非隔离混合光伏微型逆变器的研究

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在光伏交流模块领域,虚拟直流母线反激微型逆变器,因结构紧凑、控制简单等优点,受到广泛关注与青睐,但该拓扑的变压器匝比和漏感量较大,变压器的利用率不高,因而削弱了逆变器效率。针对该问题,本文基于非隔离虚拟直流母线结构,提出一种混合升压-反激(BF)/反激(F)微型逆变器。该电路拓扑在半工频周期内交替工作于BF模式和F模式:当工作于BF模式时,在低的变压器匝比和漏感量下,获得了高的电压增益和低的电压应力,此外,还提供了固有的无损吸收电路,漏感能量得以回收利用,实现了主开关管的电压钳位;F模式解决了BF模式不能降压的问题,使得在直流母线处产生直流正弦全波成为可能。采用具有软开关特性的临界模式(BCM)峰值电流控制,详细分析了混合BF/F逆变器的工作原理与拓扑特性,并推导了一种参考电流数学公式,提高了并网电流的电能质量。
  鉴于BCM混合BF/F微型逆变器在低功率或低瞬时功率时带来的高开关频率,对混合BF/F逆变器拓扑稍加改进,并引入临界模式/断续模式(BCM/DCM)双开关模式调制策略,构建一种混合BCM-BF/DCM-F微型逆变器:工作于BF模式时采用BCM调制,保留了主开关管的零电压(ZVS)或者谷压(VS)软开关,以及整流二极管的零电流(ZCS)软开关;工作于F模式时则采用定频DCM调制,限制了开关频率的增大,降低了开关损耗。采用与峰值电流控制等效的导通时间控制,取消了耦合变压器一次侧的高频电流互感器;理论推导了一种导通时间计算公式,并研究了BCM-BF与DCM-F模式之间的平滑过渡方案,确保了高的并网电流质量。
  通过控制一次侧峰值电流或导通时间来间接调制并网电流的开环控制策略,虽然简单高效,但所涉及的参考电流或导通时间公式并不准确,增大了总谐波畸变率(THD)。为此,在已有参考电流或导通时间公式的基础上,增加闭环控制,提出了前馈控制器并联反馈控制器的复合控制策略。前馈控制器采用峰值电流控制(PCC)前馈控制器或导通时间控制(OTC)前馈控制器,增强了系统的抗干扰能力,缓解了反馈控制器的控制压力;反馈控制器采用PI加极点型控制器,对峰值电流或导通时间进行了实时修正,提高了系统的控制精度,确保了系统的动态特性。以BCM混合BF/F逆变器为例,采用改进型状态空间平均技术建立了数学模型,给出了PI加极点型控制器的设计方案与设计实例,最后,通过实验验证了所提出复合控制策略的可行性与有效性。
  传统的PI加极点型控制器虽能改善并网电流波形,但在抑制3、5、7次等特定谐波的能力方面存在明显不足,为此,提出OTC前馈或者PCC前馈控制器并联比例谐振(PR)加谐波补偿(HC)加极点型控制器的复合控制策略。PR加HC加极点型控制器,在低比例系数下获得了高的基波及特定谐波增益,提高了系统抑制谐波干扰的能力,加快了系统的动态响应速度;OTC前馈或者PCC前馈控制器,分担了PR加HC加极点型控制器的控制压力,进一步提高了系统的抗干扰能力。以混合BCM-BF/DCM-F逆变器为例,采用改进型状态空间平均技术建立了数学模型,给出了PR加HC加极点型控制器的设计方案与设计实例。最后,通过实验验证了所提出控制策略的抗干扰性能和动态追踪性能。
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