新型软开关单相并网逆变器控制策略与实验验证

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）81一种新型软开关单相并网逆变器Majid PakdelAl-Muhammad， Saeid Jalilzadeh伊朗赞赞大学电子工程系接收日期：2015年5月11日;接受日期：2015年11月11日2016年3月18日在线发布摘要提出了一种新型的软开关PWM逆变器拓扑结构和基于开关流图理论的控制策略。开关流图是分析PWM开关变换器的一种独特的图形模型。所有功率开关都工作在零电压开关（ZVS）导通和关断条件下，因此，功率开关的换流具有更低的损耗，进而达到更高的效率。对所提出的方法进行了理论分析，并通过制作测试样机进行了实验验证。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：可再生能源;1. 介绍太阳能和风能是世界上最重要的可再生能源此外，并网逆变器也在不断增加和发展，其性能也在不断提高。由于全球电能需求的增加，上述可再生能源是最有效的解决方案。然而，这种可再生能源的最大缺点是，它们产生的输出功率是离散的和不可调节的，因为一些技术，如最大功率点跟踪（MPPT）方法， 用于从太阳能电池阵列或风力涡轮机获得恒定的输出电压和功率。在文献中已经提出了用于并网逆变器的各种逆变器拓扑和控制策略（Pierquet和Perreault，2013;Prasanna和Rathore，2013;Batzel和Adams，2013）。软开关技术被广泛用于减少与功率开关换向相关联的开关损耗（Li和Wolfs，2007; Jain和Agarwal，2008;Todorovic 等 人 ， 2008;Rathore 等 人 ， 2008 年 ） 。 开 关 变 换 器 是 脉 冲 变 换 器 ， 具 有 非 线 性 动 态 特 性（Smedley，1991）。 线性反馈控制结构是控制非线性系统的重要方法。如果系统*通讯作者。联系电话：+98 9141248004。电子邮件地址：pakdel@mail.ru，pakdel@znu.ac.ir（M。Pakdel）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.11.0112314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。82M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81更复杂的是，传统的线性控制理论方法可能是无用的。本文提出了一种新颖独特的非线性建模方法--开关流图法，并将其应用于功率开关变换器的非线性动态特性的研究这种技术利用了状态空间平均法的一些概念以及线性电路流图理论的扩展（Smedley，1991）。开关变换器当开关处于ON状态时等效于ON电路，当开关处于OFF状态时等效于OFF电路。通过组合导通电路和关断电路的流图，提取开关流图切换流图将系统分解为基本组件，并清楚地评估输入参数变化对系统输出的影响开关流图可用于提取功率开关变换器中任意点之间的传递函数从电力系统的拓扑结构可以很容易地得出开关流图信号由节点表示，这些节点由切换流图中的小信号描绘。节点由箭头表示的分支连接，此外，信号仅沿箭头方向流动，此外，每个箭头都具有箭头旁边所示的增益。节点处的信号是进入该节点的所有信号的总和。只有输出而没有输入的节点称为源节点，代表独立变量。然而，汇节点，只有输入而没有输出的节点显示因变量，另一方面，混合节点既有输入又有输出。建立交换流图的过程非常简单。首先，将功率开关变换器中的所有电气元件的所有电气变量，即所有电气元件的电压和电流，在开关流图中分配节点接下来，根据所有元件的电压和电流之间的电气规则，用箭头将节点互连。一旦所有的节点都方便地连接，交换流图将完成。本文提出的功率变换器实现了一种新型的并网拓扑结构，以及一种新的非线性控制策略，采用开关流图理论。该拓扑不仅具有较高的效率，而且能够在连续恒定输出功率的条件下工作，而且所有功率开关都具有零电压开关（ZVS）Fig. 1.拟议并网逆变器：（a）框图和（b）电路原理图。M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81832. 建议的拓扑结构和控制策略文中给出了图1中的框图和电路原理图。 1描述了所提出的并网逆变器的四个功能模块：PWM半桥逆变器、滤波器、循环变换器和输出Transformer。每个块串联电连接。这种串联连接的配置可能看起来具有严重的传导损耗，然而通过使用功率开关的零电压切换，与这种影响相关联的损耗可以大大降低（Henze等人，1988年）的报告。研究表明，该方法具有较高的效率，而且与传统的变换器相比，图二.建议并网逆变器的开关流程图。图三. 切换功能。见图4。 交换支路的模型。84M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81图五.建议并网逆变器的操作模式。M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）8185S−∫∫光伏转换器中的功率点跟踪（MPPT）（Esram和Chapman，2007），电网同步（Blaabjerg等人， 2006）和孤岛检测方法（Ye等人， 2004）可以广泛地用于该提议的拓扑结构中。开关流图的扩展，以研究拟议的并网逆变器的动态行为。假设开关转换器以如下频率操作：1fs（t）=T（t）（1）当0tTON时，开关S1、S3和S6接通，开关S2、S4和S5断开。此外，当TONtTs时，开关S2、S4和S5接通，开关S1、S3和S6断开。显然，由于电路配置周期性地从接通电路改变为断开电路，因此在每个周期两个子电路都是线性的，而开关变换器是一个非线性电路，由于周期性的拓扑变化。在0tTON的时间期间，转换器被切换到ON电路，并且在TONtTs的时间期间，转换器被切换到OFF电路。建议并网逆变器的开关流程图如图所示。 二、开关函数k和k′如图3所示。当0 t T ON时，k函数具有值“1”，并且当0 t T ON时，k函数具有值当T ON t T s时，值为k函数的值为1k。有了这两个开关功能，两个开关电路，即ON和OFF电路，可以在拓扑上合并，如图所示。 二、k分支输出端的有效信号等于开关周期内的平均值1TON（t）y（t）=T（t）1TON（t）x（t）dtx（t）T（t）dt=x（t）TON（t）T（t）=x（t）d（t）（2）s0s0s见图6。提出了基于PSIM的并网逆变器仿真方法。86M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81见图7。从开关流图中提取控制系统。见图8。零电压PWM开关脉冲发生器。见图9。Transformer初级电压波形。M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）8187=y（t）=T（t）x（t）dtx（t）T（t）T（t）=x（t）d（t）（3）见图10。 电流iL1波形。其中x（t）和y（t）分别是交换流图的k-分支中的输入和输出节点。类似地，对于第k分支，输入信号x（t）和输出信号y（t）具有以下关系：1吨s（t）S1吨s（t）STOFF（t）rS其中，d（t）和dr（t）是开关函数k（t）和k′（t）关于i的平均值，y表示开关的占空比，并且我们有以下等式：TON（t）d（t）=（四）Ts（t）dr（t）TOFF（t）Ts（t）（五）dr（t）=1−d（t）（6）见图11。功率器件的PWM开关门脉冲。TON（t）TON（t）x（t）dt=x（t）88M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81L1dt+C40i dt+C50i dt+L2dt+C20i dt=Vdc（L1dt+C3i dt+ L2dt+C5t1t1见图12。开关流图输出控制信号。因此，开关支路的模型用一个乘法器来表示，如图1所示。四、所提出的并网逆变器的操作模式如图所示。五、 在操作模式I中，电源开关S1、S3和S6为ON，开关S2、S4和S5为OFF，电流流动方向为Vdc-S1-L1-S3-C4-S6-C5-L2-C2。此外，我们有以下等式：第1页1美元1第1页在操作模式II中，所有功率开关S1、S2、S3、S4、S5和S6关断，并且电流流过开关S2、S4和S5以及D1、L1、C3、C5和L2的反向二极管。此外，以下等式用于描述系统行为：di1t2di1t2图十三. S1的零电压切换。i dt= −Vdc（8）M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）8189L1dt+C3i dt+C5i dt+ L2dt+C2L1dt+C4i dt+ L2dt+C5t2t3t3见图14。 S3的零电压切换。在操作模式III中，电源开关S1、S3和S6断开，开关S2、S4和S5接通。此外，电流流动方向为Vdc第1页第3t21美元3美元t2第1页第3在操作模式IV中，所有功率开关S1、S2、S3、S4、S5和S6关断，并且电流流过开关S1、S3和S6以及D2、L2、C5、C4和L1的反向二极管。此外，获得以下等式：di1t4di1t4图15. S5的零电压切换.i dt=Vdc（9）i dt= −Vdc（10）90M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）813. 仿真结果所提出的并网逆变器的拓扑结构和控制策略的仿真使用PSIM软件实现，如图6所示。在模拟研究中使用了以下参数和值：L1=L2= 100 µH，C1= C2= C6= C7= 2。2µF，C3=C4= 1µF，C5= 3。3µF，fs= 1 kHz，Cout= 1µF此外，输出Transformer具有以下参数：L m（磁化电感）= 0。1 H，NP= 50和NS= 500所提出的控制策略包括两个部分。 第一段是从图1所示的交换流图中提取的。图2中更详细地示出。 7此外，第二段，如图清楚地示出。 8用于产生零电压PWM开关脉冲。对模拟的实测信号进行了评估和分析，进一步研究了功率开关管的软开关操作，以及其提供与电网同步的纯正弦波信号的能力。Transformer初级电压波形如图9所示。电流i L1的波形如图所示。 10个。所有功率器件的PWM零电压开关脉冲如图所示。 十一岁开关流图的输出控制信号如图12所示，此外还显示了漏极到源极电压、漏极电流和功率的开关栅极脉冲。图16.拟议并网逆变器的照片。图17. PWM门信号发生器电路。M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）8191开关S1、S3和S5在图1和图2中示出。分别为13、14和15。如图如图13-15所示，满足零电压开关条件，因此开关损耗显著下降。4. 实验结果为了说明如本文所述的所提出的并网逆变器的性能和功能，已经设计了原型平台。此外，所提出的转换器的照片可以在图16中看到。图17中还示出了PWM栅极信号发生器电路。在所提出的并网逆变器原型中使用了以下电路元件和参数：输入直流电压：12 V输出交流电压：220< $2sin[2π（50）t]输出功率：最大500 W电感器L1 =L2=100µH电容C1=C2=C6=C7= 2.2µF、C3 =C4= 1µF和C5= 3.3µF图18. PWM门信号的实际波形。图19. 电容器C3和C4两端的电压波形。92M. Pakdel，S.Jalilzadeh/电气系统和信息技术杂志3（2016）81929088868482807876100 150 200 250 300 350 400 450 500输出功率（W）图20. 提出的软开关并网逆变器和传统的硬开关PWM逆变器的效率比较输出Transformer匝数比：25电源开关：IRF840功率二极管：1N4007用数字示波器测得的功率开关驱动电路的PWM门信号波形如图18所示，电容器C3和C4两端的电压波形如图18所示。 十九岁所提出的软开关并网逆变器和传统硬开关逆变器的效率比较图如图所示。 20，这表明所提出的转换器在额定功率下具有92%的效率。5. 结论本文提出的并网逆变器的设计和实现展示了一种新的拓扑结构和控制策略，采用开关流图理论。此外，该逆变器保持软开关ZVS导通和关断的所有功率器件，而且使用PSIM软件的仿真结果已经提出了验证所提出的分析和设计。所提出的原型验证的功能和性能的设计和分析。实验结果表明，所提出的拓扑结构和控制策略的分析和高性能的准确性引用Batzel，T. D.，Adams，K.，2013年。在低直流电压下运行的变频器中，ARCP电压源的可变定时控制。 Int. J. Mod. Eng. 13（12）.Blaabjerg，F.，Teodorescu河，Liserre，M.，Timbus，A.V.，2006. 分布式发电系统的控制和电网同步。IEEETrans. 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