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Buck-Boost型多输入逆变电源的如何设计单级隔离?

文章来源:稳压电源公司,时间:2019-01-09 10:46    点击量:

一类准单级隔离Buck-Boost型多输入逆变电源电路结构与拓扑族,及具有不同供电模式平滑无缝切换的主从功率分配能量管理正弦脉宽调制(SPWM)控制策略,并对这类多输入逆变电源的电路结构与拓扑、稳态原理特性、多输入源占空比之间的关系、能量管理控制策略和关键电路参数设计准则等进行深入的理论分析,并获得重要结论。
 
该电路结构是由带多输入选择开关串联电路的双向隔离Buck-Boost直流变换器和极性反转逆变桥级联构成,包括单管式等4个拓扑。该主从功率分配能量管理SPWM控制策略是由n1个输入电压环、具有n路功率分配、带功率独立控制的输出电压瞬时值反馈环三部分构成,能实现不同供电模式的平滑无缝切换。设计并研制的500V•A、DC 80V~110V/AC 220V(50Hz)多输入逆变电源样机,具有变换效率高、输出波形质量高、带载能力强、不同供电模式间平滑无缝切换等优良性能。
 
光伏、风能、燃料电池等新能源具有清洁、无污染、储量丰富等优点,受到人们越来越多的重视。然而,单一新能源发电通常存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件和昼夜环境变化等缺陷,为提高发电系统的稳定性和连续性,需要采用多种新能源联合供电的分布式发电系统。
 
文献[7-11]提出了单输入直流变换器型两级多新能源分布式发电系统,它是由输出端串联或并联的多个单输入直流变换器和Buck型逆变电源级联构成。该分布式发电系统的输入源可独立工作,系统灵活性高,但存在电路结构复杂、两级功率变换、功率密度低、成本高等缺陷,其实用性受到很大程度的限制。
 
为简化电路结构、降低成本,可采用一个多输入直流变换器取代多个单输入直流变换器,构成一类多输入直流变换器型两级多新能源分布式发电系统,但电路结构、功率密度和变换效率仍不够理想。
 
文献[12-15]提出的并联分时供电Buck/Buck- Boost/Sepic/Cuk型多输入直流变换器,具有电路拓扑简单、多输入源并联分时向负载供电、占空比调节范围小、变换效率偏低等特点。文献[16,17]提出的多绕组分时供电型多输入直流变换器,具有输出输入间和多输入源间双隔离、多输入源分时向负载供电、占空比调节范围小、变压器绕组多、变换效率偏低等特点。
 
文献[18,19]提出同时供电的直流变换器型多输入分布式发电系统,具有输出与输入隔离、多输入源同时向负载供电、占空比调节范围大等特点,但存在一路输入源三级功率变换、电路结构复杂、变换效率不够理想[18]或双输入源间存在环流等不足。
 
此外,文献[12-14,16,17]未论述多输入直流变换器的能量管理控制策略,文献[15,18,19]仅简述了发电系统中前级多输入直流变换器的最大功率能量管理控制策略,光伏电池、风力发电机等新能源发电设备以最大功率输出,蓄电池维持直流母线电压稳定,该最大功率能量管理控制策略并不适用于多输入逆变电源。
 
文献[12]论述的并联分时供电型双输入直流变换器,在输入源电压41V/46V、输出电压300V、满载200W时的变换效率为92.6%。文献[13-18]未给出变换效率等性能指标。文献[19]论述的两级式双输入逆变电源,在输入源电压35V/36V、输出电压AC230V(50Hz)和阻性满载500W时的变换效率为92.2%。
 
为了克服上述分布式发电系统的不足,即需要进一步简化电路结构和提高变换效率,本文提出并深入研究一类准单级隔离Buck-Boost型多输入逆变电源电路结构与拓扑族,及其不同供电模式平滑无缝切换的主从功率分配能量管理正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation, SPWM)控制策略,为实现优良性能的小容量分布式离网供电系统奠定关键技术基础。
 
Buck-Boost型多输入逆变电源的如何设计单级隔离?
(a)控制原理框图
 
Buck-Boost型多输入逆变电源的如何设计单级隔离?
(b)控制原理波形
图6  多输入源主从功率分配能量管理SPWM控制策略
 
结论
1)准单级隔离Buck-Boost型多输入逆变电源电路结构,是由带多输入选择开关串联电路的双向隔离Buck-Boost直流变换器和极性反转逆变桥级联构成,其拓扑族包括单管式等4个电路,具有准单级功率变换、多输入源同时或分时向负载供电、占空比调节范围宽、负载短路时可靠性高等优点。
2)多输入源主从功率分配能量管理SPWM控制策略,实现了多路输入源功率的独立控制、光伏等新能源的优先利用和输出电压的稳定以及两种不同供电模式间的平滑无缝切换。
3)该多输入逆变电源在一个低频输出周期内有四种工作模式,在一个开关周期内有n+1个高频开关状态等效电路。
4)给出了多输入逆变电源的四象限外特性、多输入源占空比之间的关系,并推导出储能式变压器匝比、一次侧电感、磁心选型、滤波电容等关键电路参数的设计准则。
5)设计并研制的500V•A DC 80V~110V/AC 220V (50Hz)多输入逆变电源样机,具有变换效率高、输出波形质量高、带载能力强、不同供电模式间平滑无缝切换等优良性能,验证了所提出的电路拓扑和能量管理控制策略的可行性与先进性。

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