一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能变换装置中的控制技术领域，特别是一种单相交错反激逆变器输 入电流脉动抑制的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 光伏电池组件通过光伏并网发电系统将直流电转变成交流电，并最终实现并网运 行。光伏并网发电系统有两个基本功能：一是将光伏电池组件的输出转换为交流电连接到 电网，二是实现光伏电池组件的最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT)。 光伏并网发电系统直接影响到整个太阳能光伏发电系统的发电量及运行稳定性、高效性、 安全性，是整个系统的关键设备。对于两级式单相光伏并网发电系统，其输入功率相对平 直，而输出功率是脉动的，该功率脉动频率较低，是输出电压频率的两倍，需要母线电容来 平衡瞬时输入功率和输出功率，母线电容电压即直流母线电压以两倍工频频率脉动，而两 级式单相光伏并网发电系统中，其前级升压变换器的MPPT控制和后级全桥逆变器的控制 (包含直流母线电压平均值控制和并网电流控制）是独立的，因此前级升压变换器的输入 电流即光伏电池组件的输出电流也以两倍工频频率脉动，该脉动不仅降低了MPPT跟踪精 度，也会恶化电磁干扰（ElectroMagneticInterference，EMI)和光伏电池的发热，进而影 响电池的寿命。现有的技术主要应用于中或大功率非隔离型的变换器，或者通过增加格外 的储能变换器来实现输入电流脉动抑制，方法比较复杂，且安全性和可靠性比较低。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于两级式隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网 发电系统输入电流脉动的装置及方法，能够减小输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的 精度，提高EMI性能，从而减少光伏电池组件的发热并延长其寿命。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制 的装置，该装置基于小功率隔离性微网逆变器，具体包括主功率电路、驱动电路、信号调理 电路、数字处理控制模块、辅助供电电路、显示单元，其中数字处理控制模块包括AD采样电 路、MPPT计算单元、前级控制单元、低频抑制单元和后级控制单元；
[0005] 所述主功率电路包括顺次并联的光伏电池组件、交错反激变换器、母线电容Cd。、全 桥逆变器和电网源v。;其中主功率电路中光伏电池组件的输出电压和电流、直流母线电压、 全桥逆变器的输出电压和电流均接入AD采样电路，AD采样电路的输出端分别接入MPPT计 算单元、低频抑制单元和后级控制单元；低频抑制单元的输出端接入MPPT计算单元，MPPT 计算单元将反馈信号输出给低频抑制单元；低频抑制单元的输出端接入前级控制单元，前 级控制单元将反馈信号输出给低频抑制单元；前级控制单元的输出端接入信号调理电路， 信号调理电路的控制输出端通过驱动电路接入交错反激变换器；后级控制单元的输出端接 入信号调理电路，信号调理电路的控制输出端通过驱动单元接入全桥逆变器；所述辅助供 电电路的输出端分别接入驱动电路、信号调理电路、数字处理控制模块、显示单元的电源输 入端；所述显示单元与数字处理控制模块的通信端相连接。
[0006] -种单相交错反激逆变器输入电流脉动抑制的方法，该方法基于两级式隔离性交 错反激逆变器实现光伏并网发电系统输入电流脉动抑制，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，在数字处理控制模块中创建MPPT计算单元、前级控制单元、低频抑制单元 和后级控制单元；
[0008] 步骤2,AD采样电路分别采集主功率电路⑴中光伏电池组件的输出电压和电流 输入到MPPT计算单元、采集主功率电路中直流母线电压输入到低频抑制单元、采集主功率 电路中全桥逆变器的输出电压和电流输入到后级控制单元；
[0009] 步骤3,数字处理控制模块的MPPT计算单元根据AD采样电路采集的光伏电池组 件输出电压电流反馈信号进行最大功率跟踪运算，输出前级反激变换器的最大功率占空比 dMpPT;
[0010] 步骤4,数字处理控制模块的后级控制单元根据AD采样电路采集的反馈信号进行 比较运算，处理得出光伏并网发电系统后级全桥逆变器当前的占空比D，实现后级的电压电 流双闭环控制；
[0011] 步骤5，低频抑制单元将AD采样电路采集到的直流母线电压以及MPPT计算单元反 馈的输入电压电流信号进行运算，得到前级交错反激变换器最大功率占空比dMPPT的补偿占 空比，经低频抑制单元对步骤3中输出的交错反激变换器最大功率占空比dMPPT进行调 整，得到交错反激变换器的当前占空比d实现前级的MPPT闭环控制；
[0012] 步骤6,数字处理控制模块将所得光伏并网发电系统的输入电压电流、输出电压电 流送入显示单元实时显示。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)基于隔离性交错反激变换器，能应用 于小功率微网逆变器；（2)通过Freescale芯片MC56F8257实时调整前级反激变换器电路 的控制占空比，不增加额外的硬件成本，而且不依赖于主功率系统参数和功率等级；（3)方 法简单可靠且安全系数高，能够减少或完全抑制输入侧的电流低频脉动，提高MPPT跟踪的 精度，改善EMI性能；(4)减少了光伏电池的发热并延长其寿命，具有重要的工程应用价值。
【附图说明】
[0014] 图1是单相交错反激逆变器系统的主功率电路图。
[0015] 图2是单相交错反激逆变器系统及其控制电路示意图。
[0016] 图3是单相交错反激逆变器系统开关周期中输入电压、输入电流、母线电压的仿 真工作波形图，其中（a)是输入电流脉动抑制前输入电流ipv、直流母线电压^。和输出电压 V。波形图，（b)是输入电流脉动抑制后输入电流ipv、直流母线电压^。和输出电压Vc]波形 图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0018] 本发明提供一种基于两级式隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网发电系统输 入电流脉动的装置及方法。
[0019] 1、前级交错反激占空比的理论推导
[0020] 如图1所示，当输出功率因数为1时，定义电网电压Vc](t)和电流ijt)为：
[0021] vD(t) =VDsin〇t,iD(t) =IDsin〇t(1)
[0022] 其中V。，I。为输出电压、电流幅值；《为系统角频率，t为时间。
[0023] 则瞬时的输出功率为：
[0024]
(2)
[0025] 从式⑵可知，瞬时的输出功率Pci(t)的峰峰值为VJ。，频率为Vc](t)两倍的正弦 变化。若系统无其他功率损耗，则输入功率Ppv等于输出平均功率P。，其值为VJc/2。
[0026] 若并网逆变器工作在最大功率点，而且此时一个工频周期内输入输出功率平均值 相等，即Ppv=P。。母线电容的功率Pc(t)为
[0027] pc(t) =PPV-p0=P0-2P0sin2〇t=P0cos(2〇t) (3)
[0028] 前级交错反激变换器和后级全桥逆变器的控制是相对独立的，因此输入电压vpv 和输入电流ipv(t)以频率为Vc](t)两倍的正弦变化。
[0029] 根据电解电容的能量与其电压关系，可知：
[0030]
(4)
[0031] 那么瞬时母线电压vd。⑴可表示为
[0032]
[0033] 母线电容容值与输出功率、母线电压的关系为
[0037] 根据式（7)，公式（5)可以简化为：
[0038]
(8)
[0039] 从公式⑶可得，母线电压的脉动值AVd。为：
[0040]
(9)
[0041] 从公式（9)可以看出，母线电压的纹波AVd。与输出功率P。、母线电容容值Cd。、母 线电容电压平均值Vd。有关，且以频率为v^两倍的正弦变化。
[0042] 2、前级交错反激变换器占空比补偿模型的理论推导
[0043] 工作在电流连续模式下，反激变压器的输入电压和输出电压成线性比。假定前级 反激变换器的占空比d在一个工频周期内保持不变，变压器的输入与输出关系为：
[0044]
(10)
[0045] 式中为反激变压器的原边绕组匝数，N2为反激变压器的副边绕组匝数，N为副 边绕组N2与原边绕组匝数Ni之比。
[0046] 在最大功率点模式下，光伏电池输出功率恒定即系统输入功率Ppv为一恒定值。假 设输入电流的脉动值AipvS〇,那么输入电压的脉动值AVpv也为0,输入电压vpv(t)为一 恒定值即等于其平均值Vpv，即V(t) =Vpv，从式（5)和（10)可得，瞬时反激占空比d(t)可 表示为
[0047]
(11)
[0048] 为了推导方便，瞬时母线电压^。⑴又可以表示为：
[0049]vdc(t) =Vdc+AVdcsin2〇t(12)
[0050] 由公式（11)和公式（12)，可得补偿后的占空比为
[0051]
(13)
[0052] 进而瞬时反激补偿占空比d(t)可表示为，
[0055] 其中，dMPPT是调节系统使太阳能电池板在反激最大功率点时的占空比，d"pple (t)是 占空比补偿变量。从式（16)可以看出，占空比补偿变量cUpplJt)与输入电压平均值Vpv、母 线电压平均值Vd。以及母线电压纹波AVd。有关。
[0056] 3、本发明基于隔离性交错反激变换器的抑制光伏并网发电系统输入电流脉动的 装置及方法
[0057] 结合图2,本发明是交错反激变换器系统输入电流脉动的装置，该装置基于小功率 隔离性微网逆变器，采用两级式隔离型交错反激变换器抑制输入电流脉动，具体包括交错 反激变换器和全桥逆变器组成的两级式主功率电路1、驱动电路2、信号调理电路3、数字处 理控制模块、辅助供电电路9、显示单元10，其中数字处理控制模块包括AD采样电路4、MPPT 计算单元5、前级控制单元6、低频抑制单元7和后级控制单元8;
[0058]所述微网逆变系统的主功率电路1包括顺次并联的光伏电池组件、交错反激变换 器、母线电容cd。、全桥逆变器和电网源V