推挽電路在并網(wǎng)型MIC系統(tǒng)中的仿真與應(yīng)用
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1.前言
隨著電力電子在光伏發(fā)電行業(yè)得到越來越廣泛的用,光伏逆變器得到了快速的發(fā)展。目前,光伏逆變器正朝著小型化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上,我們準(zhǔn)備做一個(gè)MIC(Module IntegratedConverter)系統(tǒng),該系統(tǒng)是建立在單個(gè)PV 模塊上的逆變器,解決了MPPT 的難控制問題,不存在多模塊串并聯(lián)的功率嚴(yán)重?fù)p失問題,在國(guó)外得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本論文主要介紹整套系統(tǒng)中的前級(jí)升壓電路,主電路拓?fù)涫褂猛仆焐龎?,控制芯片選用SG3525。
2.推挽主電路設(shè)計(jì)本文采用推挽升壓結(jié)構(gòu),因?yàn)橥仆祀娐肥荘V 模塊接入的第一級(jí)電路,在升壓級(jí)主要做MPPT 控制,本文不涉及MPPT 的控制電路設(shè)計(jì),給出的控制基準(zhǔn)為一個(gè)電壓常數(shù),可自行進(jìn)行修改。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
對(duì)于 MIC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì),要求滿足輸入光伏模塊的給定指標(biāo),本設(shè)計(jì)采用的光伏模塊為聚光光伏組件CM2402,具體參數(shù)見表1,根據(jù)給定輸入我們來確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
PV module 輸出為一個(gè)直流的電壓與電流,介于輸入電壓過低,我們必須對(duì)PV 輸出電壓進(jìn)行升壓以滿足并網(wǎng)要求,同時(shí)還要考慮在器件選擇上對(duì)耐壓,最大電流的承受能力。從上表可以得到,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍如下:
(1) 輸入電壓:0-48V;
(2) 輸入電流: 0-5A
(3) 輸入最大功率:200W
(4) 開關(guān)頻率:50Khz
2.2 實(shí)際電路器件選擇
實(shí)際電路中器件的選擇根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來確定,首先確定FUSE,FUSE 主要起到限制輸入電流過大作用,由于本系統(tǒng)輸入為一個(gè)PV module,受到自身光電轉(zhuǎn)換能力影響,電流最大為5A 左右,所以本設(shè)計(jì)中選用一個(gè)保險(xiǎn)電流值為6A 的保險(xiǎn)管。高頻開關(guān)管的確定,在參考文獻(xiàn)[1]中,可以得到,推挽電路的耐壓值大約為2.5 倍的輸入電壓值,電流的允許最大值為5A,選擇管子時(shí),最低允許通過電流不能低于這個(gè)數(shù)值。另外,我們還要考慮到管子的損耗問題,我們需要選擇一個(gè)低導(dǎo)通損耗的管子來保證再不外加散熱情況下,管子可以正常使用,不至于過熱導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
為降低電路的開關(guān)損耗和減小關(guān)斷瞬間電壓尖峰,可以結(jié)合實(shí)際情況給電路加上RC 緩沖電路。推挽電路中,變壓器的設(shè)計(jì)成功與否直接影響推挽級(jí)電路的工作能力,下面我們來重點(diǎn)介紹推挽電路
中變壓器的設(shè)計(jì):
(1)確定幾個(gè)重要參數(shù)。高頻開關(guān)管設(shè)計(jì)頻率為50Khz;所采用的磁芯材料為PC40,額定磁通密度選擇0.6* m B =0.6*5100=3000G;導(dǎo)線的電流密度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇10A/mm2。
(2)確定磁芯尺寸。根據(jù)上一步得到的原始設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)公式可以計(jì)算出變壓器設(shè)計(jì)的視在功率容量為:
3.推挽控制電路設(shè)計(jì)
推挽級(jí)電路的控制環(huán)路設(shè)計(jì),旨在滿足最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),本文對(duì)MPPT 不做過多介紹,只提供一種控制策略。MIC 系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)PV module 的輸入電壓,電流進(jìn)行采樣,計(jì)算,得到一個(gè)浮動(dòng)范圍較小的變量基準(zhǔn),本文將此基準(zhǔn)假定為一個(gè)定值(選擇值為CM240-2 提供的最大功率點(diǎn)電壓44V )。整個(gè)推挽升壓電路的控制電路設(shè)計(jì)目標(biāo)為通過控制輸入到并網(wǎng)逆變器的電壓值,保證PV module 時(shí)刻保證在最大功率點(diǎn)附近工作,保證整機(jī)輸出效率,系統(tǒng)控制框圖如圖 2,控制芯片采用SG3525。
4.推挽電路的仿真分析
根據(jù)上文對(duì)推挽級(jí)升壓電路的大致介紹,我們可以從仿真角度來驗(yàn)證系統(tǒng)可行性,通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,確定系統(tǒng)可行性,并調(diào)整具體參數(shù),為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),仿真文件如圖 3 示,仿真結(jié)果如圖 4,由仿真結(jié)果可以得出結(jié)論,設(shè)計(jì)可以滿足要求,PV module 輸入電壓被控制在MPPT 附近,輸出級(jí)電壓可以升高到高于電網(wǎng)峰值電壓的一個(gè)合理數(shù)值。
5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過上述分析和仿真結(jié)果,我們搭建一個(gè)具體的電路板,電路器件完全根據(jù)上述計(jì)算和分析選擇,實(shí)驗(yàn)波形如圖所示。在調(diào)試過程中,我們首先對(duì)控制電路進(jìn)行調(diào)試,驗(yàn)證控制環(huán)路是否有效,此時(shí)應(yīng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制,占空比輸出最大則控制電路可以正常工作,之后再接成我們上文提到的控制策略,驗(yàn)證我們系統(tǒng)主電路與控制電路的有效性。圖5 為輸入電壓電流參數(shù),圖6 為輸出電壓和驅(qū)動(dòng)波形。
在系統(tǒng)調(diào)試過程中,我們的輸入為一個(gè)直流穩(wěn)壓源串聯(lián)變阻器來模擬PV modue,對(duì)變阻器后面的電壓進(jìn)行控制,來達(dá)到控制這一點(diǎn)輸出的功率的目的。通過推挽電路,把推挽級(jí)輸出電壓升高到足夠的高度來完成下面的并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)。最后通過簡(jiǎn)單的功率計(jì)算,可以得到推挽級(jí)升壓電路的整體效率可以達(dá)到90%以上。
6.總結(jié)
以上分析了并網(wǎng)型MIC 系統(tǒng)前級(jí)升壓電路,全文指出設(shè)計(jì)電路的各個(gè)重要環(huán)節(jié)需注意的問題。器件選型需要在給定的范圍進(jìn)行選擇,超出范圍將造成系統(tǒng)燒毀。通過對(duì)推挽級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真,驗(yàn)證其可實(shí)現(xiàn)性,并給下一步的具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建創(chuàng)造良好的條件,最后給出設(shè)計(jì)波形。隨著全世界能源短缺的不斷惡化,光伏將起到越來越重要的作用。小型化,模塊化是光伏未來的發(fā)展方向。并網(wǎng)型MIC 系統(tǒng)以后必將在光伏市場(chǎng)上占據(jù)重要的地位。
參考文獻(xiàn)
[1] Abraham I. Pressman.王志強(qiáng)譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第二
版).北京:電子工業(yè)出版社,2005.9;
[2] 李桂丹,畢志軍,高素玲.一種基于PWM 的推挽式開關(guān)
電源的研究.電源世界.2008,(12);
[3] 劉偉涵.600W 28VDC/360VDC 推挽正激變換器的研制和
偏磁研究.南京航空航天大學(xué).2006
作者簡(jiǎn)介:
郝曉飛 男,1987年生,北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,
研究生,主要研究方向?yàn)镸IC系統(tǒng)。