基于簡化H橋的單相電流型變換器研究

粟 梅，鄧書豪，劉永露，楊 建，韓 華

(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

單相變換器廣泛應(yīng)用于LED燈驅(qū)動(dòng)、太陽能發(fā)電、不可間斷電源、光伏系統(tǒng)以及V2G(Vehicle-togrid車輛到電網(wǎng))等場合［1］。但是單相變換器存在固有的二次功率脈動(dòng)問題［2］，這會(huì)引起直流側(cè)電容電壓或電感電流的低頻振蕩，導(dǎo)致LED燈產(chǎn)生低頻閃爍［3］，光伏板的效率降低［4］，電池負(fù)載過熱［5］等不期望的現(xiàn)象。而在某些特殊的應(yīng)用場合，如V2G系統(tǒng)，要求變換器可以實(shí)現(xiàn)能量在電網(wǎng)和電動(dòng)汽車蓄電池之間的雙向流動(dòng)，還能為電網(wǎng)提供無功調(diào)節(jié)和改善電能質(zhì)量等輔助服務(wù)［6－7］。但傳統(tǒng)的單相變換器應(yīng)用于V2G等電池負(fù)載中時(shí)只能對電池進(jìn)行充電，不能實(shí)現(xiàn)能量的回饋。

針對上面2個(gè)問題，就單相電流型變換器而言，常用的解耦技術(shù)是增加一個(gè)額外的橋臂和一個(gè)解耦電容來消除二次脈動(dòng)功率的不利影響［8－9］，但它需要和整流電路共用一個(gè)橋臂，這使得系統(tǒng)的調(diào)制策略和控制算法變得復(fù)雜;而對于具有雙向能量流動(dòng)功能的單相電流型變換器的研究相對較少。基于此，筆者提出2種基于簡化H橋的單相電流型變換器拓?fù)?，可分別實(shí)現(xiàn)二次功率解耦和將電池中的能量回饋到電網(wǎng)的功能;最后，在原型樣機(jī)上進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性。

1 簡化H橋拓?fù)?/h2>

由于電流型拓?fù)渲休敵鲭娏鞑荒芊聪?，則將標(biāo)準(zhǔn)的H橋拓?fù)溆糜趩蜗嚯娏餍妥儞Q器中時(shí)，開關(guān)器件存在冗余。通過去掉冗余半導(dǎo)體器件，得到如圖1所示的簡化拓?fù)?。根?jù)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析可知，它具有4種開關(guān)狀態(tài)，如圖2所示。開關(guān)狀態(tài)1和3中均只有一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，為續(xù)流模態(tài);開關(guān)狀態(tài)2中有2個(gè)開關(guān)均關(guān)斷，電流由電容正極流進(jìn)負(fù)極流出;開關(guān)狀態(tài)4中2個(gè)開關(guān)均導(dǎo)通，此時(shí)2個(gè)二極管反向截止，電流從電容負(fù)極流進(jìn)正極流出。

圖1 簡化的H橋拓?fù)銯igure 1 Simplified H-bridge topology

圖2 簡化的H橋拓?fù)溟_關(guān)狀態(tài)Figure 2 Switching states of simplified H-bridge

2 二次功率解耦工作原理及控制方法

2.1 二次功率解耦拓?fù)?/h3>

將簡化的H橋拓?fù)浯?lián)到常規(guī)的單相電流型變換器的直流端，可得如圖3所示的二次功率解耦拓?fù)?，直流?fù)載可以是阻抗性負(fù)載或電池負(fù)載。

圖3 簡化的H橋拓?fù)溆糜诮怦頕igure 3 Simplified H-bridge acting as a power decoupling circuit

假設(shè)輸入電壓ug和輸入電流ig為

式中 V為輸入電壓幅值;I為輸入電流幅值;ω為電網(wǎng)電壓頻率。則瞬時(shí)輸入功率可表示為

通過對開關(guān)狀態(tài)的合理選擇可實(shí)現(xiàn)簡化H橋中的電容Cab完全吸收式(3)中的二次脈動(dòng)功率0.5VI cos(2ωt)，從而保證中間直流恒定，即確保輸出功率恒定。

忽略系統(tǒng)中的損耗，則解耦電容電壓變化規(guī)律可表示為

式中 u0是解耦電容電壓的平均值。通過控制解耦電容實(shí)際電壓按式(4)的規(guī)律變化即可完成二次脈動(dòng)功率的吸收。

2.2 用于解耦時(shí)簡化H橋電路的控制方法

當(dāng)簡化的H橋用于解耦時(shí)，解耦電容電壓數(shù)學(xué)模型可表示為

式中 dd表示解耦電路在開關(guān)頻率fs的情況下接入主電路的時(shí)間和工作方式，|dd|/fs表示每個(gè)開關(guān)周期解耦電容Cab接入電路的時(shí)間，dd為正(負(fù))表示解耦電容充電(放電)。開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率的情況下，為了跟蹤式(4)中的參考值，dd可以選擇一個(gè)比例控制器即可。結(jié)合式(5)，可得dd的最終表達(dá)式為

圖4 簡化H橋作為解耦電路時(shí)的控制框圖Figure 4 Control diagram of simplified H-bridge using as a decoupling circuit

3 能量雙向流動(dòng)拓?fù)涔ぷ髟砑翱刂品椒?/h2>

3.1 能量雙向流動(dòng)拓?fù)?/h3>

將簡化的H橋拓?fù)渑c常規(guī)的單相電流型變換器的負(fù)載并聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，其中負(fù)載為電池，電容Cab主要起到濾波的作用。這時(shí)簡化的H橋拓?fù)湎喈?dāng)于一個(gè)電流換相器，用于控制流過負(fù)載電流的方向，以實(shí)現(xiàn)充放電功能。

圖5 簡化的H橋拓?fù)溆糜谀芰侩p向流動(dòng)Figure 5 Simplified H-bridge which can realize bidirectional power flow

當(dāng)系統(tǒng)工作于充電狀態(tài)時(shí)，輸入側(cè)為電網(wǎng)，輸出側(cè)為電池，簡化的H橋工作在開關(guān)狀態(tài)2和續(xù)流狀態(tài)。此時(shí)簡化的H橋相當(dāng)于一個(gè)升壓變換電路，整體看來該系統(tǒng)是一個(gè)buck-boost電路，輸出電壓的范圍較常規(guī)電流型變換器更寬。

當(dāng)系統(tǒng)工作于放電狀態(tài)時(shí)，輸入側(cè)為電池，輸出側(cè)為電網(wǎng)，簡化的H橋工作在開關(guān)狀態(tài)3和續(xù)流狀態(tài)。此時(shí)簡化的H橋起到電流換相的作用并具有降壓的功能，整體看來該系統(tǒng)仍是一個(gè)buck-boost電路。

3.2 用于電流換相時(shí)簡化H橋電路的控制方法

當(dāng)簡化的H橋用于電流換相時(shí)，為了減小損耗，直流電流idc被控制成正弦半波，即

這樣整流級占空比大小固定為I/Idc，簡化了整流級的調(diào)制算法。簡化的H橋電路用以控制每個(gè)開關(guān)周期電池接入主電路的時(shí)間和方式(充電或放電)以達(dá)到維持直流側(cè)電感伏秒平衡的目的，為了使實(shí)際電流值快速跟蹤參考電流，控制器中使用了比例－積分控制器，控制框圖如圖6所示，其中，udc=mV cos(ωt)2為整流級輸出電壓，m為調(diào)制系數(shù)，當(dāng)m為正(負(fù))時(shí)表示能量由電源(負(fù)載)向負(fù)載(源)傳遞。類似地，d2表示電池負(fù)載在開關(guān)頻率fs的情況下接入主電路的時(shí)間和工作方式，|d2|/fs表示每個(gè)開關(guān)周期負(fù)載電池接入電路的時(shí)間，d2為正(負(fù))表示電池充電(放電)。

圖6 簡化的H橋拓?fù)溆糜趯?shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)時(shí)的控制框圖Figure 6 Control diagram of simplified H-bridge which can realize bidirectional power flow

4 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提拓?fù)涞恼_性，筆者在實(shí)驗(yàn)室搭建原型樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置:輸入電壓ug幅值為90 V，頻率為314 rad/s;輸入濾波電感Lf為0.6 mH，輸入濾波電容Cf為20μF。對于解耦拓?fù)洌敵鰹V波電感Ldc為3 mH，解耦電容Cab為90 μF，阻性負(fù)載大小為8.7Ω，u0取為80 V;對于能量雙向流動(dòng)拓?fù)?，考慮到控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，輸出濾波電感Ldc取1.6 mH，由于Cab只起到濾波作用，取20μF即可，電池負(fù)載為120 V/20 AH?？刂菩酒捎玫轮輧x器公司的TMS320F28335，脈沖信號(hào)發(fā)生裝置采用FPGA EP2C8T144C8N。

如圖7所示，圖7(a)是將簡化H橋用作解耦電路時(shí)變換器輸入電壓、輸入電流、解耦電容電壓、輸出電流的實(shí)驗(yàn)波形。中間直流電流參考為4 A，開始時(shí)解耦電路未使能，然后突然給定使能信號(hào)。由圖7(a)可知，由于解耦電路的投入，二次功率被吸收，輸出電流由近似正弦半波變?yōu)榧y波較小的直流電流;解耦電容電壓因?yàn)槲樟硕蚊}動(dòng)功率而按式(4)所描述的規(guī)律變化。這說明了簡化的H橋電路解耦應(yīng)用的可行性。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形Figure 7 Experimental waveforms

圖7(b)和(c)是將簡化H橋用作電流換相器時(shí)變換器輸入電壓、輸入電流、電池電壓、充電電流的實(shí)驗(yàn)波形，其中，Idc設(shè)置參考為4 A。由圖7(b)和(c)可知，充電運(yùn)行時(shí)，輸入電壓與輸入電流同相位，電池吸收能量;放電時(shí)，輸入電壓與輸入電流反相位，電池釋放能量。驗(yàn)證了簡化H橋作為換相器的正確性。值得注意的是，常規(guī)的單相電流型變換器直流側(cè)電壓要小于網(wǎng)側(cè)電壓幅值，而該文提出的電流換相器拓?fù)溥€能起到升降壓的功能，擴(kuò)展輸出電壓范圍。

5 結(jié)語

筆者研究了簡化的H橋拓?fù)湓趩蜗嚯娏餍妥儞Q器中解耦和實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用，并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:將簡化的H橋串聯(lián)到變換器輸出端通過合理的控制，可以有效消除入網(wǎng)側(cè)二次功率脈動(dòng);將簡化的H橋與電池負(fù)載并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)能量反饋回電網(wǎng)，并擴(kuò)展了變換器輸出電壓的范圍。將2個(gè)簡化的H橋用于同一個(gè)單相變流器中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解耦和能量反饋的功能是該文后續(xù)研究內(nèi)容。

［1］Singh B，Chandra A，Al-Haddad K，et al.A review of single-phase improved power quality AC-DC converters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2003，50(5):962-981.

［2］Krein P T，Balog R S，Mirjafari M.Minimum energy and capacitance requirements for single-phase inverters and rectifiers using a ripple port［J］.IEEE Transactions Power Electron，2012，27(11):4 690-4 698.

［3］Krein P T，Balog R S.Cost-effective hundred-year life for single-phase inverters and rectifiers in solar and LED lighting applications based on minimum capacitance requirements and a ripple power port［C］.Conference on IEEE APEC’s 2009，Washington，DC，2009.

［4］Kjaer SB，Pedersen JK，Blaabjerg F.A review of singlephase grid-connected inverters for photovoltaic modules［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5):1 292-1 306.

［5］Lacressonniere F，Cassoret B，Brudny J F.Influence of a charging current with a sinusoidal perturbation on the performance of a lead-acid battery［J］.IEE Electric Power Applications，2005，152(5):1 365-1 370.

［6］Sortomme E，El-Sharkawi M A.Optimal scheduling of vehicle-to-grid energy and ancillary services［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(1):351-359.

［7］劉曉飛，張千帆，崔淑梅.電動(dòng)汽車V2G技術(shù)綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(2):121-127.LIU Xiao-fei，ZHANG Qian-fan，CUI Shu-mei.Review of electric vehicle V2G technology［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(2):121-127.

［8］Bush C R，Wang B A.Single-phase current source solar inverter with reduced-size DC link［C］.Conference on IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，San Jose，CA，2009.

［9］Vitorino M A，Correa M B，Jacobina C B.Single-phase power compensation in a current source converter［C］.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE)，Denver，CO，2013.