一种大功率能量回馈装置的实现方法

作者:武汉华中数控股份有限公司 柯万宇、褚仁林、汤前进及吴慧 文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2019-04-02
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本文介绍了一种推挽逆变电路的控制方法,本电路基于一级变换,旨在解决现有技术中逆变电路功率转换级数较多折算效率不高的问题(如图)。本设计以推挽拓扑架构的电路实现14kW的能量回馈装置,具体是将直流源中的能量回馈到电网中。

本文介绍了一种大功率能量回馈装置的实现方法,通过调整单极性SPWM波的占空比驱动推挽电路中的功率管,将受试端的DC直流源(DC直流源可以是电源模块、PN母线端、电池组及其他储能设备)通过高频变压器隔离变送到副边整流滤波电路,高频整流滤波后的半波电压经过换相控制还原成与电网同频同相正弦波电压回馈到电网。本电路结构简单,推挽逆变中的互锁电路提高了推挽功率管抗扰能力,通过调制钳位回馈电路中的PWM信号能降低推挽电路中的功率管开关损耗,并且将变换器中的二次能量回馈到DC直流源中,整个电路单级架构实现大功率输出,在并网回馈能量时能很好地抑制电路中的环流。

推挽电路作为DC/DC、DC/AC和AC/AC变换器拓扑之一,有着结构简单,变压器双向励磁,利用率高,常适用于低电压输入的中小功率场合,而推挽架构的电路只常用于3kW以下的中小功率电源,在大于3kW以上及更大功率电源中,通常前级以全桥转换再经次边整流电路给后级的电路逆变输出,控制电路也较为复杂。尽管推挽电路经过了一系列演变,如串联谐振方式,推挽变形方式,但要实现大功率闭环控制,前者需要加一级稳压才能让推挽电路更好地工作在谐振状态,后者比较适合开环控制,还有其他离散参数的影响,无法被设计人员所采用。

本文介绍了一种推挽逆变电路的控制方法,本电路基于一级变换,旨在解决现有技术中逆变电路功率转换级数较多折算效率不高的问题(如图)。本设计以推挽拓扑架构的电路实现14kW的能量回馈装置,具体是将直流源中的能量回馈到电网中。主要构成包括:

推挽电路:用于将外部的DC直流源中的直流电压接入至主功率管,在外部逻辑控制电路的控制下使主功率管轮流导通,使得DC直流源中的能量经变压器进行高频隔离转换;

互锁电路:接收逻辑控制电路发出的SPWM波信号,实现推挽电路主功率管的控制信号互锁功能;

钳位回馈电路:吸收变压器漏感产生的尖峰,按照一定的逻辑时序将推挽主功率管的开关尖峰及漏感产生的能量回馈到DC直流源端;

整流滤波电路:将变压器次边的能量按全桥整流方式进行滤波;

换相回馈电路:将整流滤波后的半正弦波按电网频率及相位回馈电网;

逻辑控制电路:接收回馈电网的电压及电流信号,分配逻辑时序给推挽逆变电路及换相回馈电路实现闭环控制。图1为提供的推挽逆变电路组成的能量回馈装置结构示意图。

本设计实例提供的推挽逆变电路通过调整单极性SPWM的占空比驱动推挽管,将输入的DC直流源通过高频变压器隔离变送到整流换相电路进行转换,整流滤波后的正弦半波经4个可控器件按电网频率同相导通,还原成正弦波回馈到电网。换相控制频率为50Hz方波控制,开关损耗低且效率高,在每个桥臂都有串接二极管,能很好地抑制在并网回馈中因电网频率抖动或其他因素产生的环流。在作为逆变器或UPS输出时,可以省略掉换相回馈电路中桥臂上串接的二级管以节省成本的开支。本设计实例也可以作为UPS和交流逆变器的老化装置,只需将UPS或交流逆变器的输出经整流滤波后送到推挽逆变电路的输入端即可。

本文设计了一台14 KW的能量回馈装置,装置具有:直流输入电压调节范围在198V DC~256V DC;直流输入电流调节范围为6 A~56 A;具有过、欠电压保护性功能,输入欠压保护,当输入电压超过额定值的±10%范围时,电源自动保护,切断电源输出,当交流电压波动范围≤额定值±20V,负载电源自动恢复工作;直流输出电流的限制功能;短路保护功能是电源对瞬间短路具有断电保护功能,且能在30s延时后,自动恢复运行供电功能;电源过温保护,当电源内温度达到55℃±3℃时,充电电源机内风扇自动启动工作;当电源内温度达到90℃±5℃时,回馈装置应自动停机;板面功能,当充电电源工作时,面板按键具有如下设置功能。

在电路中互锁电路能提高主功率管的抗扰能力从而稳定可靠的导通或关断,推挽主电路中钳位回馈电路将电路中的寄生能量回馈到DC直流源中,实现二次能量的吸收,试验结果大大减小推挽开通及关断应力,降低开关损耗,提高整个电路的效率,副边换相开关桥可选用低频低成本的开关器件,减小装置的成本。这对于逆变器、UPS及光伏并网装置有着很好的适用性和应用价值。

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