一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器及控制方法
【專利摘要】一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于它包括太陽能電池板模塊、移相全橋ZVZCS?PWM?DC/DC變換器模塊、蓄電池模塊、負載模塊、PWM信號觸發(fā)模塊以及相移諧振控制器模塊；其控制方法包括：信號采集、處理、預(yù)算、調(diào)節(jié)、輸出；其優(yōu)越性在于：①簡單實用，可操作性強；②損耗小，抗噪聲能力強，計算時間短；③轉(zhuǎn)換效率都大幅度提高；④工程上易于實現(xiàn)。
【專利說明】一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器及控制方法(-)【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)光伏發(fā)電技術(shù)與電力電子技術(shù)的交叉領(lǐng)域，特別是一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器及控制方法。
(二)【背景技術(shù)】:
[0002]隨著環(huán)境污染的加劇以及傳統(tǒng)能源的快速消耗，近年來新能源產(chǎn)業(yè)備受矚目，其中光伏發(fā)電更是得到了快速發(fā)展。光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于典型的非線性電力系統(tǒng)，系統(tǒng)中的光伏變換器是具有非線性特性的電力電子器件，隨著科技的不斷進步，常規(guī)光伏變換器隨著開關(guān)頻率的不斷提高，不可避免的就會存在許多缺陷，因此，對于光伏變換器的研究得到了廣泛的關(guān)注。
[0003]目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的的DC/DC變換器大多應(yīng)用于Buck、Boost變換器，但這兩種變換器只適用于小功率場合。而移相全橋DC/DC變壓器更適用于中大功率場合；移相控制的全橋PWM變換器是比較常見的直直變換器電路拓撲形式之一，通過引入諧振過程，使功率開關(guān)管能進行零電壓開通和零電壓關(guān)斷，不僅大幅度減小了變換器的尺寸重量、為提高變換器的效率打下了堅實的基礎(chǔ)，而且大大降低了系統(tǒng)的開關(guān)損耗、消除了系統(tǒng)的開關(guān)噪聲、有效減少了系統(tǒng)運行過程中的電磁干擾，同時也使變換器的開關(guān)頻率也得到大幅度的提升。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種`基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器及控制方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，是一種控制損耗小，可以消除系統(tǒng)的開關(guān)噪聲，提升了變換器的開關(guān)頻率，且對運行情況下的光伏系統(tǒng)變換器進行控制，提高了光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率的變換器。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于它包括太陽能電池板模塊、移相全橋ZVZCS PWM DC/DC(移相全橋零電壓零電流開關(guān)脈沖寬度調(diào)制直流變直流電壓變換器)變換器模塊、蓄電池模塊、負載模塊、PWM信號觸發(fā)模塊以及相移諧振控制器模塊；其中，所述移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸入端采集太陽能電池板模塊的輸出信號以及PWM信號觸發(fā)器的輸出信號，其輸出端連接蓄電池模塊的輸入端和相移諧振控制器模塊的輸入端；所述蓄電池模塊的輸出端與負載模塊的輸入端連接；所述相移諧振控制器的輸入端連接移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸出端，其輸出端與PWM信號觸發(fā)模塊的輸入端連接。
[0006]所述移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊由電壓源Vin、功率開關(guān)管Gl、功率開關(guān)管G2、功率開關(guān)管G3、功率開關(guān)管G4、二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、整流二極管DRl、整流二極管DR2、整流二極管DR3、整流二極管DR4、電容Cl、電容C3、電容Cb、電容Cf、電感Lf、電感Lr、電感R0、高頻變壓器xfml2組成；其中，所述功率開關(guān)管Gl的輸出端連接電壓源Vin的正極；所述功率開關(guān)管G3的輸入端連接電壓源Vin的負極；所述二極管Dl和二極管D3分別與電容Cl和電容C3并聯(lián)，且分別反并聯(lián)于功率開關(guān)管Gl和功率開關(guān)管G3呈反并聯(lián)連接；所述功率開關(guān)管Gl的輸入端和功率開關(guān)管G3的輸出端共同連接電容Cb ;所述電容Cb另一端通過電感Lr與高頻變壓器xfml2連接；所述功率開關(guān)管Gl的輸出端連接功率開關(guān)管G2的輸出端；所述功率開關(guān)管G2的輸入端通過二極管D2的輸入端與功率開關(guān)管G4的輸出端連接；所述功率開關(guān)管G3的輸入端連接二極管D4的負極；所述二極管D4的正極連接功率開關(guān)管G4的輸入端；所述二極管D2的負極和功率開關(guān)管G4的輸出端共同連接高頻變壓器xfml2 ;所述高頻變壓器xfml2另一側(cè)的一端分別連接整流二極管DRl的正極和整流二極管DR3的負極，而另一端分別連接整流二極管DR2的正極和整流二極管DR4的負極；所述整流二極管DRl和DR2的負極共同連接電感Lf ;所述電感Lf的另一端連接電容Cf與電感RO ;所述整流二極管DR3和DR4的正極共同連接電容Cf與電感RO的另一端；電容Cf與電感RO并聯(lián)。
[0007]所述相移諧振控制器模塊由數(shù)據(jù)采樣單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、主控制器單元、數(shù)據(jù)存儲器單元以及控制信號發(fā)生器單元組成；其中，所述數(shù)據(jù)采樣單元的輸入端采集移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸出電壓信號，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入端；所述主控制器單元的輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出端，其輸出端連接控制信號發(fā)生器單元的輸入端，且所述主控制器單元還與數(shù)據(jù)存儲器單元呈雙向連接；所述控制信號發(fā)生器單元的輸入端連接主控制器單元的輸出端，其輸出端連接PWM信號觸發(fā)器單元輸入端。
[0008]所述A/D轉(zhuǎn)換單元采用帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次近似來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化的芯片ADC0809。
[0009]所述數(shù)據(jù)存儲器單元采用可以同時讀寫且斷電數(shù)據(jù)不丟失的Flash Memory閃存型存儲器。
[0010]所述主控制器單元采用UC3875控制芯片。
[0011]—種基于相移諧振控制器的光伏系統(tǒng)變換器的控制方法，其特征在于它包括以下步驟:
[0012]⑴太陽能電池板模塊輸出的基準電壓信號UMf (s)進入移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊，在移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊中，基準電壓Uref(S)與變換器經(jīng)過分壓后的輸出電壓Utl(s)相比較生成電壓誤差信號，誤差信號經(jīng)過變換器的調(diào)節(jié)，其輸出作為變換器的基準電流IMf(s)；
[0013]⑵在移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊中，高頻變壓器副邊繞組的交流電流信號經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過RC低通濾波器抑制噪聲進行采樣輸出，得到的輸出濾波電感電流采樣信號與變化器的基準電流IMf(s)進行比較，經(jīng)過變換器的調(diào)節(jié)，其輸出信號Utl(S)直接進入相移諧振控制器模塊中的數(shù)據(jù)采樣單元及蓄電池模塊和負載模塊；
[0014]⑶數(shù)據(jù)采樣單元采集移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器輸出的電壓信號U。(S)，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存入數(shù)據(jù)存儲器，以備調(diào)取信號數(shù)據(jù)；
[0015]⑷經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換的信號進入住控制器單元，與鋸齒波進行比較，通過控制信號發(fā)生器單元控制PWM產(chǎn)生，為PWM信號觸發(fā)器提供驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)占空比，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。
[0016]本發(fā)明的工作原理:
[0017](I)移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器設(shè)計，如圖2所示為移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。其中，G1~G4為變換器功率開關(guān)管，G1^G3組成超前橋臂，在開通時處于零電壓狀態(tài)；g2、g4組成滯后橋臂，在關(guān)斷時處于零電流狀態(tài)。Cb為阻斷電容，它的作用是使初級電流復位辦和D3分別是G1和G3的反并聯(lián)二極管，C1和C3分別是G1和G3的并聯(lián)寄生電容。Lf為輸出濾波電感，Cf為輸出濾波電容，Lr為變壓器的漏感，xfml2為高頻變壓器，DR1~DR4為副邊整流電路的整流二極管；移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器是移相全橋ZVS PWM變換器和移相全橋ZCS PWM變換器的混合，其特點為:超前橋臂仍然和ZVS一樣，利用功率開關(guān)管的并聯(lián)寄生電容來實現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)；而滯后橋臂功率開關(guān)管則實現(xiàn)了 ZCS，滯后橋臂開關(guān)管并不再并聯(lián)電容，從而避免了開關(guān)管開通時電容釋放的能量增大開通損耗；這種移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器不僅可以大幅度降低電路內(nèi)部的環(huán)流能量、減小功率元器件的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲、提高變換器的整體效率，還可以減小副邊占空比的丟失、提高最大占空比，而且該拓撲可以在很寬的輸入和負載變化范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，在各中大功率場合得到了廣泛的應(yīng)用；為了更好的分析，先做以下假設(shè):所有功率元器件(包括二極管、功率管、電容、電感等)都為理想元件；隔直電容Cb足夠大；開關(guān)管并聯(lián)二極管值相等，即C1=C3=C; ；Lf ^ Lr,即輸出濾波電感遠大于變壓器漏感；當G1和G4導通時，負載電流給阻斷電容Cb充電。當匕(或G3)關(guān)斷，G3 (或G1)的反并二極管D3.(或D1.)導通后，變換器工作在零狀態(tài)，Cb上的電壓使原邊電流“減小到零，從而實現(xiàn)G2和G4的零電流開關(guān)。在零狀態(tài)時，ip減小到零后不能繼續(xù)反方向增加，因此必須切斷ip的反向通路。D2.和04.就是用來在零狀態(tài)時阻止ip反方向流動的；在、這個時刻，開關(guān)管61、64都是導通的，高頻變壓器原邊電流ip給阻斷電容Cb充電。這時變壓器原邊電流有最大值，為:ip(l=IQ/K，阻斷電容Cb的電壓為Ua (t0)o其中，K為變壓器原副邊繞組匝數(shù)比；
[0018](2)控制系統(tǒng)反饋環(huán)路的設(shè)計:為了使移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器具有良好的穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)速度，一般要為其控制系統(tǒng)設(shè)計性能良好的反饋環(huán)路。開關(guān)變換器主要分為開環(huán)反饋和閉環(huán)反饋兩種控制模式，對于主要應(yīng)用于中大功率場合的移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器來說，一般采用閉環(huán)反饋控制模式；閉環(huán)反饋控制主要分為單環(huán)控制和雙環(huán)控制兩類，其中單環(huán)控制又稱為單環(huán)電壓型控制，雙環(huán)控制又稱為電流型控制(或電壓、電流雙環(huán)控制)；單環(huán)電壓型控制發(fā)展較早，且它只有一個電壓反饋閉環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)；但是其動態(tài)響應(yīng)速度較慢，而且采用該控制方法在瞬態(tài)過程中可能會導致系統(tǒng)的輸出電壓大幅度波動，從而造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；而雙環(huán)控制很好的解決了單環(huán)控制的不足之處，它不但具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度，而且當負載發(fā)生突變時，能較好的維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在本專利中，即采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方法；在該控制系統(tǒng)中，電壓外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器都作用于同一控制系統(tǒng)，它們之間必然會相互影響，因此在設(shè)計時，首先要獲得穩(wěn)定的電流內(nèi)環(huán)后，通過對它其中各個參數(shù)的精心選取，得到其傳遞函數(shù)，并將該傳遞函數(shù)作為電壓外環(huán)的一部分，進而設(shè)計出電壓外環(huán)的各個參數(shù)。在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，最為復雜的就是PI控制器參數(shù)的設(shè)計；本專利中，選用一個單零點-雙極點補償網(wǎng)絡(luò)。該補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、具有較高的靜態(tài)增益和較小的靜態(tài)誤差，可提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度及控制精度；
[0019](3)UC3875控制芯片外圍電路的設(shè)計:本專利中移相全橋ZVZCS變換器的控制系統(tǒng)采用UC3875為主控制芯片，UC3875芯片主要的參數(shù)設(shè)計為:1、芯片時鐘頻率的設(shè)置:已知Freqset端為芯片的頻率設(shè)置端，主要用來設(shè)置工作頻率，通常將頻率設(shè)置端接通某一選定的電容和某一選定的電阻來與地相連，其公式為:/=^;。已知在式中，開關(guān)
頻率為fs=100kHz，根據(jù)以上公式，取電阻R為40K Ω，電容值C為500pF，代入得時鐘頻率f=200kHz，開關(guān)頻率為其一半，滿足要求；I)死區(qū)時間的設(shè)置:Delay C_D和Delay A_B為芯片輸出延遲控制端，主要用來設(shè)置死區(qū)，設(shè)置方法為:通常將該端串聯(lián)某一選定的電容和某一選定的電阻來與地相連，從而設(shè)置它們了之間的電流，進而設(shè)置了同一橋臂功率開關(guān)管之間的死區(qū)時間，防止了一個橋臂的直通?？稍O(shè)置延遲電流為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于它包括太陽能電池板模塊、移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊、蓄電池模塊、負載模塊、PWM信號觸發(fā)模塊以及相移諧振控制器模塊；其中，所述移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸入端采集太陽能電池板模塊的輸出信號以及PWM信號觸發(fā)器的輸出信號，其輸出端連接蓄電池模塊的輸入端和相移諧振控制器模塊的輸入端；所述蓄電池模塊的輸出端與負載模塊的輸入端連接；所述相移諧振控制器的輸入端連接移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸出端，其輸出端與PWM信號觸發(fā)模塊的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于所述移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊由電壓源Vin、功率開關(guān)管G1、功率開關(guān)管G2、功率開關(guān)管G3、功率開關(guān)管G4、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、整流二極管DR1、整流二極管DR2、整流二極管DR3、整流二極管DR4、電容Cl、電容C3、電容Cb、電容Cf、電感Lf、電感Lr、電感R0、高頻變壓器xfml2組成；其中，所述功率開關(guān)管Gl的輸出端連接電壓源Vin的正極；所述功率開關(guān)管G3的輸入端連接電壓源Vin的負極；所述二極管Dl和二極管D3分別與電容Cl和電容C3并聯(lián)，且分別反并聯(lián)于功率開關(guān)管Gl和功率開關(guān)管G3呈反并聯(lián)連接；所述功率開關(guān)管Gl的輸入端和功率開關(guān)管G3的輸出端共同連接電容Cb ;所述電容Cb另一端通過電感Lr與高頻變壓器xfml2連接；所述功率開關(guān)管Gl的輸出端連接功率開關(guān)管G2的輸出端；所述功率開關(guān)管G2的輸入端通過二極管D2的輸入端與功率開關(guān)管G4的輸出端連接；所述功率開關(guān)管G3的輸入端連接二極管D4的負極；所述二極管D4的正極連接功率開關(guān)管G4的輸入端；所述二極管D2的負極和功率開關(guān)管G4的輸出端共同連接高頻變壓器xfml2 ;所述高頻變壓器xfml2另一側(cè)的一端分別連接整流二極管DRl的正極和整流二極管DR3的負極，而另一端分別連接整流二極管DR2的正極和整流二極管DR4的負極；所述整流二極管DRl和DR2的負極共同連接電感Lf ;所述電感Lf的另一端連接電容Cf與電感RO ;所述整流二極管DR3和DR4的正極共同連接電容Cf與電感RO的另一端；電容Cf與電感RO并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于所述相移諧振控制器模塊由數(shù)據(jù)采樣 單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、主控制器單元、數(shù)據(jù)存儲器單元以及控制信號發(fā)生器單元組成；其中，所述數(shù)據(jù)采樣單元的輸入端采集移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊的輸出電壓信號，其輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換單元的輸入端；所述主控制器單元的輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出端，其輸出端連接控制信號發(fā)生器單元的輸入端，且所述主控制器單元還與數(shù)據(jù)存儲器單元呈雙向連接；所述控制信號發(fā)生器單元的輸入端連接主控制器單元的輸出端，其輸出端連接PWM信號觸發(fā)器單元輸入端。 3.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換單元采用帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次近似來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化的芯片ADC0809。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于所述數(shù)據(jù)存儲器單元采用可以同時讀寫且斷電數(shù)據(jù)不丟失的Flash Memory閃存型存儲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于相移諧振控制的光伏系統(tǒng)變換器，其特征在于所述主控制器單元采用UC3875控制芯片。
6.一種基于相移諧振控制器的光伏系統(tǒng)變換器的控制方法，其特征在于它包括以下步驟:⑴太陽能電池板模塊輸出的基準電壓信號Uref(S)進入移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊，在移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊中，基準電壓Uref(S)與變換器經(jīng)過分壓后的輸出電壓Utl(s)相比較生成電壓誤差信號，誤差信號經(jīng)過變換器的調(diào)節(jié)，其輸出作為變換器的基準電流IMf(s)； ⑵在移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器模塊中，高頻變壓器副邊繞組的交流電流信號經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過RC低通濾波器抑制噪聲進行采樣輸出，得到的輸出濾波電感電流采樣信號與變化器的基準電流IMf(s)進行比較，經(jīng)過變換器的調(diào)節(jié)，其輸出信號Utl (s)直接進入相移諧振控制器模塊中的數(shù)據(jù)采樣單元及蓄電池模塊和負載模塊； ⑶數(shù)據(jù)采樣單元采集移相全橋ZVZCS PWM DC/DC變換器輸出的電壓信號Utl(S)，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存入數(shù)據(jù)存儲器，以備調(diào)取信號數(shù)據(jù)； ⑷經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換的信號進入住控制器單元，與鋸齒波進行比較，通過控制信號發(fā)生器單元控制PWM產(chǎn)生，為PWM信號觸發(fā)器提供驅(qū)動信號，通過調(diào)節(jié)占空比，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。
【文檔編號】H02M3/28GK103501113SQ201310446513
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】劉少宇, 周雪松, 陳墨, 孔祥富, 周曉青, 李龍, 梁廷婷, 何紅光, 宋堃, 劉海旭, ?；? 朱斯, 王婧 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)新源張家口風光儲示范電站有限公司