推挽電路在并網(wǎng)型MIC系統(tǒng)中的仿真與應(yīng)用

　　1.前言

　　隨著電力電子在光伏發(fā)電行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的用，光伏逆變器得到了快速的發(fā)展。目前，光伏逆變器正朝著小型化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，我們準(zhǔn)備做一個(gè)MIC(Module IntegratedConverter)系統(tǒng),該系統(tǒng)是建立在單個(gè)PV 模塊上的逆變器，解決了MPPT 的難控制問(wèn)題，不存在多模塊串并聯(lián)的功率嚴(yán)重?fù)p失問(wèn)題，在國(guó)外得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本論文主要介紹整套系統(tǒng)中的前級(jí)升壓電路，主電路拓?fù)?/strong>使用推挽升壓，控制芯片選用SG3525。

　　2.推挽主電路設(shè)計(jì)本文采用推挽升壓結(jié)構(gòu)，因?yàn)?strong>推挽電路是PV 模塊接入的第一級(jí)電路，在升壓級(jí)主要做MPPT 控制，本文不涉及MPPT 的控制電路設(shè)計(jì)，給出的控制基準(zhǔn)為一個(gè)電壓常數(shù)，可自行進(jìn)行修改。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　對(duì)于 MIC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求滿足輸入光伏模塊的給定指標(biāo)，本設(shè)計(jì)采用的光伏模塊為聚光光伏組件CM2402，具體參數(shù)見表1,根據(jù)給定輸入我們來(lái)確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　PV module 輸出為一個(gè)直流的電壓與電流，介于輸入電壓過(guò)低，我們必須對(duì)PV 輸出電壓進(jìn)行升壓以滿足并網(wǎng)要求，同時(shí)還要考慮在器件選擇上對(duì)耐壓，最大電流的承受能力。從上表可以得到，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍如下：

　　(1) 輸入電壓：0-48V;

　　(2) 輸入電流: 0-5A

　　(3) 輸入最大功率：200W

　　(4) 開關(guān)頻率：50Khz

　　2.2 實(shí)際電路器件選擇

　　實(shí)際電路中器件的選擇根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來(lái)確定，首先確定FUSE,FUSE 主要起到限制輸入電流過(guò)大作用，由于本系統(tǒng)輸入為一個(gè)PV module，受到自身光電轉(zhuǎn)換能力影響，電流最大為5A 左右，所以本設(shè)計(jì)中選用一個(gè)保險(xiǎn)電流值為6A 的保險(xiǎn)管。高頻開關(guān)管的確定，在參考文獻(xiàn)[1]中，可以得到，推挽電路的耐壓值大約為2.5 倍的輸入電壓值，電流的允許最大值為5A,選擇管子時(shí)，最低允許通過(guò)電流不能低于這個(gè)數(shù)值。另外，我們還要考慮到管子的損耗問(wèn)題，我們需要選擇一個(gè)低導(dǎo)通損耗的管子來(lái)保證再不外加散熱情況下，管子可以正常使用，不至于過(guò)熱導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

　　為降低電路的開關(guān)損耗和減小關(guān)斷瞬間電壓尖峰，可以結(jié)合實(shí)際情況給電路加上RC 緩沖電路。推挽電路中，變壓器的設(shè)計(jì)成功與否直接影響推挽級(jí)電路的工作能力，下面我們來(lái)重點(diǎn)介紹推挽電路

　　中變壓器的設(shè)計(jì)：

　　(1)確定幾個(gè)重要參數(shù)。高頻開關(guān)管設(shè)計(jì)頻率為50Khz;所采用的磁芯材料為PC40，額定磁通密度選擇0.6* m B =0.6*5100=3000G;導(dǎo)線的電流密度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇10A/mm2。

　　(2)確定磁芯尺寸。根據(jù)上一步得到的原始設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)公式可以計(jì)算出變壓器設(shè)計(jì)的視在功率容量為:

　　3.推挽控制電路設(shè)計(jì)

　　推挽級(jí)電路的控制環(huán)路設(shè)計(jì)，旨在滿足最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),本文對(duì)MPPT 不做過(guò)多介紹，只提供一種控制策略。MIC 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)PV module 的輸入電壓，電流進(jìn)行采樣，計(jì)算，得到一個(gè)浮動(dòng)范圍較小的變量基準(zhǔn)，本文將此基準(zhǔn)假定為一個(gè)定值(選擇值為CM240-2 提供的最大功率點(diǎn)電壓44V )。整個(gè)推挽升壓電路的控制電路設(shè)計(jì)目標(biāo)為通過(guò)控制輸入到并網(wǎng)逆變器的電壓值，保證PV module 時(shí)刻保證在最大功率點(diǎn)附近工作，保證整機(jī)輸出效率，系統(tǒng)控制框圖如圖 2，控制芯片采用SG3525。

　　4.推挽電路的仿真分析

　　根據(jù)上文對(duì)推挽級(jí)升壓電路的大致介紹，我們可以從仿真角度來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定系統(tǒng)可行性，并調(diào)整具體參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，仿真文件如圖 3 示，仿真結(jié)果如圖 4，由仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，設(shè)計(jì)可以滿足要求，PV module 輸入電壓被控制在MPPT 附近，輸出級(jí)電壓可以升高到高于電網(wǎng)峰值電壓的一個(gè)合理數(shù)值。

　　5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)上述分析和仿真結(jié)果，我們搭建一個(gè)具體的電路板，電路器件完全根據(jù)上述計(jì)算和分析選擇，實(shí)驗(yàn)波形如圖所示。在調(diào)試過(guò)程中，我們首先對(duì)控制電路進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證控制環(huán)路是否有效，此時(shí)應(yīng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，占空比輸出最大則控制電路可以正常工作，之后再接成我們上文提到的控制策略，驗(yàn)證我們系統(tǒng)主電路與控制電路的有效性。圖5 為輸入電壓電流參數(shù),圖6 為輸出電壓和驅(qū)動(dòng)波形。

　　在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，我們的輸入為一個(gè)直流穩(wěn)壓源串聯(lián)變阻器來(lái)模擬PV modue，對(duì)變阻器后面的電壓進(jìn)行控制，來(lái)達(dá)到控制這一點(diǎn)輸出的功率的目的。通過(guò)推挽電路，把推挽級(jí)輸出電壓升高到足夠的高度來(lái)完成下面的并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)。最后通過(guò)簡(jiǎn)單的功率計(jì)算，可以得到推挽級(jí)升壓電路的整體效率可以達(dá)到90%以上。

　　6.總結(jié)

　　以上分析了并網(wǎng)型MIC 系統(tǒng)前級(jí)升壓電路，全文指出設(shè)計(jì)電路的各個(gè)重要環(huán)節(jié)需注意的問(wèn)題。器件選型需要在給定的范圍進(jìn)行選擇，超出范圍將造成系統(tǒng)燒毀。通過(guò)對(duì)推挽級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真，驗(yàn)證其可實(shí)現(xiàn)性，并給下一步的具體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建創(chuàng)造良好的條件，最后給出設(shè)計(jì)波形。隨著全世界能源短缺的不斷惡化，光伏將起到越來(lái)越重要的作用。小型化，模塊化是光伏未來(lái)的發(fā)展方向。并網(wǎng)型MIC 系統(tǒng)以后必將在光伏市場(chǎng)上占據(jù)重要的地位。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Abraham I. Pressman.王志強(qiáng)譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第二

　　版).北京：電子工業(yè)出版社，2005.9;

　　[2] 李桂丹，畢志軍，高素玲.一種基于PWM 的推挽式開關(guān)

　　電源的研究.電源世界.2008,(12);

　　[3] 劉偉涵.600W 28VDC/360VDC 推挽正激變換器的研制和

　　偏磁研究.南京航空航天大學(xué).2006

　　作者簡(jiǎn)介：

　　郝曉飛 男，1987年生，北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，

　　研究生，主要研究方向?yàn)?strong>MIC系統(tǒng)。