若变量的变化速率太高，用小步长仿 真会导致结果不稳定。这对高频化的开关变换器提出了一个严重的挑战，原有的 仿真技术可能不太适合。 近年来提出了t l m ( t r a m i m i s s i o nl i n em o d e l i n g ) 技术船引，这是一种离散建 模方法，它适用于一般包含开关变换器电路的仿真。t l m 的建模原理：将一个电路 用一个传输线网络表示，替代离散表达形式；在这个新的传输线网络中，电流和 电压表现为一个离散脉冲，它来回在节点之间跳跃。与其它方法相比，t l m 技术具 有以下两个优点：第一，它能解释由分布参数带来的建模误差；第二，它可以提 供一个工业仿真器，该仿真器具有实时在线仿真的特点。8 0 年代末期，t l m 技术 7 湖北工业大学硕士学位论文 被引入剑丌关变换器分析中，在该分析方法中将j r 关变换器模型描述成一个与开 关状态无关的常数矩阵，使其系统具有线性特性。 2 2 开关变换器数学建模方法的各自特点分析 为了选择适合本项目设计的开关建模方法，下面简要介绍上述方法各自的特 点： 1 等效电路法 它适合于稳态电路和小信号模型分析。优点是等效电路与原电路相似，处理 简单，概念清晰。缺点是在扰动信号的频率接近载波频率的一半时，其准确度低， 而且不能得到其纹波表达式。 2 符号分析法 这种方法的最大优点是能够得到状态变量的纹波解析式。 3 离散时域建模法 这种方法可为开关变换器建立一个时变的非线性模型，这种模型既可用来分 析小信号模型，亦可用来分析大信号模型。 4 传输线建模 这种建模方法是把分析小信号多级放大器的方法借用到功率开关变换的分析 当中，采用传输线模型将成两级之问分离开来处理，节约了仿真的时间。 在设计光伏逆变器时需要对主电路开关变换器的稳态和动态小信号模型进行 详细分析，在分析过程中要求过程简单、物理概念清晰及结果明确，综合以上对 各种建模方法的分析，结合本项目的具体要求，将选择更适合项目实施的空间状 态平均法对逆变器的数学模型进行分析。 2 3 状态空间平均法 状态空间平均法是用连续状态方程近似代替同时间段内的分段状态方程的方 法，其中一周内的平均值为所要求解的值。该方法的本质是将求解量在一个周期 内平均化，其最终目的是将以时间为变量的电路转化为不含时间变量的电路，采 用现有的线性理论知识分析电路的小信号特性。 状态空间平均法的主要思想：在含有一个开关变换器的电路中，假设其开关 占空比为d ，在一个周期疋内，分别建立开关在通断位置的微分方程组：当开关开 通时，用一组方程来描述在d 疋问隔内电路的运行；当开关关断时，用一组方程来 描述在( 1 一d ) 疋问隔里电路的运行。该方法的前提条件是系统的响应频率远低于系 8 湖北工业大学硕士学位论文 统的开关频率，凶向对系统的高频特性描述不太精确。但是这种方法比较简单、 直观，参数变化对系统的影响也比较明了。 假设功率丌关管和二极管为理想丌关，一个p w m 型d c - d c 变换器可以用两个 线性非时变电路来描述，其状态方程如下： x = 彳蔓+ 蜀吩( 开关闭合) ( 2 - 3 ) 【y2c i4 彳 x = 彳+ b 2 ( 开关关断) ( 2 - 4 ) 【y 2 c 2x 式中a ，a ：，b 。，b ：，c bc ：均为常数矩阵，x 是状态变量向量，y 是输出向量，u ；是常数， 式2 3 和式2 4 在个载波周期内求平均，得基本状态空间平均方程： 小- r + d o a 2 ) r x + ( 崛州护2 扣，( 2 - 5 ) 【y = ( d g 。+ d o c 2 。) x 式中d 。= 1 一d ，对于d c d c 变换器，u i = u 是常数，式2 - 5 称为开关变换器的基本状态 平均方程。 如果定义：a = 旭+ 九4 ，b = 鹕+ “岛，c = d q7 + d o c 27 ，则有 小趔枷“7 ( 2 6 ) 1 ， 【y2 c x 上式即为开关变换器的状态平均方程。观察可得，这是一个线性方程，可用 普通方程处理。而且已证明，当系统的响应频率低于开关频率的一半时，式2 - 6 能很好地反映系统的实际情况。 式2 6 中的a 、b 、c 一般与开关导通占空比d 有关。d 随时问变化时，a 、b 、 c 也随时间发生变化。所以式2 - 6 仍为一时变系统，为了分析系统的稳定性，引入 低频小信号扰动的概念。 设d = d + d ，d o = d + d o ，“，= u + 五，此时状态变量也含有低频扰动分量，即 x = x + 童，y = y + 多。代入式2 6 ，得 宝2 羞+ 力= 胁b 洱【( 4 4 砖+ 假一愿赡p + 詹+ 磁+ 一4 + 假一垦) 啦 ( 2 _ 7 ) 【y + 夕= c _ “& + ( c ：一g l 材+ ( c ：一g 碡汀 实验证明，当干扰是小信号时，即五u 1 ，0 b l ，纠x 1 ，方程中的非 线性部分可忽略。 将式2 7 提取动态部分，可得到动态方程为 9 湖北工业大学硕士学位论文 i 曼= a 量+ b f i + ( 彳l 一彳2 ) x + ( 曰l b 2 ) u 】0 1 【多= c 殳+ ( c i c 2 ) k d 式2 8 即为低频小信号扰动下的动态方程。 2 4 本章小结 ( 2 8 ) 丌关变换器的建模和分析方法是开关变换器研究的一个重要方面。本章对等 效电路法、符号分析法、离散时域建模法、传输线建模法、状态空间平均法等五 种建模方法进行了系统的介绍、归纳，通过对各自应用特点的分析，选择状态空 间平均法进行数学模型分析，为论文的后续研究打下基础。 l o 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章逆变器的电路结构分析与建模 本设计的逆变器整机输出有效功率约为1 5 0 w ，具体参数如下： 输入电压：直流1 0 5 v 1 5 6 v 开启电压：直流1 2 0 v 1 5 6 v 输出稳定电压：2 2 0 v ( 空载和满载时1 0 ) 输出电压频率：5 0 h z 0 5 电压总谐波t h d ：电阻性负载满载时小于2 最大输出功率：2 2 0 w 有效输出功率：1 5 0 w 整机效率：8 5 空载电流：小于0 5 a 在本设计中，采用高频隔离型直一交一直一交变换电路。 3 1 系统的拓扑结构分析 d c d c 变换器是通过控制开关管的导通和关断时间，结合电感、电容或高频变 压器等器件来控制输出电压的变换电路。它可分为直接变换和间接变换两种，前 者不带变压器，直接进行直流电压变换，这种电路也称为非隔离型d c d c 变换器： 后者则先将直流电压变换为交流电压，经变压器转换后再变换为直流电压，这种 直一交一直电路也称为隔离型d c d c 变换器。 非隔离型d c - d c 变换器，虽然在功能上可以实现直流电压的变换，但其存在 着功率转换功能上的局限性。具体体现在： 部分电路的输入与输出没有共同连在同一个接地端； 输入输出之间没有进行电气隔离； 输入输出电压比、电流比不能过大； 不能同时输出多路电压。 为了解决以上缺陷，需要在电路中加入隔离变压器以满足系统设计要求。针 对光伏发电系统中的要求，本节就带变压器的隔离型d c d c 变换器( 直一交一直型变 换电路) 进行探讨。 在隔离型光伏逆变器中，根据逆变器输出与负载结合方式的不同，主要有两 湖北工业大学硕士学位论文 种分类，一类是含有工频变压器隔离升压环节的工频逆变器，如图3 1 所示，另 一类是含有高频d c - d c 升压环节的高频逆变器，如图3 2 所示。 lll | m l c ： 门 f = 一= _ i 、 lll | 1 j l 太能 图3 1 工频变压器隔离升压的结构图 | | | l r 1 l c ： d c d c i 目一= | | l i 一 一 i _ j 太阳能 件 高频升压 逆变环节 波器 负 载 负 载 图3 2 带高频升压环节的结构图 带高频升压环节的逆变器可以提高d c a c 部分的直流电压，使逆变器输出电压与 负载额定电压相当，不需要用笨重的工频变压器，同时也缩小了逆变器的体积， 本文就是采用这种方法。 高频d c d c 环节目前包含很多开关变换器的拓扑结构，如：b o o s t 变换、 b u c k - b o o s t 变换、推挽变换等。推挽电路由于结构简单，变压器磁芯利用率高， 在实际项目工程中得到了广泛的应用。传统推挽电路的缺点：当初级开关管关断 时，变压器的漏感会在开关管的两端产生很大的尖峰脉冲电压，从而在开关管关 断瞬间会产生很大的损耗，因而这种变换器的效率变得相对较低。同时，变压器 的铁芯偏磁也对开关器件和驱动电路脉冲宽度的一致性提出了比较高的要求。针 对本项目的实际情况我们选用的是正激推挽电路，与普通推挽电路相比，它有以 下优点：开关管关断时，在变压器两端增加了一个电容，为变压器的漏感储存 的能量提供了释放回路；变压器磁芯两同时边磁化，有效抑制了变压器的磁芯 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 偏磁；i 卜激推挽拓扑属于二阶系统，与四阶系统的拓扑相比，其控制环节少， 电路结构相对简单，并且瞬态响应更快，更适合低压大电流的场合乜争2 6 1 。图3 3 为 j 下激推挽电路的拓扑结构图，高频变压器原边的两个丌关管s 和s ：分别与两个绕 组w ，、w ：串联，电容c 位于两个绕组之间，d l 和d 2 是丌关管的反并联二极管；副 边采用全桥整流。 l _-_ z z ! 厂一 c zz 图3 3 正激推挽电路结构图 d c a c 环节采用全桥逆变电路，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两 种：直流侧带电压源的称为电压型逆变电路，其显著特点是直流侧接有大电容，直 流回路呈现低阻抗特性；直流侧带电流源的称为电流型逆变电路，其显著特点是 直流侧接有大电感，直流回路呈现高阻抗特性。由于电流型逆变电路所需的电感 体积大、成本高，本文设计的逆变电源采用电压型逆变电路。电压型逆变电路结 构如图3 4 所示，该电路由直流侧电容、逆变桥和l c 滤波器构成。 p b u s n b u s + 图3 4 全桥逆变电路结构图 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 主电路的工作状态分析 山图3 2 可知，带高频升压环节的逆变器可以分为直流升压( d c d c ) 和交流逆 变( d c a c ) 两部分。d c d c 变换器主要是将太阳能电池组件一侧变化的低压直流变 换成所需要的稳定高压直流，id c a c 变换器将d c d c 部分出来的高压直流逆变成高 品质的j 下弦波交流电。从功能上讲，d c d c 和d c a c 两部分分别处于前后级，d c d c 输出稳定与否将会严重后级的输出质量。下面从电路结构角度分析d c d c 与d c a c 两部分的工作过程。 1 d c d c 主电路工作状态分析 图3 3 所示为正激推挽电路的拓扑结构1 ，电容c 和原边绕组并联，电容c 上的电压u c 始终维持极性“下正上负，大小近似等于输入电压，其稳态运行时 的波形如图3 5 所示，其中g 小g 。为开关管的驱动信号，i 。、i ：分别为变压器原 边w 。和w ：上的电流，u 吲、u 啪分别为开关管漏源极电压。下面详细介绍电路的各个 工作过程： l - r j| 、 _ - - l j 一 i 、 l i 旷 一 门 i zu l 厂 t ot it 2t 3 t 4 t 5t 6 图3 5 正激推挽电路的工作原理波形图 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 在t o - t ，期i 创，如图3 6 ( a ) 所示，在t 。时刻，开关管s 。，导通，s 。关断。电 源电压通过s 。加在绕组w ：上。忽略电容c 上的纹波电压，电容电压即为输入电压 u 由变压器的同名端可以看出，此时w 。和w ：实际上是并联向负载供电的，相当 于两个正激变换器并联工作。 ( 2 ) 在t l - t 。期间如图3 6 ( b ) 所示，t 。时刻，s ，关断，此时丌关管s ，和s 。都处 于关断状态。s 。关断前的瞬间，绕组w ，上的电流i ，大于w 2 上的电流i ：，由于绕组 电流不能突变，所以在s 。关断的瞬间，d ：导通续流。 ( 3 ) 在t 。一t 。期间如图3 6 ( c ) 所示，在这一模式，s 。和s ：仍然处于关断状态。 电源、w 。、c 、w ：组成回路。由于电容c 的电压等于电源电压，所以w 。和w ：中的电 流保持不变。 ( 4 ) 在t 3 - t 。期问如图3 6 ( d ) 所示，t 时刻，开关管s ：导通。此时电源电压通 过s ：加到绕组w 上。电容c 上的电压则通过s ：加在绕组w ：上，两个绕组并联给负 载供电。 ( 5 ) 在t 4 - t 。期间如图3 6 ( e ) 所示，t 。时刻，开关管s ：关断。此时开关管s 。和 s 。均处于关断状态。在s 。关断前瞬间，w ：上的电流i ：大于w 。上的电流i 。，通过电 感上的电流在开关关断前后不能发生突变，因此s 。关断瞬间，d 。导通续流。 ( 6 ) 在t s - t 。期间如图3 6 ( f ) 所示，s 和s 。均处于关断状态。w 。和w ：上的电流 均保持不变直至s ，导通。当s 。导通时，电路进入下一个工作周期。 推挽电路中，必须避免s 。和s 。同时导通，因为如果开关管s 。和s ：同时处于开 通状态，就相当于变压器原边绕组短路。因此，s 。和s ：各自的占空比不能超过5 0 ， 并且要留有死区。 输出电感电流连续时，推挽电路的输入一输出电压关系为 蜘瓮争= 1 ) 推挽电路的占空比定义为 d = 竺盟( 3 2 ) 丁 2 d c a c 主电路工作状态分析 图3 4 所示为单相全桥逆变电路，其主电路的功率器件共有四种工作状态， 如图3 7 所示。 图3 7 中的( a ) 图中功率器件s 、s 。导通，负载两端与d c 侧的电压相等，输 出电感储存能量。 图3 7 中的( b ) 图中功率器件s 、s 导通，电容通过d c 侧来充电，由于输出 湖北工业大学硕士学位论文 滤波器中l 的电流1 i 能随j i ：关的关断发生突然变化，负载电流将通过q 及d 3 组成 的回路续流。 图3 7 中的( c ) 图中功率器件是、墨导通，负载两端承受反向电压，负半周时 反向电流增大。 ( a ) t o t l 等效电路 ( b ) t l t 2 等效电路 ( c ) t 2 t 3 等效电路 ( d ) t 3 t 4 等效电路( e ) t 4 - - t 5 等效电路( f ) t 5 t 6 等效电路 图3 6 正激推挽电路的各个工作状态 图3 7 中的( d ) 图中功率器件是、只导通，电容通过d c 侧来充电，电感中的 电流不能突变，负载电流将通过s ：及d a 组成的回路续流。 图( a ) ，( b ) 工作在正弦波的讵半周期，图( c ) 、( d ) 工作在正弦波的负半周期。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 p - b u s ：9 i + ： u di l p 一 + u d n b u s p - b u s ( b ) l 图3 7 全桥逆变电路工作状态图 3 3 逆变器的数学模型分析 ( d ) 由图3 4 ，可以得到输出电压v o ( j ) 和a 、b 两点电压_ ( j ) 之间的传递函数g ( s ) ) 。篇2 善1 。一1 7 ) g ( s ) 2 i j ljc 厶2 + 二s + l 尺 通过上述推导可以发现，逆变器的状态空间方程的模型为： 1 7 ( 3 - 8 ) b 一 if上tfl，上 + 湖北工业大学硕士学位论文 l i 。一堡垒i 二。 + c 量一屯 l 一 ! 一堡垒k j u - 1 3 ( r + r ( ) c( 尺+ r c ) l ( 3 9 ) 其中，s 、s ，分别为开关管墨、墨的丌关量，开通状态为1 ，关断状态为0 ， 但s 。、s ，不能同时等于l 。这样，可对式3 9 进行离散化，得： 酗换。立 酬。1 ) 【- ( r + 尼f僻+ 足f ( r + r r m j i 上职+ 足) ( 3 - 1 0 ) 荔云：。， = 兰：口a 。2 j - l “o 一( t 1 ) - 。， + b , ( t - 1 ) - s 2 ( t - 1 ) ( b b t 2 c 3 一- - ， 根据各变量之间的相互关系，得到逆变器的等效框图如图3 8 所示。从图中 可以看出，这是一个二阶线性系统，“，矛1 1 i o 为系统的输入。图中z ( s ) 为负载阻抗， 由于负载阻抗的多样性，即便负载上的电压为纯正弦波，负载电流也可能是任意 波形。 1 l l 。 z ( s ) 嗨哦固书- l 肥1 ii 托c l 峭j 图3 8 逆变器的等效框图 由于等效电阻r 很小，逆变器可以看作为一个没有阻尼的二阶振荡环节。这 时，系统对外界的抗干扰能力比较弱，需要通过一定的控制策略来加大整个系统 的阻尼，达到使系统快速稳定的要求。 竺嵋 鱼上郴 一c o 生心 一+一足 湖北工业大学硕士学位论文 3 4 系统主电路参数设计 3 4 1 开关管选型 根据正激推挽变换器的工作原理，在主开关管截止期间，开关管承受的电压 为最高，一般来讲，由于原边绕组与续流绕组匝数相等，所以开关管最高工作电 压为2 v 开关频率为3 2 k h z 左右。另加上裕量，推挽电路中选用的开关管为 i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 公司的型号为i r f 3 2 0 5 的n 沟道增强型功率 m o s f e t ( 5 5 v 1io a ) 。经过升压整流后，通过全桥逆变桥开关管的电压达到近3 4 0 v ， m o s f e t 耐压取直流电压的1 3 倍的余量，即3 4 0 x1 3 = 4 4 2 v ，因此全桥逆变电路中 开关管选取i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 公司的型号为i r f 8 4 0 的n 沟道增强型高压 功率m o s f e t ( 5 0 0 v 8 a ) 。 3 4 2 高频变压器的设计 1 高频变压器数学模型 高频变压器与5 0 t l z 的工频变压器相比，频率提高了几百倍，虽然绕组圈数大 大减少，铜耗、调整率也随之变小了，但在铁芯中损耗的能量随着频率的提高大 大增加，为此，对逆变器中使用的铁芯提出如下要求乜蝴1 ： 高磁感应强度； 高导磁率； 磁损失小； 线包d n - r 及装配容易； 稳定的温度系数。 设磁芯无漏感，理想情况下： v 2 l v , = n 2 i ，f 2 i l = l n 2 ( 3 1 2 ) 原边、副边绕组的漏感分别为 l 脒l = n 2 l g 三脒2 = n 2 2 g 1 2 ( 3 1 3 ) 式3 8 中g 。、g ：分别为原边、副边侧的漏磁导。 图3 9 为高频变压器模型，r 。、c 。为负载。冠、r z 分别为原边、副边绕组的 电阻；k 。、脒：分别为原边、副边绕组漏感；c l 、c z 分别为原边、副边绕组寄 生电容；c 1 ：为原边、副边绕i h j 电容；厶为原边侧的励磁电感；尺。为磁芯损耗 的电阻。 2 变压器的偏磁 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 由于受到i f 、负脉冲电压交替励磁作用，正激推挽肝关变换器的变压器磁芯 的磁状态在一个周期内分别在b h 平面的第一和第三象限内变化。 g ： 惫 二尚尚r 2 ：g 州。蒂一v 干。“ 图3 9 高频变压器模型 变压器原边绕组在前半个周期承受的电压为，磁感应强度的增量为衄+ ； 后半个周期承受的电压为圪，磁感应强度的增量为a b 一( b 从0 到一口。) ；如果 k = 旷，则凹+ = a b 一，此时磁芯正常工作：如果一圪或两方波脉宽不等，则 衄a b 一，此时磁芯会出现偏磁，这种偏磁现象一定