新型钳位正向逆变器,适用于输入电压变化较大的光伏电力系统!

   电子分析员        

传统的采用正弦脉宽调制(SPWM)控制的光伏并网逆变器存在buck型转换问题。为了提高输出电压,需要增加行频变压器或升压转换器,导致系统效率低,电路复杂度高。因此,许多电隔离反激逆变器都是采用反激逆变器产生整流正弦波,然后通过桥接解夹来控制极性。然而,反激式逆变器的所有能量都必须暂时存储在变压器的磁化电感器中,从而限制了效率和输出功率。本文提出了一种具有零电压开关和电隔离特性的高效有源箝位正向逆变器。该逆变电路采用正激变换器产生整流正弦波,并结合有源箝位电路对变压器的剩余磁通进行复位,从而形成逆变电路。由于变压器的升压能力,该逆变器适用于输入电压变化较大的光伏并网电力系统。研究人员分析了其稳态工作原理,建立了电路设计的数学方程。最后,他们通过适当的分析和设计,建立了一个实验样机作为实例。实验结果验证了该逆变电路的可行性和令人满意的性能。


相关论文以题为“An Active-Clamp Forward Inverter Featuring Soft Switching and Electrical Isolation”发表在《Applied Sciences》上。


新型钳位正向逆变器,适用于输入电压变化较大的光伏电力系统!


研究背景


如今,由于光伏能源无噪声、无污染、无放射性、取之不尽、用之不竭,光伏并网发电系统越来越受到重视。对于光伏并网系统,需要逆变器将光伏板的直流电压转换为交流电压,然后与电网并联供电。因此,许多专家投入了大量精力研究逆变器的电路结构和控制策略。全桥电压源逆变器是低功率光伏并网系统中常用的拓扑结构。然而,由于它的巴克型转换,一个线频变压器必须插入到逆变器和实用线。这种系统结构大大增加了系统的体积、重量和成本,降低了功率密度。


插入一个升压转换器来提高PV面板的输出电压是另一种解决方案。升压变换器不仅可以调节PV输出电压,还可以实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)。这种两级级联结构的主要优点是对功率变换器的独立控制。它便于优化各级的功能,并对逆变器的输入电压进行调节。然而,缺点是增加了系统电路的复杂性,增加了成本,降低了可靠性。多次能量处理造成的功耗损失会降低系统的整体效率。伪直流链逆变器被提出来改善这些缺点。在这些逆变器中,用直流变换器产生单极性整流正弦波,用线频桥展开电路转换输出电压的极性。由于只进行单一的能量处理,可以降低功耗,提高效率。


在这些高效的伪直流链逆变器中,buck-boost型逆变器被广泛用于实现大范围输入电压波动的光伏并网电力系统的非隔离逆变器。此外,为了获得更高的升压能力和满足电气隔离的安全要求,隔离型DC-DC变换器通常用于设计隔离型伪dc-link逆变器,如反激式变换器。反激式变换器结构简单,易于控制。但是,由于反激式变换器的变压器需要起到储能电感的作用,所以所有的能量都需要暂时储存在变压器中,然后转移到输出负载中,所以它的输出功率和效率受到了限制。


研究目的


为了提高电隔离逆变器的输出功率和转换效率,研究人员提出了正激逆变器,采用正激逆变器代替反激逆变器,产生整流正弦波。然而,由于正激变换器需要变压器的第三个绕组来重置其剩余磁通,因此限制了电源开关的最大占空比,从而降低了变换器的升压能力。双开关正向逆变增加了额外的电源开关、二极管和二次绕组来重置变压器的剩余磁通。变压器可以在第一象限和第三象限工作,但它的体积和总电路成本大大增加。为此,本文提出了一种主动箝位正向逆变器。用辅助开关和钳位电容代替传统的复位绕组,通过钳位电容与磁化电感的谐振来复位残余磁通。除将磁化电感的能量恢复到输入端外,还可以通过零电压开关(ZVS)接通电源开关,减少开关损耗,有效提高逆变器的效率。


电路配置


如前所述,流行的PV并网系统需要一个线频变压器或升压转换器来提高输出电压。它们的系统框图分别显示在图1和图2中。为了提高效率和降低成本,提出了伪直流链逆变器,如图3所示。然而,这些逆变器是非隔离的,这可能无法避免泄漏电流的PV面板。因此,本文提出了一种具有软开关和电隔离的有源箝位正向逆变器。


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图1.PV并网系统与线频变压器。


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图2.两级级联结构光伏并网系统。


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图3.采用伪dc-link结构的PV并网系统。


该逆变器的电路图如图4所示。采用零电压开关的主动箝位正向变换器产生单极性整流正弦波,采用线频开关的全桥展开电路对输出极性进行开关。向前的功率级有源转换器主要由主电源开关Sm1(包括MOSFET Qm1,身体二极管Dm1,寄生电容Cds1),真正的变压器Tx1(包括磁化电感Lm1和理想变压器匝比1:n),远期二极管D1,随心所欲二极管D2,电感L1,辅助开关Sa1(包括MOSFET Qa1和本体二极管Da1)和箝位电容Cc1用于变压器剩余磁通的复位。磁化电感Lm1和钳位电容Cc1的能量交替传递。Sm1和Sa1开关除了能有效地将剩余磁能量回收到输入电源外,还能实现ZVS特性,降低开关损耗。此外,全桥展开电路由电源开关S1、S2、S3和S4,形成和输出滤波器电感Lo和电容器有限公司电源开关S1、S2、S3和S4只换线频率,所以几乎没有开关损耗。


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图4.主动箝位正向逆变器的电路结构。


传统的电压源逆变器是buck型。为了获得高于电厂线路峰值电压的直流输入电压,必须增加升压变换器,导致系统转换效率较低。由于有源箝位正向逆变器同时具有升压和降压功能,因此不再需要升压变换器。该逆变器适用于输入电压低、电压变化宽的场合。此外,由于在主开关Sm1开孔时可以将部分能量直接传输到输出端,因此该逆变器可以有效提高转换效率。由于只有Sm1和Sa1两个开关是高频开关,可以大大降低开关损耗,提高系统效率。


根据开关元件的状态及其电流方向,将有源箝位正向逆变器在一个高频开关周期内的工作状态分为九个状态。每个组件的理论时序图如图5所示,下面将按顺序描述这9种状态。为简化电路分析,做以下假设:


·所有组件都是理想的。


·钳位电容Cc1远大于主电源开关的寄生电容Cds1,变压器的磁化电感Lm1远大于漏电感Lr1。


·电感L1和电容Cf足够大,可以认为输出电压vo和输出电流io在一个开关周期内是恒定的。


·因为死区时间非常短,所以可以忽略。


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图5.一个开关周期内关键元件的理论时序图。


并网系统及控制电路


采用本文提出的有源箝位正向逆变器的光伏并网电力系统电框图如图6所示,主要包括PV阵列、dc-link电容Cdc、有源箝位正向逆变器、系统控制器、负载和效用线。系统控制器的核心是数字信号处理器(DSP) dsPIC33FJ16GS504。除了极快的操作,这个DSP有内置模拟/数字转换(ADC)和多个脉冲宽度调制(PWM)控制信号。由于哈佛结构,它可以分析负载电流分量,并采样电压和电流信号,同时。数字化设计可以简化硬件电路,减少元器件数量,从而实现体积小、重量轻、灵活性高、可靠性高。


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图6.采用主动箝位正向逆变器的并网电力系统的电路图。


结论


本文成功地研制并实现了一种单相有源箝位正向逆变器,采用SPWM控制有源箝位正向变换器产生整流正弦波,采用线频开关全桥展开电路对输出极性进行切换。这是因为只有一个主开关和一个辅助开关进行高频切换,且两者都具有ZVS导通特性,可以有效降低开关损耗,提高效率。利用辅助开关和钳位电容对变压器的剩余磁通进行复位,将磁化电感的能量回收到输入端,有效提高了转换效率。该逆变器配有变压器,满足电气隔离的安全要求,具有适合光伏发电系统的升压能力。一个DSP芯片代替大量的模拟元件来实现一个紧凑的可编程控制电路。实验结果验证了所提出的主动箝位正向逆变器的可行性。该逆变器可应用于光伏并网发电系统,有利于促进可再生能源的发展。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4220/htm


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