论文部分内容阅读
摘要：介绍了一种适用于光伏提水灌溉系统的两级式逆变供电装置；针对传统boost-VSI电路升压系数低、占空比极大的缺点，介绍了一种电流反馈开关升压电路，其升压比例大，同时不要求极端的占空比操作，具有良好的抗电磁干扰（EMI）特性，与逆变器连接输出交流电压，电流稳定，功率转化率高，大大提高了提水灌溉能力。经仿真和样机试验证实该改进方案可靠稳定。
关键词：光伏；提水灌溉；逆变器；直流升压；电流反馈
中图分类号： S277.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0431-04
我国国土面积广阔，部分农业生产地区电网覆盖率不高，这严重影响了农业灌溉，给农业生产带来了沉重的负担[1]。光伏提水灌溉系统作为新能源在现代农业生产的应用，成为优化现代农业生产电气机械化设备的新动力，成功减轻了农业生产用电紧张地区提水灌溉困难的现状[2-3]。本研究介绍了一种基于优化设计的两级式逆变供电装置，适用于光伏提水灌溉系统。本研究中所述的电流反馈开关升压电路结构简单，电子元器件数量少，相比传统boost-VSI电路具有更高的升压能力，又不要求极端的占空比操作，同时，具备连续输入电流特性，使得它更加适合应用于新能源供电系统，以确保装置的使用寿命[4-6]。太阳能电池板产生的低电压经过电流反馈开关升压电路升压后送入逆变器，输出的交流电压、电流波形良好、稳定，系统电磁干扰（EMI）性低[7-9]，有效转化太阳能用于提水灌溉设备供电，大大提高农业生产效率[10]。
1传统boost-VSI电路
传统的boost-VSI电路的拓扑图如图1所示，前级DC-DC升压电路由开关管Gs控制开通关断，通过电感L储能泵升电压和电容C保持电压输出达到升高电压的作用，其升压比例为1 ∶（1-α）（α为占空比）。
传统升压转换器的最大增益在占空比（α）接近1时获得，这导致电路中的二极管将经受严重的反向恢复，从而增加了导通损耗，并产生电磁干扰（EMI）[11-12]。这些问题在高开关频率工作状态下尤为明显[13]。
传统boost-VSI电路的后级DC-AC逆变环节中IGBT上下桥臂不能同时导通，以避免瞬时短路损坏功率开关，因此在控制开关驱动中要加入死区，但是这样又会造成输出波形的干扰、失真[14-15]。
2电流反馈开关升压电路
基于上述传统boost-VSI电路存在的问题，本研究提出一种电流反馈开关升压电路，与后级逆变器相结合形成改进后的两级光伏逆变装置[16]。图2中RDC为泄放电阻，防止电容两端过电压。
2.1原理分析
在VSI结构中，任意上下桥臂都不允许同时导通，因为这样可能会对开关造成潜在威胁；因此，互补开关信号之间必须设置死区时间。而电流反馈开关升压逆变电路中逆变器上下桥臂2个开关同时导通是可以的，是一个有效的状态，这样可以更好地降低电磁干扰和波形失真。
如图3所示，Si表示后级逆变环节同一桥臂上下开关同时导通的状态，电容Co的初始电压等于Vg，并且开关信号启动之前电感电流最初值为零。当开关S、Si导通时，二极管Da和Db反向偏置，电源Vg和电容Co一起给电感器L充电；开关S、Si关断时，二极管Da和Db接通，电感给Co充电（图4），
输入电压为30 V、占空比为0.45时的升压效果见图7。考虑到非理想情况下，电压上升接近300 V，将（a）部分放大
得到（b），可以清楚看出电压波动控制在280.72～280.90 V，说明经过升压后直流电压输出稳定，有利于后级逆变的进行。
对该两级式逆变装置的输出电流进行THD分析，输出电流谐波少而稳定（图8）。如图9对装置进行变负载测试，输出交流电流依然稳定。
5试验测试
为了实际验证本研究所提出的两级式逆变装置的正确性，设计了1台3 kW的试验样机，并对其进行了试验测试。输入电流30 V，占空比0.45，逆变输出220 V交流电。当负载由400 Ω逐渐变化到80 Ω时，输出电流的变化情况如图10所示：波形显示随着负载变化电流变化波形稳定；再对装置进行负载突变试验，结果如图11所示：在0.04 s处负载由400 Ω突变到100 Ω，电压波形一直平稳，电流波形在0.04 s处经过极短时间的小突变后迅速恢复稳定，证明该装置抗干扰能力强，运行稳定。
6结语
基于光伏提水灌溉系统，本研究设计了一种两级式逆变供电装置，针对传统boost升压电路的不足，设计了一种电流反馈开关升压电路，提高了升压增益，同时解决了通用逆变器死区设置导致波形失真的问题。经过仿真和试验证实，本装置运行稳定，抗干扰能力强，为新能源技术应用于实际工程中提供了技术支持。
参考文献：
[1]吴红斌，蔡亮. 可再生能源分布式发电系统的经济调度[J]. 农业工程学报，2010，26（12）：287-292.
[2]Machiel M，Bert S. The impact of renewable energy on electricity prices in the Netherlands[J]. Renewable Energy，2013，57：94-100.
[3]石庆均，耿光超，江全元. 独立运行模式下的微网实时能量优化调度[J]. 中国电机工程学报，2012，32（16）：26-35.
[4]Li W H，He X N.Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications[J]. IEEE Trans Ind Electron，2011，58（4）：1239-1250. [5]Dwari S，Parsa L. An efficient high-step-up interleaved DC-DC converter with a common active clamp[J]. IEEE Trans Power Electron，2011，26（1）：66-78.
[6]Kadri R，Gaubert J P，Champenois G. An improved maximum power point tracking for photovoltaic grid-connected inverter based on voltage-oriented control[J]. IEEE Trans Ind Electron，2011，58（1）：66-75.
[7]Busquets-Monge S，Alepuz S，Bordonau J. A novel bidirectional multilevel Boost-Buck DC-DC converter[J]. IEEE Trans Power Electron，2011，26（8）：2172-2183.
[8]宋文祥，陈国呈，束满堂，等. 中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26（5）：105-109.
[9]Mishra S，Adda R，Joshi A. Inverse Watkins-Johnson topologybased inverter[J]. IEEE Trans Power Electron，2012，27（3）：1066-1070.
[10]井天军，杨明皓. 农村户用风/光/水互补发电与供电系统的可行性[J]. 农业工程学报，2008，24（8）：178-181.
[11]张博，朴在林，李鹏. 农村配电网中多谐波源谐波叠加算法的研究[J]. 农业工程学报，2008，24（6）：200-202.
[12]Kakigano H，Miura Y，Ise T. Low-voltage bipolar-type DC microgrid for super high quality distribution[J]. IEEE Trans Power Electron，2010，25（12）：3066-3075.
[13]Upadhyay S，Mishra S，Joshi A. A wide bandwidth electronic load[J]. IEEE Trans Ind Electron，2012，59（2）：733-739.
[14]Blaabjerg F，Chen Z，Kjaer S B. Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems[J]. IEEE Trans Power Electron，2004，19（5）：1184-1194.
[15]Lopez-Lapena O，Penella M，Gasulla M. A closed-loop maximum power point tracker for subwatt photovoltaic panels[J]. IEEE Trans Ind Electron，2012，59（3）：1588-1596.
[16]Adda R，Mishra S，Joshi A. Analysis and PWM control of switched boost inverter[J]. IEEE Trans Ind Electron，2013，60（12）：5593-5602.
[17]Rodriguez J，Kazmierkowski M P，Espinoza J R，et al.State of the art of finite control set model predictive control in power electronics[J]. IEEE Trans Ind Informat，2012，59（2）：1003-1016.
[18]Blanes J，Toledo F，Montero S，et al.In-site real-time photovoltaic I-V curves and maximum power point estimator[J]. IEEE Trans Power Electron，2013，28（3）：1234-1240.
[19]Teodorescu R，Blaabjerg F，Liserre M，et al.Proportional resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters[J]. IEE Proc-Electr Power Appl，2010，153（5）：750-762.
关键词：光伏；提水灌溉；逆变器；直流升压；电流反馈
中图分类号： S277.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0431-04
我国国土面积广阔，部分农业生产地区电网覆盖率不高，这严重影响了农业灌溉，给农业生产带来了沉重的负担[1]。光伏提水灌溉系统作为新能源在现代农业生产的应用，成为优化现代农业生产电气机械化设备的新动力，成功减轻了农业生产用电紧张地区提水灌溉困难的现状[2-3]。本研究介绍了一种基于优化设计的两级式逆变供电装置，适用于光伏提水灌溉系统。本研究中所述的电流反馈开关升压电路结构简单，电子元器件数量少，相比传统boost-VSI电路具有更高的升压能力，又不要求极端的占空比操作，同时，具备连续输入电流特性，使得它更加适合应用于新能源供电系统，以确保装置的使用寿命[4-6]。太阳能电池板产生的低电压经过电流反馈开关升压电路升压后送入逆变器，输出的交流电压、电流波形良好、稳定，系统电磁干扰（EMI）性低[7-9]，有效转化太阳能用于提水灌溉设备供电，大大提高农业生产效率[10]。
1传统boost-VSI电路
传统的boost-VSI电路的拓扑图如图1所示，前级DC-DC升压电路由开关管Gs控制开通关断，通过电感L储能泵升电压和电容C保持电压输出达到升高电压的作用，其升压比例为1 ∶（1-α）（α为占空比）。
传统升压转换器的最大增益在占空比（α）接近1时获得，这导致电路中的二极管将经受严重的反向恢复，从而增加了导通损耗，并产生电磁干扰（EMI）[11-12]。这些问题在高开关频率工作状态下尤为明显[13]。
传统boost-VSI电路的后级DC-AC逆变环节中IGBT上下桥臂不能同时导通，以避免瞬时短路损坏功率开关，因此在控制开关驱动中要加入死区，但是这样又会造成输出波形的干扰、失真[14-15]。
2电流反馈开关升压电路
基于上述传统boost-VSI电路存在的问题，本研究提出一种电流反馈开关升压电路，与后级逆变器相结合形成改进后的两级光伏逆变装置[16]。图2中RDC为泄放电阻，防止电容两端过电压。
2.1原理分析
在VSI结构中，任意上下桥臂都不允许同时导通，因为这样可能会对开关造成潜在威胁；因此，互补开关信号之间必须设置死区时间。而电流反馈开关升压逆变电路中逆变器上下桥臂2个开关同时导通是可以的，是一个有效的状态，这样可以更好地降低电磁干扰和波形失真。
如图3所示，Si表示后级逆变环节同一桥臂上下开关同时导通的状态，电容Co的初始电压等于Vg，并且开关信号启动之前电感电流最初值为零。当开关S、Si导通时，二极管Da和Db反向偏置，电源Vg和电容Co一起给电感器L充电；开关S、Si关断时，二极管Da和Db接通，电感给Co充电（图4），
输入电压为30 V、占空比为0.45时的升压效果见图7。考虑到非理想情况下，电压上升接近300 V，将（a）部分放大
得到（b），可以清楚看出电压波动控制在280.72～280.90 V，说明经过升压后直流电压输出稳定，有利于后级逆变的进行。
对该两级式逆变装置的输出电流进行THD分析，输出电流谐波少而稳定（图8）。如图9对装置进行变负载测试，输出交流电流依然稳定。
5试验测试
为了实际验证本研究所提出的两级式逆变装置的正确性，设计了1台3 kW的试验样机，并对其进行了试验测试。输入电流30 V，占空比0.45，逆变输出220 V交流电。当负载由400 Ω逐渐变化到80 Ω时，输出电流的变化情况如图10所示：波形显示随着负载变化电流变化波形稳定；再对装置进行负载突变试验，结果如图11所示：在0.04 s处负载由400 Ω突变到100 Ω，电压波形一直平稳，电流波形在0.04 s处经过极短时间的小突变后迅速恢复稳定，证明该装置抗干扰能力强，运行稳定。
6结语
基于光伏提水灌溉系统，本研究设计了一种两级式逆变供电装置，针对传统boost升压电路的不足，设计了一种电流反馈开关升压电路，提高了升压增益，同时解决了通用逆变器死区设置导致波形失真的问题。经过仿真和试验证实，本装置运行稳定，抗干扰能力强，为新能源技术应用于实际工程中提供了技术支持。
参考文献：
[1]吴红斌，蔡亮. 可再生能源分布式发电系统的经济调度[J]. 农业工程学报，2010，26（12）：287-292.
[2]Machiel M，Bert S. The impact of renewable energy on electricity prices in the Netherlands[J]. Renewable Energy，2013，57：94-100.
[3]石庆均，耿光超，江全元. 独立运行模式下的微网实时能量优化调度[J]. 中国电机工程学报，2012，32（16）：26-35.
[4]Li W H，He X N.Review of nonisolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaic grid-connected applications[J]. IEEE Trans Ind Electron，2011，58（4）：1239-1250. [5]Dwari S，Parsa L. An efficient high-step-up interleaved DC-DC converter with a common active clamp[J]. IEEE Trans Power Electron，2011，26（1）：66-78.
[6]Kadri R，Gaubert J P，Champenois G. An improved maximum power point tracking for photovoltaic grid-connected inverter based on voltage-oriented control[J]. IEEE Trans Ind Electron，2011，58（1）：66-75.
[7]Busquets-Monge S，Alepuz S，Bordonau J. A novel bidirectional multilevel Boost-Buck DC-DC converter[J]. IEEE Trans Power Electron，2011，26（8）：2172-2183.
[8]宋文祥，陈国呈，束满堂，等. 中点箝位式三电平逆变器空间矢量调制及其中点控制研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26（5）：105-109.
[9]Mishra S，Adda R，Joshi A. Inverse Watkins-Johnson topologybased inverter[J]. IEEE Trans Power Electron，2012，27（3）：1066-1070.
[10]井天军，杨明皓. 农村户用风/光/水互补发电与供电系统的可行性[J]. 农业工程学报，2008，24（8）：178-181.
[11]张博，朴在林，李鹏. 农村配电网中多谐波源谐波叠加算法的研究[J]. 农业工程学报，2008，24（6）：200-202.
[12]Kakigano H，Miura Y，Ise T. Low-voltage bipolar-type DC microgrid for super high quality distribution[J]. IEEE Trans Power Electron，2010，25（12）：3066-3075.
[13]Upadhyay S，Mishra S，Joshi A. A wide bandwidth electronic load[J]. IEEE Trans Ind Electron，2012，59（2）：733-739.
[14]Blaabjerg F，Chen Z，Kjaer S B. Power electronics as efficient interface in dispersed power generation systems[J]. IEEE Trans Power Electron，2004，19（5）：1184-1194.
[15]Lopez-Lapena O，Penella M，Gasulla M. A closed-loop maximum power point tracker for subwatt photovoltaic panels[J]. IEEE Trans Ind Electron，2012，59（3）：1588-1596.
[16]Adda R，Mishra S，Joshi A. Analysis and PWM control of switched boost inverter[J]. IEEE Trans Ind Electron，2013，60（12）：5593-5602.
[17]Rodriguez J，Kazmierkowski M P，Espinoza J R，et al.State of the art of finite control set model predictive control in power electronics[J]. IEEE Trans Ind Informat，2012，59（2）：1003-1016.
[18]Blanes J，Toledo F，Montero S，et al.In-site real-time photovoltaic I-V curves and maximum power point estimator[J]. IEEE Trans Power Electron，2013，28（3）：1234-1240.
[19]Teodorescu R，Blaabjerg F，Liserre M，et al.Proportional resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters[J]. IEE Proc-Electr Power Appl，2010，153（5）：750-762.