基于分段前饋補(bǔ)償?shù)姆醇な讲⒕W(wǎng)逆變器控制策略

姚福林 程章格 胡永貴

摘？要：在現(xiàn)有的反激式DC-AC逆變器研究中，反激式DC-AC逆變器控制系統(tǒng)提出的前饋補(bǔ)償方案均基于理想狀態(tài)，即均假設(shè)逆變器在每個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)任意相位角均運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)電模式。但是在實(shí)際運(yùn)行中，逆變器在電網(wǎng)周期內(nèi)可能工作于斷續(xù)或連續(xù)導(dǎo)電雙模式。本文提出了一種按斷續(xù)導(dǎo)電模式、連續(xù)導(dǎo)電模式分區(qū)間進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)了斷續(xù)和連續(xù)工作的臨界點(diǎn)，推導(dǎo)出輸出功率為唯一自變量的分段前饋補(bǔ)償表達(dá)式，并通過(guò)仿真證明了本文提出補(bǔ)償方法的有效性。

關(guān)鍵詞：連續(xù)導(dǎo)電模式；斷續(xù)導(dǎo)電模式；分段前饋補(bǔ)償；反激式；逆變器

0 引言

逆變器根據(jù)其電感電流狀態(tài)可分為：連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode，CCM）[1]、臨界導(dǎo)電模式（Boundary Conduction Mode，BCM）[2]以及斷續(xù)導(dǎo)電模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）[3]。在現(xiàn)有的反激式DC-AC逆變器研究中，反激式DC-AC逆變器閉環(huán)控制系統(tǒng)提出的前饋補(bǔ)償方案均基于理想狀態(tài)，即均假設(shè)逆變器在每個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)任意相位角均運(yùn)行于連續(xù)導(dǎo)電模式[4]。但是在實(shí)際運(yùn)行中，逆變器在電網(wǎng)周期內(nèi)可能工作于斷續(xù)或連續(xù)導(dǎo)電雙模式[5-7]。本文提出了一種按斷續(xù)導(dǎo)電模式、連續(xù)導(dǎo)電模式分區(qū)間進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄟ^(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)了斷續(xù)和連續(xù)工作的臨界點(diǎn)，推導(dǎo)出輸出功率為唯一自變量的分段前饋補(bǔ)償表達(dá)式，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)工作模式分段進(jìn)行前饋補(bǔ)償。然后通過(guò)仿真對(duì)本文所提出補(bǔ)償方法進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比不同輸出功率時(shí)的電流波形可以發(fā)現(xiàn)，本文所提出的分段前饋補(bǔ)償算法在全功率范圍對(duì)并網(wǎng)電流諧波畸變率均有較好的改善效果，在中小功率輸出時(shí)具備顯著改善效果。

1 反激式DC-AC逆變器分段前饋補(bǔ)償控制算法設(shè)計(jì)

圖1所示為連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。可以看出，連續(xù)導(dǎo)電模式的反激式DC-AC逆變器中關(guān)鍵元器件包括：輸入電容Cin，變壓器TR，主功率MOSFET Sp以及整流二極管D。

2 仿真分析

根據(jù)第1節(jié)中設(shè)計(jì)的反激式DC-AC逆變器分段前饋補(bǔ)償控制算法，基于MATLAB/Simuink仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，對(duì)比不同功率分段前饋補(bǔ)償前后的輸出電流波形，使用MATLAB/Simuink中的FFT分析工具對(duì)輸出電流波形進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，采用分段補(bǔ)償后，在相同的PI控制器下，輸出電流總諧波畸變率顯著降低，中小功率改善尤為明顯。

圖5所示為輸出功率50 W時(shí)分段前饋補(bǔ)償前后電流對(duì)比。在使用分段前饋補(bǔ)償方法之前，并網(wǎng)電流THD為20.75%；使用分段前饋補(bǔ)償方法后，并網(wǎng)THD為2.43%。

圖6所示為輸出功率100 W時(shí)分段前饋補(bǔ)償前后輸出電流對(duì)比。使用分段補(bǔ)償控制方法之前，輸出電流THD為16.73%；使用分段補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法后，輸出電流THD為2.27%。

圖6為輸出功率100 W時(shí)分段前饋補(bǔ)償前后的電感電流波形對(duì)比。

圖8所示為輸出功率150 W時(shí)分段前饋控制前后并網(wǎng)電流對(duì)比。在使用分段前饋補(bǔ)償方法之前，輸出電流THD為5.98%；使用分段前饋補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法后，輸出電流THD為2.50%。

圖9為輸出250 W時(shí)扥段前饋補(bǔ)償前后輸出電流對(duì)比。在使用分段前饋補(bǔ)償方法之前，輸出電流THD為3.16%；在使用分段前饋補(bǔ)償方法之后，輸出電流THD為2.81%。

對(duì)比圖5～圖9發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與本文計(jì)算推導(dǎo)結(jié)論相符，分段前饋補(bǔ)償控制算法對(duì)提高輸出電流的THD有顯著效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出按斷續(xù)導(dǎo)電模式、連續(xù)導(dǎo)電模式工作區(qū)間分段進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，?jì)算了工作模式切換點(diǎn)，推導(dǎo)出了與輸出功率相關(guān)的分段前饋補(bǔ)償表達(dá)式，提出了按工作模式進(jìn)行分段前饋補(bǔ)償?shù)目刂品椒?。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文提出的分段前饋補(bǔ)償算法在全功率范圍對(duì)輸出電流THD均具有較好的改善效果，對(duì)中小功率輸出的電流改善效果尤為顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] PAPANIKOLAOU N P，TATAKIS E C. Active voltage clamp in flyback converters operating in CCM mode under wide load variation[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2004，51（3）：632-640.

[2] ZHANG Z，CHEN M，GAO M，et al.An optimal control method for grid-connected photovoltaic micro-inverter to improve the efficiency at light-load condition[C].Energy Conversion Congress and Exposition （ECCE），2011 IEEE：219-224.

[3] MYRZIK J M A，CALAIS M.String and module integrated inverters for single-phase grid connected photovoltaic systems-a review[C]//Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna.

[4] 陳堅(jiān).電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5] JOHNS M，LE H P，SEEMAN M.Grid-Connected Solar Electronics[Z].Contemporary Energy Issues，Department of Electrical Engineering and Computer Sciences，University of California at Berkeley，2009.

[6] MO Q，CHEN M，ZHANG Z，et al.Digitally controlled active clamp interleaved flyback converters for improving efficiency in photovoltaic grid-connected micro-inverter[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2012 Twenty-Seventh Annual IEEE：555-562.

[7] THANG T V，THAO N M，JANG J，et al.Analysis and design of grid-connected photovoltaic systems with multiple-integrated converters and a single-phase pseudo DC-link inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014（7）：3377-3386.