一种长寿命的小型光伏变换器

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烟砚袁
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1 AC-MODULE 最大功率输出的控制策略研究王峰, 何礼高 ( 南京航空航天大学, 江苏南京 10016) 摘要 : 本文基于一种新的功率控制策略, 利用变换器 dc-link 环节中的小电容 Cdc link 吸收系统的波动能量通过建立大信号采样数据模型, 实现对 Cdc link 平均电压的数字控制以保证变换器在稳态条件下输入输出的功率传输比最大 ; 同时, 将电压数字控制器提供的比例系数与电网电压的乘积作为电流滞环比较的参考信号, 保证输出电流功率因数为 1, 使得系统不仅能稳定地输出最大功率而且具有良好的动态特性最后通过仿真进行了验证关键词 : 光伏系统 ; 逆变 ; 功率控制 ; 滞环中图分类号 :TM464;TM615 0 引言近年来随着石油煤等能源的价格不断上扬, 利用可再生能源发电越来越受到人们的重视由于太阳能发电过程中具有清洁无噪声等优点受到越来越多的重视, 一些国家如 : 美国 [1] 德国等纷纷制定了利用太阳能大规模向电网供电的计划 AC-MODUEL 这种小型光伏发电变换器形式由于具有安装方便能实现大规模生产以降低变换器成本等优点正得到人们的日益关注因为这种小型光伏变换器需要直接和 PV-MODULE 安装在一起, 输出直接向电网供电, 所以要具有小体积长寿命等优点目前市场上的 AC-MODUEL 中普遍装有大容量的电解电容, 占据了较大的体积, 影响变换器的使用寿命, 这就明显不符合 AC-MODUEL 的特性为 [] 了减少变换器中所需电容容量, 文献提出了一种反激式 AC-MODUEL, 该变换器虽然能减少变换器中的电容容量, 但是控制电路全部采用模拟方式实现, 控制过程复杂且变换器的效率 [3] 只有 0.63, 文献提出的采用小电容延长变换器寿命的控制方案能在稳态情况下正常工作, 但是未能对动态特性作进一步的分析本文基于一种新型功率控制策略, 在大大减少变换器所需电容容量的同时, 能保证变换器输入输出功率传输比最大化和输出电流功率因数为 1, 并且使系统具有良好的动态特性 1 变换器结构图 1 是本文所采用的拓扑结构, 整个系统主要分为两部分第一部分是直直变换, 对 PV-MODULE 进行最大功率点跟踪, 由功率管 Q1~Q4 变压器 T 二极管 D1~D4 和电容 Cdc link 组成,Q1~Q4 采用移相全桥控制芯片 UCC3895 控制, 谐振电感 Lr 加上变压器的原边漏感和功率管的寄生输出电容 ( 包括变压器原边寄生电容 ) 谐振, 实现所有功率管零电压开通, 减少了开通损耗, 谐振电容 Cr 保证了变压器原边磁复位平衡 ; 第二部分是电流源型逆变器, 把从 PV-MODULE 获取的功率逆变成交流电输送到电网中去, 由 Q5~Q9 D5 D6 和 Lout 组成, 控制开关管 Q5 使输出电感 Lout 中的电流跟踪参考电流, 再经过周波变换器换相输送到电网中, 当电网电压为正时 Q6 Q9 开通 (Q7 Q8 关断 ), 反之电网电压为负时,Q7 Q8 开通 (Q6 Q9 关断 ), 输出电流的幅值要和输入功率相匹配以保持电容的平均电压不变 Cdc link 图 1 光伏变换器电路拓扑

2 退耦环节假设光照强度和周围温度保持恒定,PV-MODULE 输出的电流和电压都是直流量, 所以变换器输入功率 P in 是个常量 AC-MODULE 是直接向电网输送电能, 输出功率表达如下 : P = (1 cos( ωt)) 4 (1) 其中 : V 电网电压峰值 ; I 输出电流峰值 ; ω 电网频率从公式 1 可以看出, 变换器的输出功率可以分为两个部分假设系统没有损耗, 一部分为恒定量, 其大小可表示为 Pin = V I /4, 另一部分为一随时间变化的波动量, 其大小可表示为 Δ p = cos( ωt) / 4, 通过对其积分得到 : Δ E = cos( ωt) dt = sin( ωt) 4 8ω () 由公式可知变换器中存在一定量的波动能量, 一般情况下是采用电容来吸收这些能量, 这就会在电容两端产生频率为 ω 电压纹波, 如果这些电压纹波出现在 PV-MODULE 的输出端, 就会减小 PV-MODULE 的输出功率如图所示, 随着 PV-MODULE 输出端电压在最大功率点电压左右波动, 其输出功率也随着变化, 从而光伏变换器不能稳定的获取最大功率, PV-MODULE 利用率会降低通过计算如果保证 PV-MODULE 输出功率达到最大功率时的 0.98 以上, 其纹波电压的幅值应限制在此时最大功率点电压的 8.5% [4 ] 以下, 然而 AC-MODULE 的输入电压比较小, 一般不超过 40V, 因此纹波电压要限制在 3.4V 以下以往 AC-MODULE 为了达到此要求是在输出端并上大容量的铝电解电容以维持电压足够稳定例如一个 130W 的变换器, 最大功率点电压为 30V, 允许纹波电压大小为.55V, 电网频率为 50HZ, 波动能量最大值为 Δ E = V I / 8ω = 0.07 J, 所需电容容量计算如下 : ΔE * 0.07 Cin = = =.55mF U U ( ) (3) in _max in _min 一定容量的电容存储的能量和其两端电压平方成正比, 通过合理的提高电容两端的电压会大大减少所需电容容量, 本文利用如图 1 中的高压直流链电容 Cdc link 吸收系统的波动能量, 因为 Cdc link 上的平均电压远远高于输入端电压, 所以可以大大减少电容的容量假设 C dclink 两端平均电压为 475V, 允许纹波大小为 10V, 其他条件和上面相同, 通过计算其所需电容容量为 C = 43.1uF, 电容的容量几乎减小了 60 倍 dc link 3 控制策略系统控制框图如图 3 所示, 整个控制电路采用数模结合的方式, 移相全桥电路和电流内环采用模拟方式实现,MPPT 算法和电压外环通过数字芯片控制通过数模结合的方式既简化了控制电路, 同时还满足了控制精度和开关速度的要求 i SC I PV ( u, i ) MPP MPP P MPP P PV U oc U PV 图 PV-MODULE 的电气特性曲线图 3 系统控制框图

3 3.1 DC-DC 部分控制 PV-MODULE 是一个非线性系统, 通常是通过控制 DC-DC 变换器的输出来跟踪最大功率 [5] 点, 文献指出这种方法有一定的缺陷, 系统会存在两个工作点, 且其中之一属于不稳定工作点为了避免该缺点本文采用控制变换器输入电压的方式, 由图可以看出 PV-MODULE 输出电压与输出电流有关, 所以可以通过改变占空比使输入电压与给定值相等从而实现最大功率点跟踪, 该给定值则需要通过 DSP 或单片机执行 MPPT 算法 [6 ] 在这里值得注意的是该占空比和输入电压成反比关系, 即占空比增大输入电压减小, 反之一样 3. 输出部分控制 EPE ( z ) EPV 1 ( z 1) * E GC ( z ) kz ( ) TV ( z 1) E 图 4 逆变部分等效图图 5 系统离散线性模型输出部分等效图如图 4 所示, 电路动态数学模型如下 : dvdclink u Idc = iout dt Cdclink Cdc link (4) diout u 1 = V dclink V sin( ωt) dt Lout Lout (5) 其中 Idc = Pin / Vdc link ;u 代表控制量 :Q5 导通为 1, 截止为 0; V 代表电网峰值电压 ; Vdc link 代表 Cdc link 两端电压 V dclink i out 正是需要控制的变量, 所以输出部分采用双环控制下面分别详细介绍电流环和电压环的设置电流环本文采用滞环控制的方式, 开关频率和滞环宽度需要折中考虑, 以实现最优控制通过反馈电流和参考电流的比较决定了一个开关周期内 Q5 的导通状态为了使输出电流能有效的跟踪电网电压和相位所以本文所选参考电流如式 6, 其中 kt () 为一比例系数由电压环提供, V sin( ω t) 为电网电压 kt () 的设置需要满足两个要求 :1 kt () 每隔一个电网周期需要更新, 保持光伏变换器的输入功率和输出功率相等 ; 为了降低输出电流 i out 的谐波含量, 在一个电网周期 T 内 kt () 基本保持不变 iout _ ref = k() t V sin( ωt) (6) 电压环根据图 4, 假设电流环有效跟踪参考电流, 输出电流也可表示为如式 6 所示系统的动态功率平衡表达式如下 : 1 dvdc () 1 1 () C link t () ()[ sin( )] diout depe t dc link = Ppv t k t V ωt Lout dt dt dt (7) Ppv () t 为 PV-MODULE 输出功率, EPE = Li i Li / CU i Ci /为系统其他无源元件存储的能量, 由式 7 可以看出用 V 代替作为系统的状态变量, 系统可以简化为一阶线性系统 [7] dc link V dclink 假设 Ppv () t 在一个电网周期内变化很小, 根据式 7 可以推导出电网周期平均状态模型, 该模型

4 如下 : 1 dv dclink () 1 PE () C t dc link pv () ()[ sin( )] de t = P t k t V ωt dt dt (8) 由于 kt () 在一个电网周期内变化很小, 所以 L out di out () t / dt 可忽略, 根据式 8, 方程两边同时乘以电网周期 T, 则可以得到系统的电网周期采样数据模型 : k(( n1) T) V T = pv PE PE E ( nt ) E (( n 1) T ) T P (( n 1) T ) E ( nt ) E (( n 1) T ) 其中 : n = , ; E = C V% dclink / % dc link dclink (9) V 为一个电网周期内平均电压, 假定在一个周期内, dc link 存储的能量和其他无源元件存储的能量不变, 等式 9 简化为式 10, k(( n1) T ) V TP pv(( n 1) T) = (10) 等式 10 证明了对输出功率的控制等于对输出电流的控制, 即 kt () 的取值决定了功率传输比对式 9 做 Z 变换得到式 11, Epv k TV E = EPE (11) z1 ( z1) 系统离散线性模型如图 5, 从图 5 可以看出, k 可以当作输入, E 为输出, E * 为给定值, E E 可以看成电压环的扰动量, G 是数字控制环节系统传递函数如式 1, PE pv E C C * c PV PE ( z 1) Gc TV G V T E E ( z1) E = (1) 为了使系统稳态时无静态误差, GC ( z ) 设置为比例积分补偿如式 13, z zpi GC = PI ( z 1) 则传递函数的分母 Dz ( ) 如式 14, PI PI PI (13) Dz ( ) = 4 z ( TV 8) z TV z 4 (14) 通过配置极点的方式保证系统的稳定, 在配置极点时要考虑电网电压的波动范围, 以保证系统在电网电压波动范围内都能稳定, 本文选取 GC ( z ) 如式 15, z 6/5 GC = z 1 (15) 4 仿真及验证本文仿真参数设置如下, 变压器匝比为 1 0, Cdc link 容量为 40 uf, 输入电容 Cin 为 0uF, 输出电感 40mH, 太阳能电池最大输出功率 130W, 开路电压 4V, 短路电流 4.7A, 在标准条件下 (1000W/m^,5 ), 最大功率点电压为 33V, 输出电流为 3.97A 图 6~ 图 7 给出了用 saber4.0 仿真的结果, 图 6(a) 给出了采用本文所提控制策略后, 变换器采用小容量电容时的输入电压波形, 图 6(b) 给出了变换器采用大容量电容时的输入电压波形, 通过两者比较可以看出即使 6(a) 输入电容只有 0uF 也能保持变换器输入端电压稳定从而保证了对最大功率点的稳定跟踪图 7(a) 给出了太阳能电池初始输出功率为 110W,0.44s 后突减到 70W 时 Cdc link 上的电压波形, 图 7(b) 给出了相应的 kt () 的波形, 图 7(c) 给出了相应的电网电压和输出电流的波形, 图 7(d) 给出了当输入功率变化时, 输出电流变化过程的波形通过图 7 可以

5 Cdc link 看出, 平均电压的保持恒定, 变换器的输出电流幅值跟随着输入功率的变化, 保证了系统输入输出功率传输比最大, 同时输出电流有效的跟踪了电网电压且实现了稳定过渡 (a) C in = 0uF 输入电压波形 (b) C =.5mF in 输入电压波形图 6 变换器输入电压波形 (a) C 上电压波形 (b) kt () 波形 dc link (c) 输出电压和电流波形图 7 变换器工作波形 (d) 电流变化过程波形参考文献 1 R. H. Wills, F. E. Hall.The ac photovoltaic module [C]. 5 th IEEE Photovoltaic specialists conference, Washinton, DC, USA, May 1996, pp T. Shimizu, K. Wada, N. Nakamura. A flyback-type sinle phase utility interactive inverter with low-frequency ripple current reduction on the DC input for an AC photovoltaic module system [C]. IEEE PESC, Cairns, Qld., Australia,003, vol.3,pp C. Rodriuez, G. A. J. Amaratuna. Enery control for lon lifetime photovoltaic ac module inverter [C].IEEE PESC, jeju, source korea, 006, 6 pp. 4 S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaabjer.A review of sinle-phase rid-connected inverters for photovoltaic modules [J]. IEEE Trans. On Industry Applications, Oct 005, vol.41, no.5, C. Rodriuez, G. Amaratuna. Dynamic stability of rid-connected photovoltaic systems [C]. IEEE Power Enineerin Society General Meetin, Denver, CO, USA, June 004, pp E. Koutroulis, K. Kalaitzakis, N. C. Voulris. Development of a microcontroller-based photovoltaic maximum power point trackin control systems [J].IEEE Trans. Power Electron., 001, vol. 16, no. 1, pp K. Mahabir, G. Verhese, J. Thottuvelil et al.. Linear averaed and sampled data models for lare sinal control of hih power factor AC-DC converters [C].IEEE PESC, San Antonio,TX,1990,pp Research on control stratey of maximum power output of AC-MODULE Wan Fen, He li-ao (Nanjin University of Aeronautics and Astronautics, Nanjin China) Abstract: This work bases on a new power control stratey, rin all the enery fluctuation in the hih voltae dc-link capacitor Cdc link with small capacitance. A diital controller for the averae voltae of C dclink is desin from a lare-sinal sampled-data model of the system to maximize the steady-state input-output enery transfer ratio; Meanwhile, to make sure the unity power factor of output current, the reference of current hysteresis comparator is from the product of the scale factor that is provided by the diital controller of voltae and the voltae of net. Finally this control stratey is validated with simulation results. Key words: photovoltaic system; invert; power control; hesteresis loop 王峰 (198~), 男, 江苏扬州, 硕士研究生, 研究方向为小功率光伏发电变换器何礼高 (1951~), 男, 高级工程师, 硕士生导师, 从事电源变换和交流调速方面的研究联系方式 : wanfen@nuaa.edu.cn; heliao@nuaa.edu.cn 电话 : 通讯地址 : 江苏省南京市御道街 9 号南京航空航天大学自动化学院智能楼 30

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of 26 2 2009 2 Control Theory & Applications Vol. 26 No. 2 Feb. 2009 : 1000 8152(2009)02 0203 06 Buck-Boost 1,2, 3, 2, 4, 1 (1., 411201; 2., 410083; 3., 411105; 4., 410004) :, Buck-Boost,.,,. :,,,, : Buck-Boost