Преобразователь солнечной энергии без звена постоянного тока

УДК 621.314.58 ББК 31.15

Г.В. МАЛИНИН, ДА. СОФРОНОВ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ ЗВЕНА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Ключевые слова: фотовольтаическая система, солнечная энергия, инвертор, преобразователь частоты, система управления, фазовое управление, широтно-импульсная модуляция.

В статье рассматривается преобразователь постоянного напряжения в переменное для построения фотовольтаических систем, связанных с промышленной сетью. Преобразователь состоит из инвертора, высокочастотного трансформатора и преобразователя частоты. Инвертор и преобразователь частоты работают с одинаковой частотой и коэффициентом заполнения силовых ключей. Формирование выходного напряжения осуществляется методом фазового регулирования. Импульсы широтно-импульсного модулятора генерируются с удвоенной частотой работы силовых ключей и имеют различную ширину в зависимости от полярности формируемой полуволны тока нагрузки. Представлены силовая часть преобразователя напряжения, поинтервальное рассмотрение режимов работы, принцип построения системы управления, иллюстрируемые временными диаграммами функционирования, и результаты моделирования преобразователя автономной нагрузки. Предложенная модель преобразователя может найти применение в фотовольтаических системах, построенных по технологии встраиваемого в солнечный модуль преобразователя.

В настоящее время распространение получили следующие структуры фотовольтаических систем, генерирующих и передающих электроэнергию в промышленную сеть [3]:

1) централизованные преобразователи, получающие питание от большого числа солнечных модулей, включенных последовательно-параллельно, содержащие один преобразователь постоянного напряжения и инвертор, работающий на сеть переменного тока;

2) структура с раздельными цепочками последовательно соединенных солнечных модулей, каждая из которых работает на свой инвертор;

3) многоцепочечная структура, в которой каждая цепочка работает на свой преобразователь постоянного напряжения, присоединенный к общему для всех цепочек инвертору;

4) структура с отдельным преобразователем для каждого солнечного модуля.

Наиболее перспективной и интересной является четвертая структура, связанная с технологией встроенного в солнечный модуль преобразователя солнечной энергии в энергию постоянного или переменного тока (MIC -module integrated converter), поскольку MIC-системы поддерживают концепцию «plug and play» и имеют повышенный КПД [5].

По конфигурации звена постоянного тока MIC-системы делятся на три основные топологии: MIC со звеном постоянного тока; MIC с псевдозвеном постоянного тока; MIC без звена постоянного тока. В преобразователях со звеном постоянного тока выходное напряжение солнечного модуля усиливается до более высокого уровня, совместимого с сетью переменного тока с

помощью следующих друг за другом преобразователя постоянного напряжения и инвертора [1, 2, 5]. Аналогичными энергетическими характеристиками обладают преобразователи с псевдозвеном постоянного тока [5], содержащие преобразователь постоянного напряжения и преобразователь частоты, выполненный, например, на базе инвертора тока. В преобразователях без звена постоянного тока напряжение солнечного модуля преобразуется в переменное напряжение или ток высокой частоты. Следующий далее преобразователь частоты непосредственно трансформирует напряжение или ток высокой частоты в напряжение промышленной частоты без промежуточной ступени преобразования энергии [4, 5].

В работе рассматривается одна из топологий преобразователя без звена постоянного тока, основным преимуществом которой является сокращение этапов преобразования энергии до двух: преобразование постоянного напряжения солнечного модуля в напряжение повышенной частоты и выделение напряжения промышленной частоты.

Схема и принцип действия преобразователя. Схема рассматриваемого преобразователя (рис. 1) представляет интерес по следующим причинам:

1) высоковольтная часть гальванически развязана от солнечного модуля;

2) используется высокочастотный трансформатор Т, характеризуемый лучшими массогабаритными показателями по сравнению с аналогами сетевого трансформатора;

3) отсутствует звено постоянного тока, что способствует повышению надежности и снижению стоимости схемы преобразователя.

1Л

Рис. 1. Силовая схема преобразователя напряжения

Преобразователь напряжения состоит из двух каскадов. Каскад, построенный на транзисторах УТ1 и УТ2, подключенных между солнечным модулем и первичной обмоткой высокочастотного трансформатора Т, представляет собой инвертор напряжения, формирующий двухполярные прямоугольные импульсы на первичной обмотке трансформатора. Управление транзисторами

осуществляется импульсами S1 и S2 с частотой f и коэффициентом заполнения ys = 0,5. Второй каскад, выполненный на двунаправленных ключах Z1^Z4, представляет собой преобразователь частоты (циклоконвертор) f в промышленную частоту f = 50 Гц. Управление транзисторами ключей осуществляется импульсами S3 и S4 с частотой f и коэффициентом заполнения ys = 0,5. Модуляция выходного напряжения uAB обеспечивается смещением по времени сигналов управления S2(S1) транзисторами инвертора относительно сигналов управления S3(S4) транзисторами циклоконвертора, что характерно для фазового способа регулирования выходного сигнала.

На рис. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя, анализ которых начнем с момента t0.

Интервал I

iL1 = ZL2 + iVT3, ZVD5 = iVT5 = iL2, uAB = E2

где Е2 - амплитуда импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Вследствие накопления электромагнитной энергии в дросселе L1 под действием напряжения Е2 и передачи энергии от дросселя L2 ток iL1 на этом интервале возрастает, а ток iL2 спадает.

Интервал II (t1 - t2). В момент t1 происходят отключение транзисторов VT3, VT5 и включение транзисторов VT4, VT6 при открытом транзисторе VT2 (рис. 3, б). Справедливы равенства

*L1 = ZL2 + ^VT^ iVD6 = iL1, 'У16 = iL2, uAB = —E2-

На этом интервале протекают два процесса:

1) рекуперация энергии во вторичную обмотку трансформатора;

2) передача электромагнитной энергии от дросселя L1 в дроссель L2, благодаря чему ток iL1 спадает, а ток iL2 возрастает.

Интервал III (t2 - t3). В момент t2 ток iVT4 = 0, iL1 = iL2. Транзистор VT4 запирается, открывается диод VD4, создавая контур для протекания тока iL2 (рис. 3, в). На этом интервале в дросселе L2 происходят накопление электромагнитной энергии от источника питания E2 и передача электромагнитной энергии из дросселя L1:

iVD4 = iL2 - iVD6 = , uAB = —E2-

Интервал IV (t3 - t4). В момент t3 поступает сигнал на запирание транзистора VT2 и отпирание транзистора VT1. Полярность напряжений на обмотках трансформатора меняется на противоположную (рис. 3, г). Диод VD4 остается в открытом состоянии, пока ток через него не спадет до нуля. Дроссель L2 отдает запасенную в нем электромагнитную энергию в дроссель L1 и вторичную обмотку трансформатора, поэтому ток iL1 на этом интервале возрастает, а токи iL2 и iVD4 спадают:

iVD4 = iL2 - iVD6 = iVT6 = uAB = E2-

Интервал V (t4- t5). В момент t4 ток iVD4=0. Вновь открывается транзистор VT4, ток через вторичную обмотку меняет свое направление (рис. 3, д). Этот интервал работы идентичен рассмотренному интервалу I:

*L1 = iL2 + iVT4, iVD6 = , iVT6 = uAB = E2-

вл

А & 1 1 ' 1 1 ' 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 ¡1 1 1 1

А ! 1 1 1 1 ' 1 1  1 1  1 1 1 1 1 1 11

А 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Г

А и 1 И |\ И

А / 1 ! 1 | Я 1 1 ' !! V к

А Й 1 !|\ И 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

А \ 11 1 11 1 11 1 *Ч /

А \ 1 [ -И 1 I \  1 !!

> N !  1 11 1 11 1 11 1 11 1 А!

А / 1 N 1 1 11 1  1 Й 1 1 1 1 \

А | 11 1 11 1 Л' 1 Л. 1

№ 11 1 \ \

А 11 1 11 1 11 1 Н' к/

¿0 ¿1 ¿2^4 ¿5

Рис. 2. Временные диаграммы работы

Е2О

УТз| пуТ5

г'утз гЬ2

Е2О

Е2О

Е2

Е2

УОЗ

Е2О

_УБ3_

2О

_Ь3

УОб А —¿1

УТ5

_УТ5.

г" Ь2 е ЬЗ

¿Ь2 г: (

гы Ь2 ЬЗ

¿Ь2 Г!

Ин

Ин

Рис. 3. :хемы замещения преобразователя

а

Е

з

Интервал VI (¿5 - ¿6). В момент (5 под действием сигналов управления 53 и 54 запираются транзисторы VT4, VT6 и отпираются транзисторы VT3 и VT5 (рис. 3, е). Процессы, протекающие в схеме на этом интервале, идентичны процессам на интервале II:

= + iVT3, iVD5 = iL1, ¡У15 = iL2, иАВ = —Е2-

Интервал VII (^ - 17). В момент ¿6 ток 7у13 = 0, = Транзистор VT3 запирается, открывается диод VD3 (рис. 3, ж). Процессы, протекающие в схеме на этом интервале, идентичны процессам на интервале III:

iVD3 = ^2 - iVD5 = ¡Ы, иАВ = Е2-

Интервал VIII (¿7 - ¿8). В момент ¿7 происходит коммутация транзисторов инвертора: VT1 запирается, VT2 открывается. Полярность напряжений на обмотках трансформатора меняется на противоположную (рис. 3, з). Процессы, протекающие в схеме на этом интервале, идентичны процессам на интервале IV:

iVD3 = ^2 - iVD5 = ¡У15 = iL2, иАВ = Е2-

В момент запирается диод VD3, вновь открывается транзистор VT3, и процессы в схеме далее повторяются.

На рис. 4 приведены обобщенные диаграммы сигналов управления, напряжения и2 на вторичной обмотке трансформатора и на входе фильтра иАВ. Сигналы и 54 сдвинуты по фазе на л относительно сигналов 52 и 53, соответственно, и на рисунке не показаны.

^шим'

щ

к-

чп

I I

к_и

Ь_Ы.

_и

V

е2

->

м

а б

Рис. 4. Диаграммы импульсов управления для двух значений фазовых сдвигов:

т1

Импульсы иШИМ широтно-импульсного модулятора (ШИМ) генерируются с частотой 2/ц и имеют различную ширину в зависимости от полярности формируемой полуволны тока нагрузки. Импульсы управления силовыми транзисторами инвертора (52) и преобразователя частоты (53) формируются с помощью счетного триггера по срезу и фронту импульсов ШИМ, соответственно. Как видно из диаграмм, положительной полярности напряжения на входе фильтра соответствует совпадение уровней управляющих импульсов 52 и 53.

Длительность положительного импульса напряжения иАВ определяется фазовым сдвигом т между сигналами управления ключами инвертора и преобразователя частоты. Рассматривая Д? как ширину модулированного напряжения на входе фильтра, находим коэффициент заполнения напряжения иАВ: у = 2/8Д?. Среднее значение напряжения на входе фильтра преобразователя определяется из равенства иАВср = Е2(2у - 1). Поскольку Д? изменяется по синусоидальному закону, определяемому схемой управления, среднее значение иАВср изменяется также, обеспечивая синусоидальную модуляцию напряжения на конденсаторе С1 фильтра с частотой, в два раза превышающей частоту переключения силовых ключей.

Моделирование преобразователя. Моделирование схемы в среде МаИаЬ/81шиНпк проводилось при следующих параметрах схемы (рис. 5):

- номинальное напряжение солнечного модуля 40 В;

- номинальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора Е2 = 350 В;

- частота переключения транзисторов/8 = 40 кГц;

- индуктивности дросселей Ь1= Ь2 = Ь3 = 0,6 мГн;

- емкость конденсатора С1 = 27 мкФ.

Моделирование проводилось для преобразователя, работающего на автономную нагрузку Яя.

НОТ -[Б4] |

0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 4, С

б

Рис. 5. Виртуальная модель системы управления

Синусоидальный ШИМ-сигнал мШим, поступающий на вход счетного триггера (рис. 5, а), имеет несущую частоту 80 кГц. Сигнал с выхода триггера, изменяющийся с частотой fs = 40 кГц, посредством логики преобразуется в сигналы Si+S4 управления транзисторами инвертора и преобразователя частоты с коэффициентом заполнения ys = 0,5 и фазовым сдвигом т, равным ширине импульса uMM.

Поскольку назначением рассматриваемой схемы является передача энергии в электрическую сеть, в качестве результата моделирования представлена осциллограмма тока нагрузки (рис. 5, б). Анализ показывает, что пульсации тока частотой 40 кГц не превышают 0,5 мА.

Выводы. Рассмотренный преобразователь солнечной энергии в энергию переменного тока может быть с успехом использован при построении MIC-систем, поскольку удовлетворяет следующим требованиям: наличие гальванической развязки с промышленной сетью, простая стратегия управления силовыми ключами, хорошие массогабаритные показатели.

Литература

1. Белов Г.А., Серебрянников А.В., Павлова А.А. Анализ и расчет характеристик установившегося режима в преобразователе постоянного напряжения с последовательным резонансным инвертором // Практическая силовая электроника. 2015. № 4(60). С. 27-37.

2. Малинин Г.В., Белов Г.А. Системы управления преобразователями для солнечных модулей на базе инверторов с ШИМ // Вестник Чувашского университета. 2015. № 3. С. 68-80.

3. Chowdhury A.S.K., Abdur Razzak M. Single phase grid-connected photovoltaic inverter for residential application with maximum power point tracking. Informatics, Electronics & Vision (ICIEV), 2013 International Conference, 2013, pp. 1-6. doi: 10.1109/ICIEV.2013.6572648.

4. De Souza K.C.A., de Castro M.R., Antunes F. A DC/AC converter for single-phase grid-connected photovoltaic systems. IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society. IECON 02, vol. 4, pp. 3268-3273. doi: 10.1109/IEC0N.2002.1182922.

5. Quan Li, Wolfs P. A review of the single phase photovoltaic module integrated converter topologies with three different DC link configurations. IEEE Transactions on power electronics, vol. 23, no. 3, 2008, pp. 1320-1333. doi: 10.1109/TPEL.2008.920883.

МАЛИНИН ГРИГОРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (malgrig6@mail.ru).

СОФРОНОВ ДИМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - магистрант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (dimon-batyr@mail.ru).

G. MALININ, D. SOFRONOV

SOLAR POWER CONVERTER WITHOUT DC LINK

Key words: photovoltaic system, solar power, inverter, frequency converter, control system, phase control, pulse-width modulation.

This paper considers DC/AC converter for grid-connected PV systems. The converter consists of an inverter, a high-frequency transformer and a frequency converter. The inverter and the frequency converter operate at the same frequency and block coeffi-

cient of the power keys. The formation of the output voltage is carried out by the method of phase control. Pulses of a pulse-width modulation are generated with a doubled frequency of the power switches operation and have a different width depending on the polarity of the generated half-wave load current . There is a power section of the voltage convertor, interval consideration of operating modes, the control system principle, illustrated by the time diagrams of work, and the results of the converter simulation of autonomous load. The considered converter can find application in photovoltaic systems constructed according to the built into the module integrated converter technology.

References

1. Belov G.A., Serebryannikov A.V., Pavlova A.A. Analiz i raschet kharakteristik ustanovivshegosya rezhima v preobrazovatele postoyannogo napryazheniya s posledovatel'nym rezonansnym invertorom [Analysis and calculation of the steady state characteristics in a DC / DC converter with a series resonant inverter]. Prakticheskaya silovaya elektronika, 2015, no. 4(60), pp. 27-37.

2. Malinin G.V., Belov G.A. Sistemy upravleniya preobrazovatelyami dlya solnechnykh modulei na baze invertorov s ShiM [Converters control systems for solar modules based on the PWM inverter]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 3, pp. 68-80.

3. Chowdhury A.S.K., Abdur Razzak M. Single phase grid-connected photovoltaic inverter for residential application with maximum power point tracking. Informatics, Electronics & Vision (ICIEV), 2013 International Conference, 2013, pp. 1-6. doi: 10.1109/ICIEV.2013.6572648.

4. De Souza K. C. A., de Castro M. R., and Antunes F. A DC/AC converter for single-phase grid-connected photovoltaic systems. IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society. IECON 02, 2002, vol. 4, pp. 3268-3273. doi: 10.1109/IEC0N.2002.1182922.

5. Quan Li, Peter Wolfs. A review of the single phase pho tovoltaic module integrated converter topologies with three different DC link configurations. IEEE Transactions on power electronics, vol. 23, no. 3, 2008, pp. 1320-1333. doi: 10.1109/TPEL.2008.920883.

MALININ GRIGORIY - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Industrial Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (malgrig6@mail.ru).

SOFRONOV DIMITRIY - Master's Program Student of Industrial Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (dimon-batyr@mail.ru).

Формат цитирования: Малинин Г.В., Софронов Д.А. Преобразователь солнечной энергии без звена постоянного тока // Вестник Чувашского университета. - 2019. - № 1. - С. 67-74.