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      順時電流法的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

      2013-10-16 06:30:26郭殿林
      黑龍江科技大學學報 2013年6期
      關鍵詞:單相并聯(lián)基準

      郭殿林

      (黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院,哈爾濱 150022)

      隨著光伏發(fā)電技術的迅猛發(fā)展,光伏電源正在由獨立運行向并網(wǎng)發(fā)電的方向發(fā)展[1]。針對單級式光伏發(fā)電技術控制目標多,容易相互沖突,難以兼顧的缺點,兩級式光伏并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應用,成為當前光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的標準應用形式之一[2]。其直流鏈逆變器是一種采用高頻 DC-DC變換器將光伏陣列模塊產(chǎn)生的電壓放大,然后通過DC-AC逆變器將DC-DC變換器產(chǎn)生的直流電流轉(zhuǎn)換成正弦交流電流注入電網(wǎng)的逆變器。考慮系統(tǒng)的成本、效率及可靠性等因素,筆者提出采用改進型雙路交錯并聯(lián)雙管正激變換器作為兩級式光伏并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中的直流鏈變換器,單相全橋為單相逆變器,輸出采用LC濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

      1 工作原理

      系統(tǒng)DC-DC變換器交替工作,向副邊傳輸能量,通過二極管D1和D2或D3和D4向電源回饋能量,實現(xiàn)鐵芯磁復位,電路結(jié)構(gòu)簡單;并且主功率管關斷期間只承受電源電壓,在同樣開關頻率下,輸出濾波電感上電壓的頻率提高了一倍,這樣減小了輸出濾波電感的體積;并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使每個并聯(lián)支路流過更小功率的電流,提高了系統(tǒng)的可靠性。采用F2812作為直流變換器直流電壓變換和功率跟蹤控制的核心,通過采集光伏陣列輸出的電壓和電流,按照最大功率點跟蹤的算法,實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定。其原理如圖1所示。

      圖1 交錯并聯(lián)雙管正激拓撲原理Fig.1 Interleaving two-transistor forward topology

      圖1所示為具有LC無損吸收電路的改進型交錯并聯(lián)雙管正激變換器,交錯并聯(lián)雙管正激變換器的工作原理在文獻[3-4]中已有論述,具體的工作的波形如圖2所示。Ugs1為開關管的驅(qū)動信號,Udc為開關管漏源極間電壓,UT為變壓器原邊電壓波形,UD1為二極管電壓波形,ILM為變壓器原邊電流,UC為LC無損吸收電路電容兩端電壓波形,IL為諧振電感的電流。該電路的改進在于將開關管雙并聯(lián),副邊增加了RCD尖峰干擾信號的抑制電路,對開關管進行了保護,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,為后級逆變器提供了穩(wěn)定的直流電壓。

      圖2 LC無損吸收電路工作原理波形Fig.2 Wave of LC lossless snubber circuit

      2 控制策略

      為了實現(xiàn)逆變器輸出電流并網(wǎng),防止電網(wǎng)電壓倒灌,直流母線電壓大于輸出電壓,直流母線電壓為400 V,該直流變換器的控制采用TI公司的DSP為控制器,利用MPPT調(diào)節(jié)使最大功率點穩(wěn)定,具有初步估計的優(yōu)點。雖然寄生參數(shù)的諧振會使變壓器出現(xiàn)小范圍的雙向磁化,但由于該電路諧振參數(shù)均較小,因此,變換器最大占空比取為0.5,兩個并聯(lián)的雙管正激變換器輪流導通,形成互補關系,利用DSP中事件管理器中定時器1產(chǎn)生PWM脈沖,由PWM1和 PWM2輸出互補脈沖,PWM1驅(qū)動 Q1、Q2、Q3、Q4,PWM2驅(qū)動 Q5、Q6、Q7、Q8。

      最大功率點跟蹤(MPPT)電導增量法是根據(jù)光伏陣列模塊P-U曲線最大值PMPP處的斜率為零得到的方法[5-8]。有:

      3 設計方法

      圖3 導納增量法的控制流程Fig.3 Control flow chart of conductance increment method

      單相光伏并網(wǎng)逆變器采用單相全橋為主電路,輸出濾波為LC濾波,控制策略通過采樣電網(wǎng)電壓調(diào)制的方波信號,輸出正弦基準信號,測量輸出的逆變電壓與基準正弦信號比較,對誤差進行PI調(diào)節(jié),PI調(diào)節(jié)輸出作為并網(wǎng)電流的基準電流,該電流與電感電流和輸出電流的和作比較,進行比例調(diào)節(jié)輸出與三角波比較產(chǎn)生PWM波。具體PSIM仿真控制原理如圖4所示。

      圖4 仿真控制原理Fig.4 Simulation control principle

      3.1 D/A的設計

      正弦基準信號的產(chǎn)生通過DSP與D/A來實現(xiàn),D/A采用MCP4821,該器件為單通道12位緩沖電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。具有SPI兼容串行外設接口,器件內(nèi)部具有高精度電壓基準源(Uref=2.048 V),通過設定增益選擇選項位將器件的滿量程配置為4.096 V。D/A輸出電壓波形通過二階有源濾波電路變?yōu)檎一鶞孰妷盒盘?,基準正弦波產(chǎn)生電路如圖5所示。

      圖5 基準正弦波產(chǎn)生電路Fig.5 Circuit of reference sine wave

      3.2 并網(wǎng)鎖相環(huán)

      該系統(tǒng)采用軟件進行鎖相,通過將電網(wǎng)電壓變換為方波信號,利用DSP的捕獲中斷實現(xiàn)電流鎖相跟蹤控制。當DSP發(fā)生捕獲中斷時,首先讀取捕獲寄存器的值,計算頻率是否在工頻范圍內(nèi),當捕獲計算頻率值超過這個范圍時則繼續(xù)捕獲判斷,在幾個上升沿后確定為捕獲到工頻后即輸出正弦基準信號。由于信號處理的延遲和濾波電路的存在,逆變器并網(wǎng)時,逆變電壓滯后于電網(wǎng)電壓一定時間,除了軟件上改進外,可以通過調(diào)節(jié)交流信號的過零點和增加輸出電流的反饋等,可以改善輸出電壓和電流的跟蹤效果。

      4 結(jié)果與仿真

      實驗樣機變換器功率為3 kVA,直流變換器變壓器T1、T2原邊匝數(shù)為25匝,副邊匝數(shù)為53匝,變壓器骨架為EE55,開關頻率為50 kHz,開關管Q1-Q8為 SPW47N60C3,諧振電感 L1、L2為60 mH,原邊LC無損吸收電路二極管 D1-D6,D11-D16為MUR1560,電容C1-C4為103/3 kV;副邊整流二極管 D21、D22、D27、D28為 RHRG30120,反相恢復二極管D23、D25為 DES160-10A,LC 濾波電路中二極管D24、D26為 MUR15120,電感 L3為 1.2 mH,電容 C7、C8為 103/3 kV,C11、C12為 630 μF/450 V。逆變器輸出電感為1.1 mH,電容為220 μF。圖6為直流變換器變壓器原邊和吸收電容的PSIM仿真波形,圖7為對應的實驗波形,圖7a橫坐標每格為5 μs,縱坐標每格為55 V。圖7b橫坐標每格為5 μs,縱坐標每格為100 V。圖8為逆變器仿真和實驗波形。

      圖6 電壓仿真波形Fig.6 Simulation wave of circuit

      圖7 電壓波形Fig.7 Experiment wave of circuit

      圖8 逆變器的并網(wǎng)仿真和實驗波形Fig.8 Experiment and simulation wave of inverter grid-connected

      通過交錯并聯(lián)正激變換器的PSIM仿真波形可以看出交錯并聯(lián)正激變換器理論分析的正確性,并網(wǎng)的仿真波形和實驗的波形充分驗證了瞬時電流法控制策略的可行性。

      5 結(jié)束語

      采用兩路交錯并聯(lián)雙管正激變換器,實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流變換。功率點跟蹤統(tǒng)計表明實現(xiàn)了MPPT,電感電流與輸出電流的瞬時反饋實現(xiàn)了輸出電壓和電流的單位功率因數(shù)以及輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓。仿真和實驗結(jié)果表明,單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)成功,且控制方法簡單可靠,變換器的效率達到95.6%,具有一定的實用價值。

      [1]SICHENG CHENG WANG,SHI JIE YU.Development of a 3W dispatching grid-connected inverter[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2001,22(1):17-20.

      [2]蔣燕君.單相兩級式光代并網(wǎng)功率變換器的研究[D].杭州:浙江大學,2006.

      [3]李建婷.交錯雙管正激變換器的研究[D].武漢:華中科技大學,2006.

      [4]FENG HAN,DEHONG XU,LEE Y S.Comparision of interleaving methods of two-transistor forward converter[J].Proc of IEEE PEDS,1999,14(5):632-637.

      [5]徐鵬威,段善旭,劉 飛,等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術,2007,41(5):3-5.

      [6]陳 劍,趙爭鳴,袁立強,等.光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術的比較[J].清華大學學報,2010,50(5):700-704.

      [7]郭殿林,王 歡,陳國民.級聯(lián)型多電平變換器單元電路控制策略仿真[J].黑龍江科技學院學報,2012,22(6):621-625.

      [8]ISMAIL HOSSAIN MD,SHAKIL AHAMED KHAN,SHAFIULAH MD,et al.Design and implementation of MPPT controlled grid connected photovoltaic system[C]//2011 IEEE Symposium on Computers & Informatics,New York:IEEE Press,2011:284-289.

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