專利名稱：輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器及其均壓均流控制電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率雙極式光伏并網(wǎng)逆變器的前級升壓變換器，具體涉及一種輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器及其均壓均流控制電路和方法。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，能源的嚴(yán)重短缺，利用新能源發(fā)電已經(jīng)成為一種必然的趨勢，太陽能這一清潔無償?shù)木G色能源也受到了人類越來越多的青睞。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，首先由電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過光伏逆變器將該直流電轉(zhuǎn)化為供家庭使用或并網(wǎng)并入電網(wǎng)的高質(zhì)量交流電。隨著太陽能應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢無疑將是并網(wǎng)光伏發(fā)電。雙極式并網(wǎng)逆變器前級升壓變換器輸出為后級逆變器的輸入，傳統(tǒng)升壓變換器 BOOST如圖1所示，功率開關(guān)管Tl關(guān)斷耐壓等于輸出電壓，對于大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)而言，當(dāng)母線電壓較高時，前級升壓變換器功率管的關(guān)斷耐壓也較高，不僅不易選取，而且不易在高頻下工作。如果通過降低開關(guān)頻率來減少開關(guān)損耗，升壓電感的體積又會相對增大。 為了突破這一問題的解決方案，本發(fā)明提出了采用輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的升壓變換器拓?fù)洌?并解決了輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器均壓均流的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，在大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，本發(fā)明引入了輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的雙BOOST升壓變換器，在該變換器拓?fù)渲校β使艿年P(guān)斷耐壓僅為輸出電壓的一半，從而可以按耐壓標(biāo)稱值為母線電壓一半來選取功率開關(guān)管，且由于兩個升壓電感共同承受升壓任務(wù)，電感的體積可以相對變小。同時，本發(fā)明又克服了上述輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的升壓變換器出現(xiàn)的兩路升壓變換器不能均壓均流的問題，若兩路串聯(lián)的升壓變換器工作在不均壓狀態(tài)，其中一路升壓變換器功率開關(guān)管的關(guān)斷耐壓大于母線電壓的一半，如果缺少均壓均流控制措施，不均壓的現(xiàn)象將持續(xù)加重，最后只有一個升壓變換器來完成升壓變換的功能，嚴(yán)重時將導(dǎo)致炸機。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器，第一電容C、第一電感L、第一功率開關(guān)管T、 第一二極管D、第三電容C組成升壓變換器一，第二電容C、第二電感L、第二功率開關(guān)管T、 第二二極管D、第四電容C組成升壓變換器二，該兩個升壓變換器之間設(shè)有中線作為共用部分，兩個升壓變換器的輸入電容(第一電容C、第二電容C)的電壓之和為輸入電壓，輸出電容(第三電容C、第四電容C)的電壓之和為輸出電壓。所述升壓變換器一中，其第一電容C 與第一電感L連接，第一電感L另一端分別與第一功率開關(guān)管T、第一二極管D陽極連接，第一二極管D陰極與第三電容C連接，第三電容C另一端與第四電容C連接。所述升壓變壓器二中，第四電容C的另一端與第二二極管D陽極連接，第二二極管D陰極分別與第二功率開關(guān)管T、第二電感L連接，第二電感L另一端與第二電容C連接。兩個輸入電容(第一電容C、第二電容C)之間、兩個功率開關(guān)管之間、兩個輸出電容(第三電容C、第四電容C)之間經(jīng)由所述的中線相連接?！N實現(xiàn)所述變換器均壓均流的控制電路，包括電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分和兩個并行的電流環(huán)部分，電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分、電流環(huán)部分依次連接，電壓環(huán)部分信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接，電流環(huán)部分通過電流傳感器與變換器部分連接，均壓環(huán)部分的信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接；所述電壓環(huán)部分順次由求和運算器SUM、比例積分控制器PI、限幅器LIM串聯(lián)組成，求和運算器輸入端分別與輸入電壓參考值、輸入電壓反饋信號連接；所述均壓環(huán)包括求和運算器SUM、比例積分運算器PI、限幅器LIM串聯(lián)組成，求和運算器輸入端分別通過電壓傳感器與兩路升壓變換器輸出電容相接；電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與第四求差運算器SUM相連接，該求差運算器的輸出作為電流環(huán)一的給定值；電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與第五求和運算器SUM相連接，該求和運算器的輸出作為電流環(huán)二的給定值；所述電流環(huán)部分包括相互并行的電流環(huán)一、電流環(huán)二，每個電流環(huán)順次由求差運算器SUM、比例積分控制器PI、限幅器LIM串聯(lián)組成，該求差運算器SUM輸入端另與相應(yīng)的升壓變換器上的電流傳感器ISEN連接。一種均壓均流控制方法，在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上，采樣兩路升壓變換器輸出電壓參與均壓環(huán)路控制，電壓環(huán)與均壓環(huán)和差運算后的輸出為兩個電流環(huán)的輸入，電流環(huán)有兩個環(huán)路，分別跟蹤控制兩路升壓變換器的電感電流，電流環(huán)的另一輸入為對應(yīng)電感電流的反饋值，兩個并行電流環(huán)的輸出作為各自功率開關(guān)管脈寬調(diào)制的調(diào)制波信號，功率管的開關(guān)控制電容的充放電時間以實現(xiàn)控制回路兩輸出電壓均壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明控制策略的優(yōu)點在于它提高了輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的雙 BOOST升壓變換器的穩(wěn)定性和可靠性，并有助于提高系統(tǒng)的整機效率。輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的升壓變換器單元，功率管的關(guān)斷耐壓僅為輸出電壓的一半，為單個升壓變換器的一半，因此可以在相對較高的開關(guān)頻率下工作，也有效的減小了電感的體積。


圖1是傳統(tǒng)升壓變換器拓?fù)浼翱刂骗h(huán)路；圖2是輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器拓?fù)浼熬鶋壕骺刂骗h(huán)路；圖3是本發(fā)明控制環(huán)路框圖；圖4是未加均壓環(huán)的輸入輸出電壓均壓波形；圖5是采用本發(fā)明方法的系統(tǒng)開機時輸入輸出電容均壓波形；圖6是采用本發(fā)明方法的輸入輸出電容穩(wěn)態(tài)均壓波形；圖7是采用本發(fā)明方法的升壓電感電流波形；圖8是采用本發(fā)明方法的中線電流波形；圖9是采用本發(fā)明方法的功率管Tl、T2的驅(qū)動波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖2所示的輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器拓?fù)浼熬鶋壕骺刂骗h(huán)路VSENO為電壓傳感器，用于采樣變換器的輸入電壓Vpv ；VSENl為電壓傳感器，用于采樣升壓變換器一的輸出電壓Vc3 ；VSEN2為電壓傳感器，用于采樣升壓變換器二的輸出電壓Vc4 ；ISENSl為電流傳感器，采樣升壓變換器一的電感Ll的電流ill ；ISENSE2為電流傳感器，采樣升壓變換器二的電感L2的電流i 12。整個控制環(huán)路包括電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分、兩個并行的電流環(huán)部分，電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分、電流環(huán)部分依次連接，電壓環(huán)部分信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接，均壓環(huán)部分的信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接，電流環(huán)部分通過電流傳感器與變換器部分連接，其信號輸出端作為開關(guān)管T1、T2的脈寬調(diào)制波。所述的輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，如圖2所示電容Cl、電感Li、功率開關(guān)管 Tl、二極管D1、電容C3組成升壓變換器一，電容C2、電感L2、功率開關(guān)管Τ2、二極管D2、電容 C4組成升壓變換器二，該兩個升壓變換器之間設(shè)有中線作為共用部分，直流源Vdc與電阻 R串聯(lián)來模擬光伏輸入，兩個升壓變換器的輸入電容C1、C2電壓之和為輸入電壓，輸出電容 C3、C4電壓之和為輸出電壓。中線ON為兩個升壓變換器共用的部分，理想工作狀態(tài)中線電流為0。所述電壓環(huán)部分順次由求和運算器SUMl、比例積分控制器PI1、限幅器LIMl串聯(lián)組成，求和運算器SUMl輸入端分別與輸入電壓參考值(由用戶自己給定)、輸入電壓反饋信號(即電壓傳感器采樣得到的輸入電壓Vpv)連接。電壓環(huán)的反饋信號為變換器輸入電壓的采樣值Vpv，經(jīng)比例積分控制器PIl處理輸出后輸出信號經(jīng)由限幅器LIMl處理，限制電壓環(huán)輸出的最大值和最小值。所述均壓環(huán)包括求和運算器SUM6、比例積分運算器PI4、限幅器LIM4串聯(lián)組成，求和運算器SUM6輸入端分別通過電壓傳感器VSEm、VSEN2與兩路升壓變換器輸出電容相接。電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與求差運算器SUM4相連接，求差運算器SUM4的輸出作為電流環(huán)一的給定值；求差運算器SUM4與求差運算器SUM2相連接，作為升壓變換器一升壓電感的電流參考給定值。電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與求和運算器SUM5相連接，求和運算器SUM5的輸出作為電流環(huán)二的給定值；求和運算器SUM5與求差運算器SUM3 相連接，作為升壓變換器二升壓電感的電流參考給定值。所述電流環(huán)部分包括兩個相互并行的電流環(huán)一、電流環(huán)二，兩者分別對應(yīng)控制升壓變換器一電感Ll的電流iLl、升壓變換器二電感L2的電流iL2。以升壓變換器一的電流環(huán)一為例，電流環(huán)一順次由求和運算器SUM2、比例積分控制器PI2、限幅器LIM2串聯(lián)組成， 求和運算器SUM2輸入端分別與求差運算器SUM4、升壓變換器上的電流傳感器ISENSl連接。 求差運算器SUM4的輸出作為參考信號、電感Ll的電流iLl作為反饋信號，分別是求差運算器SUM2的輸入信號，運算處理后再經(jīng)由比例積分控制器PI2處理，比例積分控制器PI2輸出信號經(jīng)由限幅器LIM2處理，限制電流環(huán)一輸出信號的最大值和最小值，以此來限制占空
6比的最大值和最小值。電流環(huán)二的結(jié)構(gòu)和工作同電流環(huán)一。所述的脈寬調(diào)制部分由兩個比較器C0MP(1，2) —個三角載波器VTRIl組成，限幅器LIM⑵輸出端與比較器COMPl “ + ”輸入端連接，限幅器LIM3輸出端與比較器C0MP2 “ + ” 輸入端連接，三角載波器VTRIl分別與比較器C0MP1、比較器C0MP2的“_”輸入端連接，比較器COMPl與升壓變換器一中的開關(guān)管Tl連接，比較器C0MP2與升壓變換器二中的開關(guān)管 T2連接。即比較器COMPl的輸出信號PWMl為升壓變換器一中的開關(guān)管Tl的脈寬調(diào)制信號，比較器C0MP2的輸出信號PWM2為升壓變換器二中的開關(guān)管T2的脈寬調(diào)制信號。由此， 電流環(huán)的輸出信號mppd_l、mppd_2為調(diào)制波信號。調(diào)制波信號分別于三角載波VTRIl交截后得到功率開關(guān)管Tl、T2的脈寬調(diào)制信號PWM1、PWM2。本發(fā)明采用兩路輸入電壓的壓差或兩路輸出電壓的壓差參與調(diào)制功率管的工作狀態(tài)。在雙閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，加入均壓控制環(huán)節(jié)，當(dāng)升壓變換器一的輸出電壓Vc3大于升壓變換器二的輸出電壓Vc4時，增大升壓變換器一輸出電容C3的放電時間或增大升壓變換器二輸出電容C4充電時間，因為當(dāng)功率開關(guān)管Tl開通時，升壓變換器一輸入電容Cl充電、 輸出電容C3放電；當(dāng)功率開關(guān)管T2開通時，升壓變換器二輸入電容C2充電、輸出電容C4 放電；反之亦然。所以通過均壓環(huán)的作用改變調(diào)制波信號的大小，以此改變脈寬調(diào)制信號 PWMU PWM2的占空比大小，以此調(diào)節(jié)輸出輸入電容的充放電時間。電壓環(huán)與均壓環(huán)經(jīng)和差運算器后的輸出分別為兩個電流環(huán)的輸入，電流環(huán)有兩個環(huán)路，分別跟蹤控制兩路升壓變換器的電感電流，電流環(huán)的輸入為該路電感電流iLl、iL2 的反饋值，電流環(huán)的輸出作為各自功率開關(guān)管脈寬調(diào)制的調(diào)制波信號，功率開關(guān)管的開通時間為輸入電容的充電時間，同時為輸出電容的放電時間，而功率開關(guān)管的關(guān)斷時間為輸入電容的放電時間，同時為輸出電容的充電時間。均壓環(huán)路間接參加了功率開關(guān)管的脈寬調(diào)制，從而參與了輸入電容輸出電容的充放電時間的控制，即當(dāng)輸入電容Cl的電壓大于輸入電容C2的電壓時，增大功率開關(guān)管Tl的關(guān)斷時間，當(dāng)輸出電容C3的電壓大于電容C4 的電壓時，增大功率開關(guān)管T2的開通時間，反之亦然。當(dāng)輸入輸出均壓時，中線的電流Itl即為零，兩個升壓變換器的電感電流大小相等。該方法采用兩路輸出電壓的壓差參與調(diào)制功率管的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了良好的均壓效果，當(dāng)采樣兩路輸入電壓的壓差值參與均壓控制時，效果一樣。仿真驗證該控制方法，采用的控制方案如圖3所示直流電壓源Vdc與電阻R串聯(lián)來模擬光伏板；采樣光伏板輸出電壓Vpv參與電壓環(huán)控制；采樣升壓電感Ll、L2的電流iLl、iL2參與電流環(huán)控制；采樣輸出電容C3的電壓Vc3，輸出電容C4的電壓Vc4參與均壓環(huán)控制。其中f (D (t)，Vc3)、f (D (t)，Vc4)分別如式1所示，其中Dl為功率開關(guān)管Tl的占空比、D2為功率開關(guān)管T2的占空比。
權(quán)利要求
1.一種輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器，其特征在于，電容C(I)、電感L(I)、功率開關(guān)管 T (1)、二極管D (1)、電容C (3)組成升壓變換器一，電容C (2)、電感L (2)、功率開關(guān)管T (2)、 二極管DQ)、電容C(4)組成升壓變換器二，該兩個升壓變換器之間設(shè)有中線作為共用部分，兩個升壓變換器的輸入電容C(I)、C(2)電壓之和為輸入電壓，輸出電容C(3)、C(4)電壓之和為輸出電壓；所述升壓變換器一中，其電容C(I)與電感L(I)連接，電感L(I)另一端分別與功率開關(guān)管T(l)、二極管D(I)陽極連接，二極管D(I)陰極與電容C(3)連接，電容C(3)另一端與電容C(4)連接，所述升壓變壓器二中，電容C(4)的另一端與二極管DO)陽極連接，二極管 D (2)陰極分別與功率開關(guān)管W2)、電感L(2)連接，電感L(2)另一端與電容C(2)連接，兩個輸入電容之間、兩個功率開關(guān)管之間、兩個輸出電容之間經(jīng)由所述的中線相連接。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1變換器均壓均流的控制電路，其特征在于，包括電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分和兩個并行的電流環(huán)部分，電壓環(huán)部分、均壓環(huán)部分、電流環(huán)部分依次連接，電壓環(huán)部分信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接，電流環(huán)部分通過電流傳感器與變換器部分連接，均壓環(huán)部分的信號輸入端通過電壓傳感器與變換器部分連接；所述電壓環(huán)部分順次由求和運算器SUM(I)、比例積分控制器PI (1)、限幅器LIM(I)串聯(lián)組成，求和運算器輸入端分別與輸入電壓參考值、輸入電壓反饋信號連接；所述均壓環(huán)包括求和運算器SUM (6)、比例積分運算器PK4)、限幅器LIM (4)串聯(lián)組成， 求和運算器輸入端分別通過電壓傳感器VSEm、VSEN2與兩路升壓變換器輸出電容相接；電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與求差運算器SUM(4)相連接，該求差運算器的輸出作為電流環(huán)一的給定值；電壓環(huán)的輸出、均壓環(huán)的輸出分別與求和運算器SUM(5)相連接，該求和運算器的輸出作為電流環(huán)二的給定值；所述電流環(huán)部分包括相互并行的電流環(huán)一、電流環(huán)二，每個電流環(huán)順次由求差運算器 SUM、比例積分控制器PI、限幅器LIM串聯(lián)組成，該求差運算器SUM輸入端另與對應(yīng)升壓變換器上的電流傳感器ISEN連接。
3.如權(quán)利要求2所述的控制回路，其特征在于，所述的電壓傳感器連接于電容C3、電容 C4輸出電壓兩側(cè)或者連接于電容Cl、電容C2輸入電壓兩側(cè)。
4.一種如權(quán)利要求2均壓均流控制方法，其特征在于，在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上，采樣兩路升壓變換器輸出電壓參與均壓環(huán)路控制，電壓環(huán)與均壓環(huán)經(jīng)和差運算后的輸出為兩個電流環(huán)的輸入，電流環(huán)有兩個環(huán)路，分別跟蹤控制兩路升壓變換器的電感電流，電流環(huán)的另一輸入為對應(yīng)電感電流的反饋值，兩個電流環(huán)的輸出分別作為各自功率開關(guān)管脈寬調(diào)制的調(diào)制波信號，功率管的開關(guān)控制電容的充放電時間以實現(xiàn)控制回路兩輸出電容均壓。
5.如權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的采樣兩路輸出電容電壓方式替換為采樣兩路輸入電容電壓方式。
6.如權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，均壓環(huán)路參加了兩路電流環(huán)幅值給定， 通過控制兩路電感電流來參與功率開關(guān)管的脈寬調(diào)制，從而參與了輸入電容輸出電容的充放電時間的控制，即當(dāng)輸入電容C(I)的電壓大于輸入電容C(2)的電壓時，增大功率開關(guān)管T(I)的關(guān)斷時間，當(dāng)輸出電容C(3)的電壓大于電容C(4)的電壓時，增大功率開關(guān)管 T(I)的開通時間，反之亦然。
7.如權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)輸入輸出均壓時，中線的電流Itl為零，兩個升壓變換器的電感電流大小相等。
全文摘要
輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)升壓變換器及其均壓均流控制電路和方法，屬較大功率雙級式光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)領(lǐng)域。電容C(1)、電感L(1)、功率開關(guān)管T(1)、二極管D(1)、電容C(3)組成升壓變換器一，電容C(2)、電感L(2)、功率開關(guān)管T(2)、二極管D(2)、電容C(4)組成升壓變換器二，該兩個升壓變換器之間設(shè)有中線作為共用部分，兩個升壓變換器的輸入電容C(1)、C(2)電壓之和為輸入電壓，輸出電容C(3)、C(4)電壓之和為輸出電壓。本發(fā)明引入了輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的雙BOOST升壓變換器，解決了它的均壓均流的問題，提高了雙BOOST升壓變換器的穩(wěn)定性和可靠性。與常規(guī)BOOST升壓變換器相比，可以選用電壓等級較低的功率管，開關(guān)損耗小，可以以相對較高的開關(guān)頻率工作，減小升壓電感的體積，通過優(yōu)化設(shè)計可提高系統(tǒng)的整機效率。
文檔編號H02M3/156GK102214994SQ201010140918
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者相海濤, 蔣海江, 鄒勇, 郝飛琴, 馬超 申請人:上海航銳電源科技有限公司