單相兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的研制

東莞理工學(xué)院 黃鵬峰 張 志 張潤(rùn)超 賴(lài)宇威 付 威

深圳市同立方科技有限公司 葉曉東

隨著生產(chǎn)和生活需求的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)的電能需求不斷增加。當(dāng)供電停止或者處于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，為了更好的使用電能，本課題設(shè)計(jì)了一種作應(yīng)急電源使用的兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器。

首先，通過(guò)分析和比較常用的斬波電路與逆變電路拓?fù)?，篩選前級(jí)采用升壓電路和后級(jí)采用全橋逆變的兩級(jí)式拓?fù)渥鳛閮?chǔ)能變流器主電路拓?fù)?。然后?duì)前級(jí)升壓電路和后級(jí)全橋逆變電路分別采用了相應(yīng)的控制策略，搭建了小功率的基于DSP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了軟件編寫(xiě)，對(duì)所提的拓?fù)浼翱刂品椒ㄟM(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 Boost電路

圖2 逆變器主拓?fù)?/p>

1 前級(jí)DC/DC電路拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

圖1所示的是Boost電路，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通時(shí)，直流電源向電感L1充電，電感L1儲(chǔ)能，電感電流基本保持恒定，同時(shí)電容C存儲(chǔ)的電壓給負(fù)載R提供電壓，假設(shè)電容C的值很大，則輸出電壓Uo可視為恒定值。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，電源和電感L1同時(shí)給電容C和負(fù)載R供電。當(dāng)電路工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，電感L1儲(chǔ)存的能量和釋放的能量相等，假如電源電壓為U，開(kāi)通時(shí)間為ton，關(guān)斷時(shí)間為toff，由此可得：

由于開(kāi)關(guān)周期Ts必定大于等于關(guān)斷時(shí)間toff，由上式可知輸出電壓Uo大于輸入電壓U，達(dá)到升壓目的。

2 后級(jí)全橋逆變電路拓?fù)浞治?/h2>

橋式逆變電路如圖2所示。本文采用雙極性spwm調(diào)制，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q3Q2導(dǎo)通、Q1Q4關(guān)斷時(shí)，UAB=Udc；當(dāng)Q3Q2關(guān)斷、Q1Q4導(dǎo)通時(shí)，UAB=-Udc；可見(jiàn)UAB在-Udc和Udc兩個(gè)值切換。而需要的輸出波形為正弦波，根據(jù)沖量等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，這時(shí)需要加入LC濾波器引入慣性環(huán)節(jié)。

式1-2為L(zhǎng)C濾波器傳遞函數(shù)，其中d為Q2Q3占空比，Q1Q4與之反相。

在輸出波形的頻率遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率的情況下，開(kāi)關(guān)狀態(tài)以遠(yuǎn)大于輸出AC交流電的頻率不斷變化，可用開(kāi)關(guān)狀態(tài)的平均值取代瞬時(shí)值。據(jù)此可用UAB平均值代替其瞬時(shí)值，見(jiàn)式1-3。

變形可得：

由式1-2*式1-4得：

3 單相儲(chǔ)能變流器的雙閉環(huán)控制策略

本課題對(duì)前級(jí)Boost電路采用電壓電流雙閉環(huán)控制，對(duì)負(fù)載電壓和電感電流進(jìn)行采樣?？刂圃砣鐖D3所示，對(duì)負(fù)載電壓采樣后，與目標(biāo)電壓給定值做差后，通過(guò)pi控制器調(diào)節(jié)，構(gòu)成電壓外環(huán)。再將電壓環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定參考值與采樣回來(lái)的電壓進(jìn)行做差，經(jīng)過(guò)pi控制器調(diào)節(jié)后，形成調(diào)制波，與載波比較后產(chǎn)生PWM對(duì)開(kāi)關(guān)管Q1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，形成前級(jí)拓?fù)涞拈]環(huán)控制。

圖3 Boost電路電壓電流環(huán)控制

圖4 逆變電路雙閉環(huán)控制策略

圖5 前級(jí)Boost電路輸出波形

圖6 后級(jí)單相逆變輸出波形

后級(jí)單相逆變電路也采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓給定為一個(gè)頻率50Hz的正弦波與采樣回來(lái)的負(fù)載電壓瞬時(shí)值做差后經(jīng)過(guò)PI控制器輸出，構(gòu)成電壓瞬時(shí)值外環(huán)。將電壓外環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定，做差后經(jīng)PI控制器生成調(diào)制波，進(jìn)行PWM調(diào)制后產(chǎn)生PWM控制Q1-Q4的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中Q2Q3狀態(tài)相同，Q1Q4與Q2Q3狀態(tài)互補(bǔ)。

4 實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果

前級(jí)boost電路的輸入電壓設(shè)為12v，輸出電壓設(shè)為24v，后級(jí)輸入電壓為前級(jí)輸出電壓24v，輸出電壓為峰值20v頻率50Hz交流電壓。通過(guò)simulink仿真，得到仿真波形如下，圖5為前級(jí)Boost電路的輸出電壓，圖6為后級(jí)全橋逆變電路輸出電壓波形。可以看出前級(jí)Boost電路的輸出電壓穩(wěn)定在24V，且電壓波動(dòng)較小，后級(jí)全橋逆變電路輸出的交流電壓迅速達(dá)到穩(wěn)定，且正弦波峰值幅值符合為20v的要求。

本文課題是單相兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器的研制。通過(guò)分析提出兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，并且確定前后級(jí)的拓?fù)?。分析了前?jí)Boost電路原理及后級(jí)后級(jí)單相全橋逆變電路的數(shù)學(xué)模型，然后確定前后級(jí)電路的控制策略為電壓電流雙閉環(huán)控制。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，證實(shí)了其可行性。