推挽電路在并網(wǎng)型MIC系統中的仿真與應用

　　1.前言

　　隨著(zhù)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(zhù)小型化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。在此基礎上，我們準備做一個(gè)MIC(Module IntegratedConverter)系統,該系統是建立在單個(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)的功率嚴重損失問(wèn)題，在國外得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。本論文主要介紹整套系統中的前級升壓電路，主電路拓撲使用推挽升壓，控制芯片選用SG3525。

　　2.推挽主電路設計本文采用推挽升壓結構，因為推挽電路是PV 模塊接入的第一級電路，在升壓級主要做MPPT 控制，本文不涉及MPPT 的控制電路設計，給出的控制基準為一個(gè)電壓常數，可自行進(jìn)行修改。主電路拓撲結構如圖1所示。

　　2.1 系統設計要求

　　對于 MIC 系統的設計，要求滿(mǎn)足輸入光伏模塊的給定指標，本設計采用的光伏模塊為聚光光伏組件CM2402，具體參數見(jiàn)表1,根據給定輸入我們來(lái)確定系統的設計要求。

　　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PV 輸出電壓進(jìn)行升壓以滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，同時(shí)還要考慮在器件選擇上對耐壓，最大電流的承受能力。從上表可以得到，系統的設計指標范圍如下：

　　(1) 輸入電壓：0-48V;

　　(2) 輸入電流: 0-5A

　　(3) 輸入最大功率：200W

　　(4) 開(kāi)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系統設計要求來(lái)確定，首先確定FUSE,FUSE 主要起到限制輸入電流過(guò)大作用，由于本系統輸入為一個(gè)PV module，受到自身光電轉換能力影響，電流最大為5A 左右，所以本設計中選用一個(gè)保險電流值為6A 的保險管。高頻開(kāi)關(guān)管的確定，在參考文獻[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)熱導致系統崩潰。

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

　　中變壓器的設計：

　　(1)確定幾個(gè)重要參數。高頻開(kāi)關(guān)管設計頻率為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;導線(xiàn)的電流密度根據經(jīng)驗選擇10A/mm2。

　　(2)確定磁芯尺寸。根據上一步得到的原始設計尺寸根據公式可以計算出變壓器設計的視在功率容量為:

　　3.推挽控制電路設計

　　推挽級電路的控制環(huán)路設計，旨在滿(mǎn)足最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT),本文對MPPT 不做過(guò)多介紹，只提供一種控制策略。MIC 系統經(jīng)過(guò)對PV module 的輸入電壓，電流進(jìn)行采樣，計算，得到一個(gè)浮動(dòng)范圍較小的變量基準，本文將此基準假定為一個(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計目標為通過(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，保證整機輸出效率，系統控制框圖如圖 2，控制芯片采用SG3525。

　　4.推挽電路的仿真分析

　　根據上文對推挽級升壓電路的大致介紹，我們可以從仿真角度來(lái)驗證系統可行性，通過(guò)對系統進(jìn)行仿真，確定系統可行性，并調整具體參數，為實(shí)驗平臺的建立打下堅實(shí)的基礎，仿真文件如圖 3 示，仿真結果如圖 4，由仿真結果可以得出結論，設計可以滿(mǎn)足要求，PV module 輸入電壓被控制在MPPT 附近，輸出級電壓可以升高到高于電網(wǎng)峰值電壓的一個(gè)合理數值。

　　5.實(shí)驗結果

　　通過(guò)上述分析和仿真結果，我們搭建一個(gè)具體的電路板，電路器件完全根據上述計算和分析選擇，實(shí)驗波形如圖所示。在調試過(guò)程中，我們首先對控制電路進(jìn)行調試，驗證控制環(huán)路是否有效，此時(shí)應對輸出電壓進(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，驗證我們系統主電路與控制電路的有效性。圖5 為輸入電壓電流參數,圖6 為輸出電壓和驅動(dòng)波形。

　　在系統調試過(guò)程中，我們的輸入為一個(gè)直流穩壓源串聯(lián)變阻器來(lái)模擬PV modue，對變阻器后面的電壓進(jìn)行控制，來(lái)達到控制這一點(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。最后通過(guò)簡(jiǎn)單的功率計算，可以得到推挽級升壓電路的整體效率可以達到90%以上。

　　6.總結

　　以上分析了并網(wǎng)型MIC 系統前級升壓電路，全文指出設計電路的各個(gè)重要環(huán)節需注意的問(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燒毀。通過(guò)對推挽級系統進(jìn)行閉環(huán)仿真，驗證其可實(shí)現性，并給下一步的具體實(shí)驗平臺搭建創(chuàng )造良好的條件，最后給出設計波形。隨著(zhù)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 系統以后必將在光伏市場(chǎng)上占據重要的地位。

　　參考文獻

　　[1] Abraham I. Pressman.王志強譯.開(kāi)關(guān)電源設計(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(kāi)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)機電工程學(xué)院，

　　研究生，主要研究方向為MIC系統。