Aalborg并网逆变器的改进设计_郭淑新.pdf

16 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学率的逆变器5，其工作状态取决于输入电压和输出电压之间的瞬时差值，其具有较宽的输入电压、功率损耗小、转换效率高的优点，如图1所示。传统Aalborg逆变器对直流输入电源的要求比较高，当两个独立PV阵列输入直流电源不平衡时，无法对输入功率充分转换，从而降低整个系统的转换效率。实际上，几乎不存在两个PV阵列输入电压相同的理想条件。例如，光伏板的输出电压取决于许多因素，如辐射条件、倾斜角度、面板上的污垢或灰尘、光伏模块的老化等。在这种情况下，除非采取一定的措施，否则两个独立光伏板电源的输入功率不能完全用于Aalborg逆变器的分布式发电系统。为了改善这一问题，本文提出一种改进的Aalborg并网逆变器，利用耦合电感来对Alborg逆变器的直流输入功率进行调节。3 改进的Aalborg并网逆变器改进的Aalborg逆变器是基于耦合电感的Aalborg逆变器，用耦合电感代替传统Aalborg逆变器中的直流电感。该逆变器与传统的Aalborg逆0 引言传统化石能源的储量也急剧减少，甚至很多地方的能源已处于枯竭状态。为了使上述问题得到解决，世界各国纷纷制定能源发展战略，转向研究和开发可再生能源1，朝着高效、清洁、低碳的趋向发展。近年来，太阳能发电以其清洁、安全、可持续和不受地域限制等优势成为全球关注的新型产业，因此，深入研究光伏发电技术对我国电力发展及“双碳”目标的实现具有重要意义。1 光伏逆并网逆变器光伏并网逆变器作为光伏发电系统的关键环节，其成本、效率、性能都将影响光伏发电的推广和应用。光伏并网逆变器分类。光伏并网逆变器的分类情况较多，一般根据隔离方式、功率变换级数2-4、储能元件可以分为隔离型与非隔离型、单级式与多级式、电压型与电流型逆变器等。非隔离升降压逆变器拓扑构造方式。非隔离升降压逆变器的拓扑构造方式一般有三种：（1）在基本的逆变器结构中加入Z源网络；（2）通过具有升降压功能的直流变换器与逆变桥级联构造；（3）通过组合具有升降压功能的直流变换器构造。2 传统的Aalborg并网逆变器随着可再生能源的发展，光伏并网逆变器的应用越来越广泛。传统Aalborg逆变器是一种新型高效作者简介：郭淑新，山东理工大学，工程师；研究方向：电气工程。通信作者：边敦新，山东理工大学；研究方向：电气工程。收稿日期：2022-10-11；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述一种基于耦合电感的改进的Aalborg并网逆变器，用耦合电感代替传统Aalborg逆变器的直流电感，从而改善传统的Aalborg逆变器输入电源不平衡时，转换效率降低的问题。关键词：并网逆变器，耦合电感器，光伏发电，LCL滤波器。中图分类号：TN92，TP212，TP274文章编号：1000-0755(2023)02-0016-03文献引用格式：郭淑新，边敦新.Aalborg并网逆变器的改进设计J.电子技术,2023,52(02):16-18.Aalborg并网逆变器的改进设计郭淑新，边敦新（山东理工大学，山东 255000）Abstract This paper describes an improved Aalborg grid-connected inverter based on coupling inductance.The coupling inductance is used to replace the DC inductance of the traditional Aalborg inverter,so as to improve the problem of reducing the conversion efficiency when the input power of the traditional Aalborg inverter is unbalanced.Index Terms grid-connected inverter,coupling inductor,photovoltaic power generation,LCL filter.Design of Aalborg Grid-connected Inverter Improvement GUO Shuxin,BIAN Dunxin(Shandong University of Technology,Shandong 255000,China.)图1 Aalborg逆变器 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 17Electronics 电子学变器相类似，任何时候只有一个功率电平工作于高频，输出电平工作于工频。3.1 改进的Aalborg逆变器拓扑结构改进的Alborg逆变器与传统Aalborg逆变器的区别主要在于电感LP和LN的耦合，二极管D3和D6分别与开关S2、S5串联，拓扑结构如图2所示。3.2 改进的Aalborg逆变器工作原理（1）纯降压模式。|Vg|E1|E2|：输入直流电压（E1，E2）大于电网电压的振幅Vg，如图3（a）所示，在输出电压的正周期期间，S3打开，S2关闭，S1工作在高频，功率从E1转换到电网侧交流输出。为了确保输出电压和功率的平衡，E2必须在正周期时提供部分输出功率。基于本节所提出的拓扑结构，可以利用图3（b）的方式实现输出功率的平衡，即当S4和S5接通时，点P1的电压为点N2的电压且大于E1的直流正输入电压，此时由电感器LN处于充电状态。同样，如图3（c），当S1、S4和S5闭合时，LN功率通过LP和D1的耦合回路释放。在输出电压的负周期内，如图3（d），S6打开，S5关闭，S4在高频模式下工作使电网侧输出正弦交流电压，此时，只有负电源E2提供输出功率。（2）降压-升压模式。|E1|E2|Vg|：如果输入电压（E1，E2）低于电网电压（Vg）的振幅时，与传统的Aalborg逆变器相类似，也有六个基本工作段，如图4、图5所示。在调节输入直流功率时，与纯降压模式相类似，可采用如图6（a）所示的方法，关闭S4和S5，此时点P1的电压为点N2的电压且大于E1的正输入电压，电感LN处于充电状态。图6（b）所示，当S1打开，S4和S5关闭时，LN和E1的能量被释放。（3）双模模式。|E1|Vg|E2|：在这种情况下，通常在正周期内，逆变器工作在降压-升压模式，而在负周期内，逆变器工作在纯降压模式。由于|E1|E2|，正周期内部分输出功率应由E2提供，可通过图6中介绍的方法实现。3.3 改进的Aalborg逆变器控制策略文献5-7中提出的小信号建模方法对改进的Aalborg逆变器进行建模分析。当逆变器在纯降压模式下，它是一种典型的带LCL滤波器的VSI。因此，控制策略的主要在T2和T5时间段，这里可以等效为一个CSI。假设|E1|E2|，则在T2期间，E2的部分功率将被转换输出，等效建模如图7所示，其中Lm为耦合电感的磁化电感，L为电网侧电感。为了简化分析，忽略半导体和漏电感的影响。图7（a）显示了(t，t+DTs)期间S4和S5接通时的等效电路；图7(b)显示同等的在t+DTs，t+Ts期间，当S4和S5为关闭，S5打开时的等效电路。采用平均状态小信号建模方法，在T2周期内，假设输入直流电源和输出的交流电源均无扰动，逆变器工作在升压阶段，则电网电流传递函数的控制可以推导为式（1）。（1）基于瞬时输入功率等于瞬时输出功率，由于滤波器的特征频率远高于控制带宽，因此在升压阶段图2 改进的Aalborg逆变器图3 当|Vg|E1|E2|时的等效电路图4|E1|E2|Vg 图5 无功率调节的降压-升压模式下的等效电路图6 降压-升压模式下的等效电路图7 T2期间的等效电路18 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学也采用间接电流控制方法，可推导为式（2）。（2）由于输入电压E1(t)，E2(t)和电网电压Vg(t)可以实时采样，如果电流im(t)可以计算出，则电网侧电流ig(t)也可以得出。因此，在升压阶段，电流im(t)可用于间接控制电网侧电流ig(t)，im(t)传递函数可推导为式（3）。（3）图8显示了改进的Aalborg逆变器的控制图。如果直流电压高于电网电压幅值时，则降压控制开关工作，升压开关闭合。参考电流可从公式(4.3)中得出，如式（4）所示。（4）式中，Rf是计算发电功率的等效电阻。如果直流电源的输入电压低于电网电压幅值且E1时，必须平衡输入电压。给定的电流应通过功率平衡方程计算为，如式（5）所示。（5）3.4 改进的Aalborg逆变器仿真对比使用PSIM软件进行仿真参数如表1所示。电网电压设置为110V/50Hz，改进的Aalborg逆变器工作在降压-升压模式。模拟结果如图9图12所示。图9图12分别显示了改进的Aalborg逆变器在没有和有直流输入电压平衡情况下的输入直流电压（E1，E2）、电网电压Vg(t)、电网注入电流ig(t)和直流电感器的直流电流iLN(t)、iLP(t)的模拟结果。正输入直流电压设置为100V，负输入电压设置为120V，逆变器工作在降压-升压状态。从图9和图11可以看出，电网注入电流均为正弦曲线。从图10可以看出，E1和E2分别在线路频率的正周期和负周期期间提供输出功率。从图12可以看出，E2在正升压状态时也将部分功率注入电网，此时直流输入功率可按要求成功调节。4 结语从仿真结果上可以看出，改进的Aalborg并网逆变器具有良好的动态性能的，在保留传统Aalborg逆变器优点的同时，利用耦合电感器，调节PV阵列输入电压，提高了功率转换效率。参考文献1 古雨.中国可再生能源发展趋势预测及应用前景分析D.河北：华北电力大学，20212杨晓光,姜龙斌,冯俊博,汪友华.一种新型高效无变压器型单相光伏逆变器J.电工技术学报,2015,30(08):97-103.3孔祥旭.单相光伏逆变器拓扑设计与共模电流抑制技术的研究D.山东:山东理工大学，2021.4毛肖肖.基于DSP的单相光伏并网系统控制技术的研究D.河北:河北工业大学,2012.5WuW,JiJ,BlaabjergF.AalborgInverter-ANew Type of Buck in Buck,Boost inBoost,Grid-Tied InverterJ.IEEETransactions on Power Electronics,2015(9):30.6 Z.Zhao,M.Xu,Q.Chen,J.S.Lai,Y.Cho.Derivation,analysis,and implementationofaBoostBuckconverter-basedhigh-efficiency PV inverterJ.IEEE Trans.PowerElectron,2012,27(3):1304-1313.7 W.Wu,H.Wang,Y.Liu,M.Huang,F.Blaabjerg.A dual BuckBoost AC/DC converter forDC nano-grid with three terminaloutputsJ.IEEE Trans.Ind.Electron.,2017,64(1):295-299.图8 改进的Aalborg逆变器的控制图表1 改进的Aalborg逆变器的仿真参数图9 仿真结果1 图10 仿真结果2图11 仿真结果3 图12 仿真结果4