功率因数不为1的逆变器模拟

Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集1 I. INTRODUCTION日前，世界能源問題突顯，再生能源得到廣泛重視和應用。越來越多的再生能源注入交流電網AC grid， 導致電網電壓和頻率的波動， 這可能會使得整個電網癱瘓。 一些國際標準， 例如 VDE-AR-N 4105 [1]，要求與電網連接的變換器 inverter能夠按照指令操作在功率因數 Power Factor超前或落後0.9，這樣可以平衡電網的電壓和頻率在正常範圍內。隨著與電網連接的再生能源系統的增加，實功和虛功注入電網變得非常重要，控制功因超前或落後可以幫助穩定電網電壓和頻率。A. 全橋架構採用全橋 full-bridge 拓撲結構的變換器可實現並網電壓電流功因的超前和落後的模擬。全橋變換電路示意圖如 Fig.1所示，全橋變換電路由 4個開關組成， S1、 S4導通， S2、 S3關斷輸出交流電壓的正半週， S2、 S3導通， S1、 S4關斷輸出交流電壓的負半週， S1、 S4和 S2、 S3輪流導通時，變換器負載上就可以得到交流方波輸出電壓，這就是全橋變換的基本原理。Fig.1 全橋變換電路示意圖B. 單極性 SPWM 由於並網電壓電流都是弦波信號，採用 SPWM控制。 SPWM控制是用脈衝寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的 SPWM波形控制變換電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈衝電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等。本次模擬採用單極性 SPWM控制，單極性 SPWM調製示功率因數 PF不為 1的 inverter Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集2 意圖如 Fig.2所示。Fig.2 單極性 SPWM調製示意圖C. 濾波 LC電路設計全橋變換設計輸出的是 20KHz的正弦脈寬調製方波 SPWM， 需要通過低通濾波器將高頻諧波濾除後才能輸送到電網上，無源濾波器的電路原理圖如 Fig.3所示。Vac全橋變換輸出的調製方波L/2L/2CFig.3 無源低通濾波器電路圖全橋可以等效為 2個半橋臂，橋臂的中點輸出為高頻方波，而電網電壓為正弦波，必須通過電感連接並網， 否則會造成的電流很大， 所以全橋輸出使用 2個電感連接電網， 電感的取值直接影響並網電流的紋波。假設電流紋波為變換器額定輸出電流的 20，額定電流 14.14A，電流紋波最大值為2.828A。根據電感特性得電力紋波為Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集3 2*2*21 311* sin * 20 sin 380 311sin * *2 2 * 3801901 0.67 sin * 2.828onSu TiLt L tt TLt TsL為輸出電壓角頻率， 2 377 /f rad s ， T為開關週期，為 50 s ，可計算出 3.36L m H ，故選擇 LC濾波電感為 L4mH。濾波器的轉折頻率 0 1 / LC ，一般選擇濾波器的轉折頻率為 0 10f ， f為開關頻率20KHz，可計算出濾波電容 63.3nFC17.6 F，濾波電容越大，則流入電容的虛功越大，流過電感和開關的電流也越大，這樣變換器效率會降低；濾波電容越小，則濾波器對 20KHz的開關雜訊的衰減會降低，濾波效果不佳，所以選擇濾波電容 C10 F。電力級電路 matlab模擬圖如 Fig.4所示。Fig.4 電力級電路 matlab模擬圖D. Bipolar 控制切換變換電路中開關器件的調製採用 Bipolar ModulationBP 方式，降低漏電流 leakage current和EMI。 BP-PWM開關控制原理圖如 Fig.5所示。 BP-PWM開關控制 matlab模擬圖如 Fig.6所示。Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集4 -VoltageReference VrefVcarrCarrierVg1,Vg4S1,S4Vg2,Vg3S2,S310Fig.5 BP-PWM開關控制原理圖Fig.6 BP-PWM開關控制 matlab模擬圖E. 推導 Duty Ratio改變 duty ratiod數值來控制開關通斷，可以得到期望的輸出波形，先推導出 d的關係式。在 0 st dT ， S1、 S4導通， S2、 S3關斷，全橋電路等效圖如 Fig.5所示。VDC VACL/2L/2 --iLFig.5 S1、 S4導通， S2、 S3關斷時全橋電路等效圖由等效圖可得 L D C A CdiL v vdt故 D C A CLon sv vi dTL在 s sdT t T ， S2、 S3導通， S1、 S4關斷，全橋電路等效圖如 Fig.6所示。Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集5 VDC VACL/2L/2- iL -Fig.6 S2、 S3導通， S1、 S4關斷時全橋電路等效圖同樣可得 L D C A CdiL v vdt1 D C ACLoff sv vi d TL電感電流 Li t波形圖如 Fig.7所示。dTs 1-dTsTs△ iLon △ iLoff△ iLFig.7 電感電流 Li t波形圖故 2 1D C A CL Lon Loff S Sv vi i i T d TL L可推出 12 2 2ACLD C S D CvL idv T v。由於電路中存在非線性因素， 電感電流 iL不會那麼精確的追踪參考電流 Iref 。 每個切換週期， 都存在兩個電流變量，一個是電流參考變量 vi I refn1 - I refn ，作為前饋分量表示；另一個是電流誤差變量 ei Irefn - ifbn，作為反饋分量表示。參考電感電流和回授電感電流隨 PWM信號變化Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集6 圖如 Fig.8所示。故 i vi ei I refn1 - I refn I refn - i fbn I refn1 - i fbn。由此，可以得出下一週期的 d。這樣便可以準確地追踪設定的正弦參考電流。PWMcounterPWMoutputA/D triggerPWM duty matchUpdate duty matchifbn-1Irefn1IrefnifbniLifbn1Sampling iv.Irefn-1Irefie.Fig.8 參考電感電流和回授電感電流隨 PWM 信號變化圖再利用數位信號源直接設定參考電流 Iref 相位偏移，即可實現功因 PF不為 1。控制級電路 matlab模擬圖如圖 Fig.8所示。Fig.8 控制級電路 matlab模擬圖電力級和控制級電路整合圖如 Fig.9所示。Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集7 Fig.9 電力級和控制級電路整合圖II. EXPERIMENTAL RESULTS A. 市電電壓未加入 3次、 5次諧波由於是數位控制，並網電流超前或落後電壓多少度，即要功因 PF為多少，可由程式設定。電流放大 10倍，電流落後電壓 30， PF0.866實驗所得波形如圖 Fig.10所示。Fig.10 電流放大 10倍，電流落後電壓 30， PF0.866實驗所得波形圖Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集8 電流放大 10倍，電流超前電壓 30， PF0.866實驗所得波形如 Fig.11所示。Fig.11 電流放大 10倍，電流超前電壓 30， PF0.866實驗所得波形圖共模電壓 Vcm實驗所得波形如 Fig.12所示。由波形可以看出， Vcm變化頻率為電網頻率，由圖可近似得出 150 sin 190cmv t V，根據 cmcm dvi Cdt，並假設寄生電容 C值為 100nF，則漏電流 leakage current為 5.7mA30mA，符合安規。Fig.12 共模電壓 Vcm實驗所得波形圖Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集9 B. 市電電壓加入 5的 3次、 5次諧波電流放大 10倍，電流落後電壓 30， PF0.866，電壓加入 3次、 5次諧波實驗所得波形如圖 Fig.13所示。Fig.13 電流放大 10倍，電流落後電壓 30， PF0.866，電壓加入 3次、 5次諧波實驗所得波形圖電流放大 10倍，電流超前電壓 30， PF0.866，電壓加入 3次、 5次諧波實驗所得波形如 Fig.14所示。Fig.14 電流放大 10倍，電流超前電壓 30， PF0.866，電壓加入 3次、 5次諧波實驗所得波形圖Photovoltaic Interface System Term Paper 塵埃落定上集10 III. CONCLUSIONS根據以上提出的控制方法和模擬電路， 全橋變換器可以準確地追踪設置的參考電流， 實現功因從0到 1，並且符合安全規範。REFERENCES[1] 周國祥， ” 小功率全橋光伏並網型逆變器的技術研究 ” ，電子科技大學碩士學位論文， 2010 [2] A. Yazdani, M. L. Crow, and J. 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