专利名称：输入串联输出串联升压变换器及其均压均流控制电路和方法
技术领域：
本发明涉及大功率双极式光伏并网逆变器的前级升压变换器，具体涉及一种输入串联输出串联升压变换器及其均压均流控制电路和方法。
背景技术：
随着环境污染的日益严重，能源的严重短缺，利用新能源发电已经成为一种必然的趋势，太阳能这一清洁无偿的绿色能源也受到了人类越来越多的青睐。在太阳能发电系统中，首先由电池板将光能转换为电能，然后通过光伏逆变器将该直流电转化为供家庭使用或并网并入电网的高质量交流电。随着太阳能应用技术的发展，光伏发电系统的主流发展趋势无疑将是并网光伏发电。双极式并网逆变器前级升压变换器输出为后级逆变器的输入，传统升压变换器 BOOST如图1所示，功率开关管Tl关断耐压等于输出电压，对于大功率的光伏并网系统而言，当母线电压较高时，前级升压变换器功率管的关断耐压也较高，不仅不易选取，而且不易在高频下工作。如果通过降低开关频率来减少开关损耗，升压电感的体积又会相对增大。 为了突破这一问题的解决方案，本发明提出了采用输入串联输出串联的升压变换器拓扑， 并解决了输入串联输出串联升压变换器均压均流的问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，在大功率的光伏并网系统中，本发明引入了输入串联、输出串联的双BOOST升压变换器，在该变换器拓扑中，功率管的关断耐压仅为输出电压的一半，从而可以按耐压标称值为母线电压一半来选取功率开关管，且由于两个升压电感共同承受升压任务，电感的体积可以相对变小。同时，本发明又克服了上述输入串联、输出串联的升压变换器出现的两路升压变换器不能均压均流的问题，若两路串联的升压变换器工作在不均压状态，其中一路升压变换器功率开关管的关断耐压大于母线电压的一半，如果缺少均压均流控制措施，不均压的现象将持续加重，最后只有一个升压变换器来完成升压变换的功能，严重时将导致炸机。本发明是通过以下技术方案实现的一种输入串联输出串联升压变换器，第一电容C、第一电感L、第一功率开关管T、 第一二极管D、第三电容C组成升压变换器一，第二电容C、第二电感L、第二功率开关管T、 第二二极管D、第四电容C组成升压变换器二，该两个升压变换器之间设有中线作为共用部分，两个升压变换器的输入电容(第一电容C、第二电容C)的电压之和为输入电压，输出电容(第三电容C、第四电容C)的电压之和为输出电压。所述升压变换器一中，其第一电容C 与第一电感L连接，第一电感L另一端分别与第一功率开关管T、第一二极管D阳极连接，第一二极管D阴极与第三电容C连接，第三电容C另一端与第四电容C连接。所述升压变压器二中，第四电容C的另一端与第二二极管D阳极连接，第二二极管D阴极分别与第二功率开关管T、第二电感L连接，第二电感L另一端与第二电容C连接。两个输入电容(第一电容C、第二电容C)之间、两个功率开关管之间、两个输出电容(第三电容C、第四电容C)之间经由所述的中线相连接。—种实现所述变换器均压均流的控制电路，包括电压环部分、均压环部分和两个并行的电流环部分，电压环部分、均压环部分、电流环部分依次连接，电压环部分信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接，电流环部分通过电流传感器与变换器部分连接，均压环部分的信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接；所述电压环部分顺次由求和运算器SUM、比例积分控制器PI、限幅器LIM串联组成，求和运算器输入端分别与输入电压参考值、输入电压反馈信号连接；所述均压环包括求和运算器SUM、比例积分运算器PI、限幅器LIM串联组成，求和运算器输入端分别通过电压传感器与两路升压变换器输出电容相接；电压环的输出、均压环的输出分别与第四求差运算器SUM相连接，该求差运算器的输出作为电流环一的给定值；电压环的输出、均压环的输出分别与第五求和运算器SUM相连接，该求和运算器的输出作为电流环二的给定值；所述电流环部分包括相互并行的电流环一、电流环二，每个电流环顺次由求差运算器SUM、比例积分控制器PI、限幅器LIM串联组成，该求差运算器SUM输入端另与相应的升压变换器上的电流传感器ISEN连接。一种均压均流控制方法，在电压环的基础上，采样两路升压变换器输出电压参与均压环路控制，电压环与均压环和差运算后的输出为两个电流环的输入，电流环有两个环路，分别跟踪控制两路升压变换器的电感电流，电流环的另一输入为对应电感电流的反馈值，两个并行电流环的输出作为各自功率开关管脉宽调制的调制波信号，功率管的开关控制电容的充放电时间以实现控制回路两输出电压均压。与现有技术相比，本发明控制策略的优点在于它提高了输入串联输出串联的双 BOOST升压变换器的稳定性和可靠性，并有助于提高系统的整机效率。输入串联输出串联的升压变换器单元，功率管的关断耐压仅为输出电压的一半，为单个升压变换器的一半，因此可以在相对较高的开关频率下工作，也有效的减小了电感的体积。
图1是传统升压变换器拓扑及控制环路；图2是输入串联输出串联升压变换器拓扑及均压均流控制环路；图3是本发明控制环路框图；图4是未加均压环的输入输出电压均压波形；图5是采用本发明方法的系统开机时输入输出电容均压波形；图6是采用本发明方法的输入输出电容稳态均压波形；图7是采用本发明方法的升压电感电流波形；图8是采用本发明方法的中线电流波形；图9是采用本发明方法的功率管Tl、T2的驱动波形。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图2所示的输入串联输出串联升压变换器拓扑及均压均流控制环路VSENO为电压传感器，用于采样变换器的输入电压Vpv ；VSENl为电压传感器，用于采样升压变换器一的输出电压Vc3 ；VSEN2为电压传感器，用于采样升压变换器二的输出电压Vc4 ；ISENSl为电流传感器，采样升压变换器一的电感Ll的电流ill ；ISENSE2为电流传感器，采样升压变换器二的电感L2的电流i 12。整个控制环路包括电压环部分、均压环部分、两个并行的电流环部分，电压环部分、均压环部分、电流环部分依次连接，电压环部分信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接，均压环部分的信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接，电流环部分通过电流传感器与变换器部分连接，其信号输出端作为开关管T1、T2的脉宽调制波。所述的输入串联输出串联的转换器，如图2所示电容Cl、电感Li、功率开关管 Tl、二极管D1、电容C3组成升压变换器一，电容C2、电感L2、功率开关管Τ2、二极管D2、电容 C4组成升压变换器二，该两个升压变换器之间设有中线作为共用部分，直流源Vdc与电阻 R串联来模拟光伏输入，两个升压变换器的输入电容C1、C2电压之和为输入电压，输出电容 C3、C4电压之和为输出电压。中线ON为两个升压变换器共用的部分，理想工作状态中线电流为0。所述电压环部分顺次由求和运算器SUMl、比例积分控制器PI1、限幅器LIMl串联组成，求和运算器SUMl输入端分别与输入电压参考值(由用户自己给定)、输入电压反馈信号(即电压传感器采样得到的输入电压Vpv)连接。电压环的反馈信号为变换器输入电压的采样值Vpv，经比例积分控制器PIl处理输出后输出信号经由限幅器LIMl处理，限制电压环输出的最大值和最小值。所述均压环包括求和运算器SUM6、比例积分运算器PI4、限幅器LIM4串联组成，求和运算器SUM6输入端分别通过电压传感器VSEm、VSEN2与两路升压变换器输出电容相接。电压环的输出、均压环的输出分别与求差运算器SUM4相连接，求差运算器SUM4的输出作为电流环一的给定值；求差运算器SUM4与求差运算器SUM2相连接，作为升压变换器一升压电感的电流参考给定值。电压环的输出、均压环的输出分别与求和运算器SUM5相连接，求和运算器SUM5的输出作为电流环二的给定值；求和运算器SUM5与求差运算器SUM3 相连接，作为升压变换器二升压电感的电流参考给定值。所述电流环部分包括两个相互并行的电流环一、电流环二，两者分别对应控制升压变换器一电感Ll的电流iLl、升压变换器二电感L2的电流iL2。以升压变换器一的电流环一为例，电流环一顺次由求和运算器SUM2、比例积分控制器PI2、限幅器LIM2串联组成， 求和运算器SUM2输入端分别与求差运算器SUM4、升压变换器上的电流传感器ISENSl连接。 求差运算器SUM4的输出作为参考信号、电感Ll的电流iLl作为反馈信号，分别是求差运算器SUM2的输入信号，运算处理后再经由比例积分控制器PI2处理，比例积分控制器PI2输出信号经由限幅器LIM2处理，限制电流环一输出信号的最大值和最小值，以此来限制占空
6比的最大值和最小值。电流环二的结构和工作同电流环一。所述的脉宽调制部分由两个比较器C0MP(1，2) —个三角载波器VTRIl组成，限幅器LIM⑵输出端与比较器COMPl “ + ”输入端连接，限幅器LIM3输出端与比较器C0MP2 “ + ” 输入端连接，三角载波器VTRIl分别与比较器C0MP1、比较器C0MP2的“_”输入端连接，比较器COMPl与升压变换器一中的开关管Tl连接，比较器C0MP2与升压变换器二中的开关管 T2连接。即比较器COMPl的输出信号PWMl为升压变换器一中的开关管Tl的脉宽调制信号，比较器C0MP2的输出信号PWM2为升压变换器二中的开关管T2的脉宽调制信号。由此， 电流环的输出信号mppd_l、mppd_2为调制波信号。调制波信号分别于三角载波VTRIl交截后得到功率开关管Tl、T2的脉宽调制信号PWM1、PWM2。本发明采用两路输入电压的压差或两路输出电压的压差参与调制功率管的工作状态。在双闭环控制基础上，加入均压控制环节，当升压变换器一的输出电压Vc3大于升压变换器二的输出电压Vc4时，增大升压变换器一输出电容C3的放电时间或增大升压变换器二输出电容C4充电时间，因为当功率开关管Tl开通时，升压变换器一输入电容Cl充电、 输出电容C3放电；当功率开关管T2开通时，升压变换器二输入电容C2充电、输出电容C4 放电；反之亦然。所以通过均压环的作用改变调制波信号的大小，以此改变脉宽调制信号 PWMU PWM2的占空比大小，以此调节输出输入电容的充放电时间。电压环与均压环经和差运算器后的输出分别为两个电流环的输入，电流环有两个环路，分别跟踪控制两路升压变换器的电感电流，电流环的输入为该路电感电流iLl、iL2 的反馈值，电流环的输出作为各自功率开关管脉宽调制的调制波信号，功率开关管的开通时间为输入电容的充电时间，同时为输出电容的放电时间，而功率开关管的关断时间为输入电容的放电时间，同时为输出电容的充电时间。均压环路间接参加了功率开关管的脉宽调制，从而参与了输入电容输出电容的充放电时间的控制，即当输入电容Cl的电压大于输入电容C2的电压时，增大功率开关管Tl的关断时间，当输出电容C3的电压大于电容C4 的电压时，增大功率开关管T2的开通时间，反之亦然。当输入输出均压时，中线的电流Itl即为零，两个升压变换器的电感电流大小相等。该方法采用两路输出电压的压差参与调制功率管的工作状态，实现了良好的均压效果，当采样两路输入电压的压差值参与均压控制时，效果一样。仿真验证该控制方法，采用的控制方案如图3所示直流电压源Vdc与电阻R串联来模拟光伏板；采样光伏板输出电压Vpv参与电压环控制；采样升压电感Ll、L2的电流iLl、iL2参与电流环控制；采样输出电容C3的电压Vc3，输出电容C4的电压Vc4参与均压环控制。其中f (D (t)，Vc3)、f (D (t)，Vc4)分别如式1所示，其中Dl为功率开关管Tl的占空比、D2为功率开关管T2的占空比。
权利要求
1.一种输入串联输出串联升压变换器，其特征在于，电容C(I)、电感L(I)、功率开关管 T (1)、二极管D (1)、电容C (3)组成升压变换器一，电容C (2)、电感L (2)、功率开关管T (2)、 二极管DQ)、电容C(4)组成升压变换器二，该两个升压变换器之间设有中线作为共用部分，两个升压变换器的输入电容C(I)、C(2)电压之和为输入电压，输出电容C(3)、C(4)电压之和为输出电压；所述升压变换器一中，其电容C(I)与电感L(I)连接，电感L(I)另一端分别与功率开关管T(l)、二极管D(I)阳极连接，二极管D(I)阴极与电容C(3)连接，电容C(3)另一端与电容C(4)连接，所述升压变压器二中，电容C(4)的另一端与二极管DO)阳极连接，二极管 D (2)阴极分别与功率开关管W2)、电感L(2)连接，电感L(2)另一端与电容C(2)连接，两个输入电容之间、两个功率开关管之间、两个输出电容之间经由所述的中线相连接。
2.一种实现权利要求1变换器均压均流的控制电路，其特征在于，包括电压环部分、均压环部分和两个并行的电流环部分，电压环部分、均压环部分、电流环部分依次连接，电压环部分信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接，电流环部分通过电流传感器与变换器部分连接，均压环部分的信号输入端通过电压传感器与变换器部分连接；所述电压环部分顺次由求和运算器SUM(I)、比例积分控制器PI (1)、限幅器LIM(I)串联组成，求和运算器输入端分别与输入电压参考值、输入电压反馈信号连接；所述均压环包括求和运算器SUM (6)、比例积分运算器PK4)、限幅器LIM (4)串联组成， 求和运算器输入端分别通过电压传感器VSEm、VSEN2与两路升压变换器输出电容相接；电压环的输出、均压环的输出分别与求差运算器SUM(4)相连接，该求差运算器的输出作为电流环一的给定值；电压环的输出、均压环的输出分别与求和运算器SUM(5)相连接，该求和运算器的输出作为电流环二的给定值；所述电流环部分包括相互并行的电流环一、电流环二，每个电流环顺次由求差运算器 SUM、比例积分控制器PI、限幅器LIM串联组成，该求差运算器SUM输入端另与对应升压变换器上的电流传感器ISEN连接。
3.如权利要求2所述的控制回路，其特征在于，所述的电压传感器连接于电容C3、电容 C4输出电压两侧或者连接于电容Cl、电容C2输入电压两侧。
4.一种如权利要求2均压均流控制方法，其特征在于，在电压环的基础上，采样两路升压变换器输出电压参与均压环路控制，电压环与均压环经和差运算后的输出为两个电流环的输入，电流环有两个环路，分别跟踪控制两路升压变换器的电感电流，电流环的另一输入为对应电感电流的反馈值，两个电流环的输出分别作为各自功率开关管脉宽调制的调制波信号，功率管的开关控制电容的充放电时间以实现控制回路两输出电容均压。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述的采样两路输出电容电压方式替换为采样两路输入电容电压方式。
6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，均压环路参加了两路电流环幅值给定， 通过控制两路电感电流来参与功率开关管的脉宽调制，从而参与了输入电容输出电容的充放电时间的控制，即当输入电容C(I)的电压大于输入电容C(2)的电压时，增大功率开关管T(I)的关断时间，当输出电容C(3)的电压大于电容C(4)的电压时，增大功率开关管 T(I)的开通时间，反之亦然。
7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当输入输出均压时，中线的电流Itl为零，两个升压变换器的电感电流大小相等。
全文摘要
输入串联输出串联升压变换器及其均压均流控制电路和方法，属较大功率双级式光伏并网逆变器技术领域。电容C(1)、电感L(1)、功率开关管T(1)、二极管D(1)、电容C(3)组成升压变换器一，电容C(2)、电感L(2)、功率开关管T(2)、二极管D(2)、电容C(4)组成升压变换器二，该两个升压变换器之间设有中线作为共用部分，两个升压变换器的输入电容C(1)、C(2)电压之和为输入电压，输出电容C(3)、C(4)电压之和为输出电压。本发明引入了输入串联、输出串联的双BOOST升压变换器，解决了它的均压均流的问题，提高了双BOOST升压变换器的稳定性和可靠性。与常规BOOST升压变换器相比，可以选用电压等级较低的功率管，开关损耗小，可以以相对较高的开关频率工作，减小升压电感的体积，通过优化设计可提高系统的整机效率。
文档编号H02M3/156GK102214994SQ201010140918
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月7日 优先权日2010年4月7日
发明者相海涛, 蒋海江, 邹勇, 郝飞琴, 马超 申请人:上海航锐电源科技有限公司