CN103606955A

CN103606955A - 一种基于正弦半波的微网电源

Info

Publication number: CN103606955A
Application number: CN201310624754.XA
Authority: CN
Inventors: 张奔奔; 胥芳; 吴乐彬
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103606955B

Abstract

本发明公开了一种基于正弦半波母线的微网电源，属于分布式微网电源领域。该电源的拓朴结构包括全桥整流模块（3）、BOOST模块（1）、BUCK模块（2）以及全桥逆变模块（4），电源的输入接口包括市电接口和新能源电源接口（下文以光伏电源为例）。市电输入经全桥整流后获得正弦半波直流母线；光伏电池首先经过BOOST模块输出最大功率，然后经过BUCK模块输出与正弦半波直流母线同频同相的电流源，并直接汇流入直流母线；汇流后的直流母线经过工频全桥逆变电路输出正弦交流电提供给负载。本发明采用了正弦半波直流母线汇流控制来实现光电实时互补，不需要储能设备和大容量母线电容即可获得光伏能量的稳定输出和高效利用，达到了降低发电系统成本和延长电源寿命的目的。

Description

一种基于正弦半波的微网电源

背景技术：

随着经济发展，人口增加，能源消耗快速增长，带来能源短缺、环境污染、生态恶化等重大问题。世界各国的研究机构和企业纷纷投入大量的人力和物力到这个新兴的产业当中。在过去的若干年间，具有并网发电功能的光伏并网逆变器在欧美等国得到了广泛的应用，然而在国内由于电网配电等各项相关技术尚未完全成熟，直接将电能输送到电网存在对大电网的潜在影响。另有一些研究面向具体应用开发了光伏独立逆变器，应用于电网难以普及的边远和海岛地区。为了获得稳定的电能，独立逆变器通常都配备大容量的蓄电池组以实现能源的分时调度，而目前蓄电池技术的缺陷导致了这些产品与生俱来的高初期投入和维护成本、能量利用率不足以及各种由蓄电池引起的安全隐患。

上述原因造成了光伏逆变器在民用和工业用领域的推广困难。为此，有必要研究在无蓄电池储能调度的前提下，采用市电与光伏实时汇流互补控制的技术，实现光伏能量的稳定、高效输出。

发明内容

本发明克服现有技术的缺点，提出基于正弦半波母线的微网电源及其控制方法，以实现在无蓄电池储能调度的条件下，光伏能量的稳定、高效输出。

本发明微网电源结构上包括全桥整流模块（3）、BOOST模块（1）、BUCK模块（2）以及全桥逆变模块（4），由市电接口和光伏电池接口并行构成的电源输入接口；其中：市电通过全桥整流模块（3）输出正弦半波直流母线，在不采用大容量电容滤波的条件下直接作为电压源，其输出端连接到全桥逆变模块（4）的输入端；光伏电池通过BOOST电路实现最大功率点跟踪控制，其输出端作为BUCK电路的输入端，通过BUCK电路输出与正弦半波直流母线同频同相的电流源，输出端连接到全桥逆变模块（4）的输入端，同时BUCK电路还维持了BOOST电路输出端电压的稳定性；上述电压源与电流源在正弦半波直流母线上实现汇流控制，并最终通过全桥逆变电路在低频逆变条件下输出标准交流电。BOOST模块（1）的控制方法具体包含步骤如下：

2.1采样获得光伏电压U_pv和光伏电流I_pv，并输入MPPT控制器，该控制器输出光伏电压U_pv的参考电压值U_{pv_ref}；

2.2根据U_{pv_ref}与U_pv获得光伏电压误差E_upv，将E_upv输入闭环反馈控制器1，该控制器输出BOOST模块占空比D_bo，

2.3将BOOST模块占空比D_bo输入母线保护器，经过保护器判断后，占空比D_bo放大输出至开关管M0；

所述的母线保护器的控制步骤如下：

3.1设定输出电压阈值U_bo1<U_bo2<U_bo3。采样BOOST模块输出电压U_bo，若U_bo>U_bo1且U_bo<U_bo2，则进入步骤3.2；若U_bo>U_bo2且U_bo<U_bo3，则进入步骤3.3；若U_bo>U_bo3，则进入步骤3.4；

3.2MPPT控制器执行逆过程，即U_{pv_ref}的调整朝着光伏输出功率P_pv减小的方向变化；

3.3MPPT控制器执行逆过程，并且开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo1，通过电阻R₀释放母线能量，以降低U_bo；

3.4开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo1，BOOST模块占空比清零，M0强制关断，停止并初始化升压。

BUCK模块（2）的控制方法具体包含步骤如下：

4.1设定输出电压阈值U_bo0<U_{bo_ref}<U_bo1。采样BOOST模块输出电压U_bo，若U_bo<U_bo0，则进入步骤4.2；若U_bo>U_bo0，则进入步骤4.3;

4.2将BUCK模块占空比清零，强制关闭M2，停止并初始化汇流；

4.3将U_bo与U_{bo_ref}做差获得BOOST模块输出电压误差E_ubo，并将E_ubo输入至闭环反馈控制器2，获得BUCK模块输出电流参考值幅值I_{bu_amp}；

4.4将参考值幅值I_{bu_amp}输入信号调理1，得到正弦化并取绝对值的结果I_{bu_ref}，其中正弦化通过同步锁相PLL实现与电网电压U_net同频同相；

4.5采样BUCK模块输出电流I_bu，根据I_{bu_ref}与I_bu得到误差E_ibu，将误差输入闭环反馈控制器3，获得BUCK模块占空比D_bu；该结果与外包络线滞环控制器取与操作，最终输入驱动放大电路驱动开关管M2。

用于约束直流母线电压的瞬时值上限的所述的外包络线滞环控制器的控制步骤如下：首先采样市电电压U_net并输入信号调理2，取绝对值并放大K倍，其结果U_sa作为BUCK模块输出电压U_bu的外包络线，若U_bu>U_sa则外包络线滞环控制器输出0至与门，否则输出1至与门。上述操作结果是BUCK模块输出电压U_bu被约束在U_net绝对值与K倍U_net绝对值之间。

全桥逆变模块（4）的控制方法具体如下：采样市电电压U_net并输入锁相环PLL，PLL捕获U_net的上升沿和下降沿并输出至工频换向控制器，当输入为上升沿时，控制器关闭T1，T4并开通T2，T3；当输入为下降沿时，控制器关闭T2，T3并开通T1，T4。开关信号在驱动开关管之前需经过死区延迟。

附图说明：

图1为本发明所述微网电源的结构框图

图2为本发明所述微网电源的电路原理图

图3～5为本发明所述微网电源的能量流向分析图

图6～8为本发明所述微网电源的控制方法原理图

上述附图中的主要标号名称：PV为光伏电池；AC为市电；M0为BOOST开关管；M1为放电通道开关管；M2为BUCK开关管；T1～T4为全桥开关管；L0,L1为滤波电感；E0为大容量电解电容；C0，C1为滤波电容；D0,D1为续流二极管；D2～D5为整流二极管；R0为放电电阻；R1为负载；I_pv为光伏电流；U_pv为光伏电压；U_{pv_ref}为光伏电压参考值；E_upv为光伏电压跟踪误差；D_bo为升压电路占空比；U_bo为升压电路输出端电压；U_net为市电电压；U_sa为市电电压绝对值的K倍；U_{bo_ref}为升压电路输出端电压参考值；I_{bu_amp}为汇流电流幅值；I_{bu_ref}为汇流电流参考值；I_bu为降压电路输出电流；E_ibu为降压电路输出电流误差；D_bu为降压电路占空比；

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

所述的母线保护器的控制步骤如下：

3.1设定阈值U_bo1<U_bo2<U_bo3。采样BOOST模块输出电压U_bo，若U_bo>U_bo1且U_bo<U_bo2，则进入步骤3.2；若U_bo>U_bo2且U_bo<U_bo3，则进入步骤3.3；若U_bo>U_bo3，则进入步骤3.4；

BUCK模块（2）的控制方法具体包含步骤如下：

4.2将BUCK模块占空比清零，强制关闭M2，停止并初始化汇流；

本发明微网电源的结构如图1所示，包括BOOST模块（1）、BUCK模块（2）、全桥整流模块（3）以及全桥逆变模块（4）。其中：市电接全桥整流模块（3），其输出端接全桥逆变（4）的输入端；光伏电池接BOOST模块，其输出端接BUCK模块（2）输入端；BUCK模块（2）输出端直接和全桥整流模块（3）输出端并联连接到全桥逆变（4）的输入端。

本发明所述微网电源的具体电路如图2所示，市电输入接到由二极管D2～D5组成的整流电路，整流电路输出不经过大容量电容，直接接到直流母线上，从而直流母线等价于正弦半波的直流电压源；光伏输入经过高频滤波电容C0，接到由开关管M0控制的BOOST升压电路输入端，BOOST电路输出端保留大容量电解电容E0达到储能和低频滤波的作用；考虑到成本的因素，电解电容耐压值不会选的很高，因此设计由R0和M1组成的放电电路，当检测到U_bo超出设定工作范围，则开通M1强制拉低U_bo；由开关管M2控制的BUCK电路输入端与BOOST电路输出端电容并联连接，输出经过L1和C1滤波后接入正弦半波直流母线；全桥逆变电路由开关管T1～T4组成，其输入端直接接正弦半波直流母线，输出端直接接负载。上述开关管均含内置或外置反并联二极管。

本发明所述微网电源的电路结构优点在于直流母线上未采用大容量电解电容，意义其一在于节约了电容成本，消除了电容功率损耗；其二在于使后续全桥逆变电路可以工作在工频模式，降低了开关损耗。

本发明所述微网电源的电路结构优点在于只有BOOST电路输出端采用了电容，由于是对直流源进行储能滤波，因此容量可以选择较小以降低成本，且电路纹波小以提高寿命。

本发明所述微网电源内部的能量流动情况可分为三种：

[1]如图3所示的情况最为普遍，此时光伏能量不足以完全支撑负载所需，能量从光伏和市电两个支路流向逆变模块，经过工频逆变后提供给负载。此时市电作为电压源而光伏作为电流源，汇流逆变后输出电压介于市电内包络线和幅值K倍于市电的外包络线之间；

[2]如图4所示的情况是在光伏无输出能量的情况如晚上，此时完全由市电经过整流和逆变输出给负载，电源功耗仅限于整流二极管和开关管通态损耗，通常不足0.5%。此外还可以选择旁路等措施来进一步降低功耗。此时市电作为电压源独立工作，逆变输出电压幅值略低于市电，原因是整流二极管和全桥开关管产生1～2V的压降；

[3]如图5所示情况则是光伏能量完全足够承担负载所需，此时BUCK电路的输出电压受限于外包络线控制，因此输出电压为K倍于市电电压的正弦波交流电。

本发明所述微网电源的具体控制方法实施过程包括三个部分，分别围绕BOOST模块、BUCK模块以及全桥逆变模块执行，下面详细叙述：

如图6所示是BOOST模块的具体控制方法原理图。这部分控制的目的其一是找到光伏电池板的最大功率输出对应的电压U_pv或电流I_pv的参考值；其二是采用闭环反馈控制使电压Upv或电流Ipv跟踪其参考值；其三是确保在BOOST模块能量输出过程中输出电压Ubo不超出设定保护范围。

首先，采样光伏电压U_pv和光伏电流_Ipv，并输入MPPT控制器（此处采用扰动观测法作为最大功率跟踪控制方法，并以最大功率点电压为输出参考值U_{pv_ref}）；然后，根据U_{pv_ref}和U_pv计算误差，并输入反馈控制器1，输出为BOOST电路开关管的占空比D_bo；然后，根据输出端电压U_bo是否超出安全范围而采取相应措施；最后输出PWM波驱动开关管。

所述U_bo的保护措施包括：若U_bo>U_bo1且U_bo<U_bo2，则MPPT控制器执行逆过程，即U_{pv_ref}的调整朝着光伏输出功率P_pv减小的方向变化；若U_bo>U_bo2且U_bo<U_bo3，则MPPT控制器执行逆过程，并且开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo2，通过电阻R₀释放母线能量，以降低U_bo；若U_bo>U_bo3，则开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo2，BOOST模块占空比清零，M0强制关断，停止并初始化升压。

如图7所示是BUCK模块的具体控制方法原理图。这部分控制的目的其一是维持Ubo稳定在其参考值Ubo_ref；其二是输出与正弦半波母线同频同相的正弦半波电流源；其三是确保直流母线电压波形基本维持在正弦半波且幅值不超出K倍的市电整流后半波幅值。

首先，判断BOOST电路输出电压U_bo是否小于U_bo0，若小于U_bo0则停止汇流；将U_bo与U_{bo_ref}做差获得BOOST模块输出电压误差E_ubo，并将E_ubo输入至闭环反馈控制器2，获得BUCK模块输出电流参考值幅值I_{bu_amp}；然后，将参考值幅值I_{bu_amp}输入信号调理1，得到正弦化并取绝对值的结果I_{bu_ref}，其中正弦化通过同步锁相PLL实现与电网电压U_net同频同相；然后，采样BUCK模块输出电流I_bu，根据I_{bu_ref}与I_bu得到误差E_ibu，将误差输入闭环反馈控制器3，获得BUCK模块占空比D_bu；最后该结果与外包络线滞环控制器取与操作，最终输入驱动放大电路驱动开关管M2。

所述的外包络线滞环控制器，其原理如下：该控制器用于约束直流母线电压的瞬时值上限。首先采样市电电压U_net并输入信号调理2，取绝对值并放大K倍，其结果U_sa作为BUCK模块输出电压U_bu的外包络线，若U_bu>U_sa则外包络线滞环控制器输出0至与门，否则输出1至与门。上述操作结果是BUCK模块输出电压U_bu被约束在U_net绝对值与K倍U_net绝对值之间。

如图8所示的全桥逆变模块的具体控制方法原理图，目的在于将正弦半波直流电转换为正弦波交流电。原理如下：采样市电电压U_net并输入锁相环PLL，PLL捕获U_net的上升沿和下降沿并输出至工频换向控制器，当输入为上升沿时，控制器关闭T1，T4并开通T2，T3；当输入为下降沿时，控制器关闭T2，T3并开通T1，T4。开关信号在驱动开关管之前需经过死区延迟。

Claims

1.基于正弦半波母线的微网电源，其特征在于：电源拓扑结构主要包括全桥整流模块（3）、BOOST模块（1）、BUCK模块（2）以及全桥逆变模块（4），由市电接口和光伏电池接口并行构成的电源输入接口；其中：市电通过全桥整流模块（3）输出正弦半波直流母线，在不采用大容量电容滤波的条件下直接作为电压源，其输出端连接到全桥逆变模块（4）的输入端；光伏电池通过BOOST电路实现最大功率点跟踪控制，其输出端作为BUCK电路的输入端，通过BUCK电路输出与正弦半波直流母线同频同相的电流源，输出端连接到全桥逆变模块（4）的输入端，同时BUCK电路还维持了BOOST电路输出端电压的稳定性；上述电压源与电流源在正弦半波直流母线上实现汇流控制，并最终通过全桥逆变电路在低频逆变条件下输出标准交流电。

2.如权利要求1所述的微网电源，其特征在于：所述的BOOST模块（1）的控制步骤如下：

2.3将BOOST模块占空比D_bo输入母线保护器，经过保护器判断后，占空比D_bo放大输出至开关管M0。

3.如权利要求2所述的微网电源，其特征在于：所述的母线保护器具有如下的控制步骤：

3.3MPPT控制器执行逆过程，并且开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo2，通过电阻R₀释放母线能量，以降低U_bo；

3.4开通放电通道M1直至U_bo小于U_bo2，BOOST模块占空比清零，M0强制关断，停止并初始化升压。

4.如权利要求3所述的微网电源，其特征在于：BUCK模块（2）的控制步骤如下：

4.1设定阈值U_bo0<U_{bo_ref}<U_bo1。采样BOOST模块输出电压U_bo，若U_bo<U_bo0，则进入步骤4.2；若U_bo>U_bo0，则进入步骤4.3;

4.2将BUCK模块占空比清零，强制关闭M2，停止并初始化汇流；

5.如权利要求4所述的微网电源，其特征在于：用于约束直流母线电压的瞬时值上限的外包络线滞环控制器的控制步骤如下：首先采样市电电压U_net并输入信号调理2，取绝对值并放大K倍，其结果U_sa作为BUCK模块输出电压U_bu的外包络线，若U_bu>U_sa则外包络线滞环控制器输出0至与门，否则输出1至与门；上述操作结果是BUCK模块输出电压U_bu被约束在U_net绝对值与K倍U_net绝对值之间。

6.如权利要求5所述的微网电源，其特征在于：所述的全桥逆变模块（4）的控制步骤如下：采样市电电压U_net并输入锁相环PLL，PLL捕获U_net的上升沿和下降沿并输出至工频换向控制器，当输入为上升沿时，控制器关闭T1，T4并开通T2，T3；当输入为下降沿时，控制器关闭T2，T3并开通T1，T4。开关信号在驱动开关管之前需经过死区延迟。