应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，该变换器应用于微逆变器中第一级的DC/DC环节，高功率时微逆变器工作于全桥模式，低功率时工作于正激模式，两种情况下变压器的设计参数一致，在大功率和小功率下都能够高效变换，实现微逆变器的高加权效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置，属于电力电子变换器及其控制

技术介绍
微逆变器是光伏发电的一个重要研究方向，相比于组串供电方式和集中供电方式，微逆变器可保证光伏电池工作于最大功率点、模块化设计、可热插拔、冗余性好，可靠性高和安装方便等一系列的优点而广受各界关注。功率变换效率提升一直是光伏微逆变器的一个重要研究方向，为此研究人员提出了多种非隔离型微逆变器和隔离型微逆变器。由于单块光伏电池输出电压较低(25V-50V)，要实现并网，可采用两级式电路结构，升压后再进行逆变，常用的Boost变换器难以高效实现高升压比，因此需要特定结构的高升压比变换器，该类型变换器一般都采用调节耦合电感的匝比实现10倍以上的升压比，但高升压比变换器也需要较多的二极管和无源元件才能实现，而采用高频变压器实现电气隔离的微逆变器可以用较少的功率变换级数完成逆变功能，目前隔离型微逆变器中研究较多的是反激微逆变器，另外正激、推挽、全桥和Zeta微逆变器也有相关研究，隔离型全桥和Zeta微逆变器的电路结构较复杂，不利于小功率情况下电路效率的提高，反激和正激型微逆变器的电路结构较简单，但正激型微逆变器副边电路二极管在峰值电流时换流，造成二极管的寄生振荡和反向恢复损耗，效率难以提升；反激型微逆变器的功率受限于储能变压器，随着单块光伏电池功率增加，因此近年交错反激型微逆变器，但后级必须增加翻转逆变器，这增加了微逆变器的复杂性。目前对新能源发电系统普遍采用加权效率来衡量，如欧洲效率和CEC效率，作为微逆变器主流拓扑的交错反激方案，研究人员提出多种方案来改善其效率，这些方案的主要思想是根据并网功率与电网的工频相位，决定是全部电路还是部分电路投入功率变换，以在低输出功率时降低电路的总损耗，这些方案都取得了较高的加权效率；随着光伏电池光电转换效率的提高，相同面积的光伏电池输出功率也越来越大，目前单块光伏电池已达350W，预计今后将持续增加，受单台反激变换器处理功率所限，交错反激并联的台数将要随着功率的增加而增加，这将极大的增加电路的复杂性；为此，需要颠覆现有的微逆变器，提出在大功率和小功率下都实现高效变换的方案。
技术实现思路
专利技术目的：为保证微逆变器在大功率和小功率下都能实现高效变换，本文提出了一种全桥柔性微逆变器拓扑，该拓扑应用于微逆变器中第一级的DC/DC环节，功率高于100W时微逆变器工作于全桥模式，功率低于100W时微逆变器工作于正激模式，两种情况下变压器的设计参数一致，并且柔性拓扑微逆变器能够实现较高的加权效率。技术方案：一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、全波整流电路以及输出滤波器；其中全桥电路以光伏电池作为输入电源，包含带反并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；第一开关管的源极和第三开关管的漏极连接，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容的正端连接在一起，第二开关管的源极和第四开关管的漏极连接，第三开关管的源极、第四开关管的源极、光伏电池负极、输入滤波电容的负端连接在一起；所述缓冲电感一端接在第一开关管的源极和第三开关管的漏极之间；所述高频变压器包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、输出滤波器的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器的负端连接在一起；一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制装置，其特征在于：包括第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器以及DSP数字控制器，其中DSP数字控制器包括最大功率点跟踪模块、第一占空比预计算模块、第二占空比预计算模块、减法器、信号发生器、PID调节器、第一模式选择开关、限幅器、加法器、第一信号调制器、第二信号调制器、第二模式选择开关；第一电压传感器的输入端连接在光伏电池的两端，第二电压传感器连接在输出滤波器的两端，第一电流传感器串联在第一开关管漏极与光伏电池的正端之间；最大功率点跟踪模块的第一输入端和第二输入端分别连接上述第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端；第一占空比预计算模块的第一输入端接上述第二电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；第二占空比预计算模块的第一输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第二占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第二占空比预计算模块的第三输入端接第二电压传感器的输出端；减法器的正输入端接信号发生器的输出端，减法器的负输入端接第二电压传感器的输出端；PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端接限幅器的输入端；第一模式选择开关的第一输入端接第一占空比预计算模块的输出端，第一模式选择开关的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二占空比预计算模块的输出端；加法器的第一输入端接限幅器的输出端，加法器的第二输入端接第一模式选择开关的输出端，加法器的输出端接第一信号调制器的输入端和第二信号调制器的输入端；第二模式选择开关的第一输入端接第一信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第二信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于全桥模式，第一模式选择开关输出第一占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使四个开关管都处于高频工作状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进正激模式，第一模式选择开关输出第二占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使第一开关管和第四开关管处于高频工作状态，使第二开关管和第三开关管处于关断状态；一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制方法，其特征在于：在桥式工作模式下，变压器前级电路输出为脉宽可变的高频交流电，四个开关管均处于高频工作状态；在改进双管正激工作模式时，仅有两个开关管处于高频工作状态，因此改进双管正激电路节省了两个开关管的驱动损耗，有利于小功率情况下效率的提升。有益效果：采用上述方案后，由于变压器前串联电感电流为关键控制量，且电路输出呈电流源特性，该变换器中所有开关都可实现软开关，并消除了变压器副边整流二极管反向恢复损耗，电路在两种模式下都可实现高效率传输；通过分析还可以得到微逆变器的最大占空比、占空比的预置值、开关管的电流应力以及无源选件参数。附图说明图1为本专利技术实施例的应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器及其数字控制装置框图；图2为本专利技术实施例在桥式工作模式电路图；图3为本专利技术实施例在桥式工作模式时，一个开关周期内电路的主要波形示意图；图4为本专利技术实施例在改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，其特征在于：包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、全波整流电路以及输出滤波器；其中全桥电路以光伏电池作为输入电源，包含带反并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；第一开关管的源极和第三开关管的漏极连接，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容Cin的正端连接在一起，第二开关管的源极和第四开关管的漏极连接，第三开关管的源极、第四开关管的源极、光伏电池负极、输入滤波电容Cin的负端连接在一起；所述缓冲电感一端接在第一开关管的源极和第三开关管的漏极之间；所述高频变压器包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、输出滤波器Cdc的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器Cdc的负端连接在一起。

【技术特征摘要】
1.一种应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器，其特征在于：包括输入滤波电容、全桥电路、缓冲电感、高频变压器、全波整流电路以及输出滤波器；其中全桥电路以光伏电池作为输入电源，包含带反并联二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；第一开关管的源极和第三开关管的漏极连接，第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、光伏电池正极、输入滤波电容Cin的正端连接在一起，第二开关管的源极和第四开关管的漏极连接，第三开关管的源极、第四开关管的源极、光伏电池负极、输入滤波电容Cin的负端连接在一起；所述缓冲电感一端接在第一开关管的源极和第三开关管的漏极之间；所述高频变压器包括原边绕组和两个副边绕组，其中原边绕组的同名端和缓冲电感的另一端连接，原边绕组的异名端连接在第二开关管的源极和第四开关管的漏极之间；全波整流电路包含两个整流二极管，副边第一绕组的同名端与第一整流二极管阳极连接，副边第二绕组的异名端与第二整流二极管阳极连接，第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极、输出滤波器Cdc的正端连接在一起，副边第一绕组的异名端、副边第二绕组的同名端、输出滤波器Cdc的负端连接在一起。2.一种如权利要求1所述的应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制装置，其特征在于：包括第一电压传感器、第二电压传感器、第一电流传感器以及DSP数字控制器，其中DSP数字控制器包括最大功率点跟踪模块、第一占空比预计算模块、第二占空比预计算模块、减法器、信号发生器、PID调节器、第一模式选择开关、限幅器、加法器、第一信号调制器、第二信号调制器、第二模式选择开关；第一电压传感器的输入端连接在光伏电池的两端，第二电压传感器连接在输出滤波器的两端，第一电流传感器串联在第一开关管漏极与光伏电池的正端之间；最大功率点跟踪模块的第一输入端和第二输入端分别连接上述第一电压传感器的输出端和第一电流传感器的输出端；第一占空比预计算模块的第一输入端接上述第二电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第一占空比预计算模块的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；第二占空比预计算模块的第一输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第二占空比预计算模块的第二输入端接第一电压传感器的输出端，第二占空比预计算模块的第三输入端接第二电压传感器的输出端；减法器的正输入端接信号发生器的输出端，减法器的负输入端接第二电压传感器的输出端；PID调节器的输入端接减法器的输出端，PID调节器的输出端接限幅器的输入端；第一模式选择开关的第一输入端接第一占空比预计算模块的输出端，第一模式选择开关的第二输入端接最大功率点跟踪模块的输出端，第一模式选择开关的第三输入端接第二占空比预计算模块的输出端；加法器的第一输入端接限幅器的输出端，加法器的第二输入端接第一模式选择开关的输出端，加法器的输出端接第一信号调制器的输入端和第二信号调制器的输入端；第二模式选择开关的第一输入端接第一信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第二输入端接第二信号调制器的输出端，第二模式选择开关的第三输入端接最大功率点跟踪模块的输出端；当最大功率点跟踪模块输出功率值高于100W时，电路工作于全桥模式，第一模式选择开关输出第一占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第一信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使四个开关管都处于高频工作状态；当最大功率点跟踪模块输出功率值低于100W时，电路工作于改进正激模式，第一模式选择开关输出第二占空比预计算模块的输出信号，第二模式选择开关输出第二信号调制器的输出信号，该信号控制四个开关管的开关状态，使第一开关管和第四开关管处于高频工作状态，使第二开关管和第三开关管处于关断状态。3.如权利要求2所述的应用于光伏微逆变器的柔性拓扑变换器的数字控制装置，其特征在于：设第一电压传感器输出信号电压为UPV_f，第二电压传感器输出信号电压为UDC_f，电路可实现的最大功率为Pmax，最大功率点跟踪模块输出信号为P，当P高于100...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴云亚，阚加荣，许志华，商志根，冯赛非，薛迎成，姚志垒，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32