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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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两级太阳能光电(SPV)系统中数控中央三电平二极管箝位逆变器的性能研究

Sajubilli Satti先生1G Venkatewara Rao2
  1. PG学生，EEE，基特-二，卡基纳达，安得拉邦，印度
  2. 印度安hara Pradesh Kakinada, Kiet-II EEE系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文提出了一种用于光伏抽水的新型变换器，该变换器利用光伏能量驱动三相感应电动机。通过用IM代替商用直流电机，它节省了成本，减少了维护，提高了效率，并为水泵应用提供了更好的性能。本文所开发的系统是基于升压变换器和全桥三相三电平逆变器。该升压变换器具有低输入电流纹波和高电压增益的拓扑结构。本文介绍了太阳能安装系统的开环和闭环控制升压变换器系统的仿真。利用simulink模块开发了开环和闭环系统的Matlab模型，并将其用于仿真研究。闭环系统能够保持恒压。该变换器具有硬件简单、输出电压调节好等优点。因此，升压变换器能够将电压水平从15v提高到所需的水平。

关键字
光伏系统、太阳能水泵组、dc-dc升压变换器、MPPT、二极管箝位逆变器、SVPWM、FPGA、LC滤波器、PI控制器、

I.INTRODUCTION
由于农村地区没有电力供应，各国数以百万计的人无法获得饮用水，那里的水主要来自雨水或河流。在这些地区，通过光伏(PV)系统进行水资源管理是解决这一问题最有效和最有前途的方法。即使商业转换器，如燃料电池(铅酸。锂离子电池)和直流电机可用来驱动水泵，并提供更高的效率，由于泵系统使用的电池一般寿命较低，接近两年，与光伏模块的20年寿命相比太低，需要经常维护和更换。而光伏能源更便宜，可以达到贫困人口需要这些系统。由于维修成本高，效率低，而且这些低压直流电机在市场上并不常见，本文用低压直流电机代替三相IM。因此，本工作采用了国内市场上有售的三相感应电机，与[14]-[15]电机相比，维护成本更低。
所提出的光伏组件直接从太阳辐射产生电能。这个模型必须面对挑战，比如，它必须在各种限制条件下产生最大的能量，同时也要最大限度地抽水。
图像
有了这些要求，一种新型的变流器在能源可用性低的情况下具有高效率，在最需要的情况下使用成本更低，因此它需要更少的维护，最终具有高寿命(通常为20年)。提出了一种适用于光伏抽水的新型dc/dc升压变换器及其控制策略[1]-[4]，以满足上述大部分特点。

2太阳能电池模型
光伏电池由p型和n型两种半导体材料制成。PV电池基本上是一个光激活二极管，当暴露在阳光下时产生电压。它也被称为发光二极管。PV系统由于其I-V特性，基本上是一个非线性器件，通常用其等效电路来描述，如图2和图3所示。pv电池的等效电学模型包括一个电流发生器、一个二极管和两个电阻。分流电阻指示对地漏电流;分流电阻的值约为1000欧姆。串联电阻是指连接太阳能电池的引线的内阻，串联电阻的值为0.001欧姆。
图像
单个太阳能电池将提供低电压(一般为0.5V-0.7V)，因此这些电池通常根据我们的要求串联或并联。光伏阵列不过是若干个太阳能光伏组件的连接。单个光伏组件可以满足一个家庭的需求。方程:
图像

3提出了转换器
为了保证低成本和使用方便，本文设计了一个单一的光伏组件。该型号电机驱动功率在1/3马力范围内，足以供单个家庭抽水。该模型的简单操作是，光伏系统产生的电能以直流输出的形式在0.5v - 0.6v的范围内，从而提高电压水平，这个低电压被馈送到dc - dc升压变换器，升压变换器的输出现在馈送到三相逆变器，将高水平的直流电压转换为交流电压。本文提出了采用SVPWM控制技术的三电平二极管箝位逆变器[5]。与SPWM技术相比，SVPWM技术的输出电压得到了提高，而且它使用了状态向量模型中的所有状态，即SPWM技术不能使用状态(000和111)。由于这两种状态的存在，该方案优于SPWM技术。由于光伏板工作特性较低，需要dc-dc升压变换器具有较大的电压转换比。利用太阳能光伏系统的最大功率跟踪技术，实现了在多云天气下的最大功率跟踪。
由于电流馈变换器相对于电压馈变换器的优点，提出了电流馈变换器。压馈式变换器由于输入电流纹波大，输入滤波电容大，同时为了提高输出电压，变压器匝数比大，因此压馈式变换器不适合水泵应用[19]。电流馈电转换器通常在输入端有一个电感，因此有低输入电流纹波和消除输入电容器。一般来说，电流馈电变换器是由升压变换器衍生而来，具有较高的升压转换比，这就消除了对变压器匝数比的需求。本文提出了boost变换器，该变换器具有元件体积小、效率高、简单等优点。此外，输入电流通过升压电感循环，无纹波，这一特点减少了PV模块运行时的振荡，从而更容易实现MPPT。

六、MPPT控制
采用MPPT技术，使光伏系统的工作点保持在最大功率点。MPPT算法具有动态响应快、实现简单等优点，是光伏应用中应用最广泛的爬坡算法之一。MPPT算法的工作主要基于光伏板功率曲线的性质。该功率曲线可以分为两条边;一个在最大功率点的左边，另一个在最大功率点的右边。为了更接近工作点，首先分析功率和电压的变化，然后计算出正确的工作区域光伏板和调整参考电压。PI控制器用于根据该参考电压提高或压缩电机转速。
图像
术语填充因子(FF)是太阳能光伏电池板开路电压和短路电流的组合，由填充因子决定电池板的最大功率，也可以定义为太阳能电池板获得的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比。MPPT算法有几种类型，即扰动观察(P&O)、增量电导和恒压等。前两种方法通常被称为爬山法，

五、闭环dc-dc升压变换器
DC-DC升压变换器将低电平直流电压量级(0.5v至0.7v)提升为高电平直流电压量级。升压变换器一般工作在充电模式或放电模式，开关的开关控制决定了这些工作模式。升压转换器电路主要由源侧电感、二极管和高频开关组成，如下图所示。
图像
V0与Vs的关系为:
图像(3）
图7。给出了DC-DC升压变换器的闭环系统，对输出电压进行检测并与参考电压进行比较。该错误由FPGA控制器处理;FPGA控制器的输出端通过调节脉冲宽度来保持闭环系统的输出电压、输入电压和输出电压不变。输出电压降低，达到设定值。

六、lc滤波器建模
本文对lc滤波器进行了建模。它是一个二阶滤波器，因为它有储能元件L和c。与L滤波器相比，它有更好的滤波能力。LC滤波器的结构设计简单。lc滤波器的框图如下所示
图像
滤波器设计的第一步是找到最好的滤波器。设计阻抗的计算是第二步。最后一步是将第二步中的L和C值用。阻抗形式可由下式计算。
图像

7多级逆变器
多电平逆变器在工业中经常用于兆瓦级范围内的大功率应用。大多数行业都有大功率交流驱动。这些大功率交流驱动器在连接到中压电源时有困难。这一问题已被具有较高电压等级[15]的多级逆变器(MLI)所攻克。本文提出了一种用于水泵的三二极管箝位液位逆变器，该逆变器的输出被馈送给感应电机，从而有效地驱动水泵[14]。MLI具有夹紧开关、电容器和电压源。与传统的两电平逆变器相比，可以处理高功率。对所提出的三电平二极管箝位逆变器采用合适的PWM方案[5]~[8]，可以有效地降低谐波，提高效率[15]。这种三电平逆变器的优点是不需要补充耦合变压器显示高质量的输出波形。
不同的拓扑结构已用于多电平逆变器:(1)中性夹紧(2)飞电容器和(3)级联多单元独立直流电源。多电平逆变器采用的控制策略有:(1)SPWM技术(2)选择性谐波消除法(3)空间矢量调制(SVM)。本文提出了SVPWM作为一种控制技术。

8空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)
采用SVWPM技术，利用PWM信号[5]提高逆变器输出电压。在20世纪80年代，只有这种技术被提出。该技术是三相逆变器中最强大的PWM技术。本文采用SVPWM技术对逆变器的输出进行控制，以提高泵送系统的性能，减小总功率损耗。采用微处理器技术实现了几种PWM方案，有助于减少开关损耗和谐波，并对逆变器输出进行精确控制。与SPWM技术相比，SVPWM技术的输出电压得到了提高，并且采用了状态向量模型，即SPWM技术不能使用状态(000和111)[14]。由于这两种状态的存在，该方案优于SPWM技术。
SVPWM能有效利用直流母线电压，产生的THD比SPWM少。SVPWM控制的逆变器获得的最大基波幅值为90.6%，最大电压为15.5%[14]。空间矢量表示如图7所示，一条参考线或矢量触碰所有矢量的最大值点，在那里用一个圆就可以形成状态图。在状态图和圆内的区域称为调制下区域，在状态模型外的区域称为调制后区域。这些区域取决于调制指数。
图像

9基于Fpga的设计
现场可编程门阵列(FPGA)为各种电力电子应用提供了简便的PWM生成方法。FPGA一般有各种逻辑门之间的互连。在FPGA上进行设计后，如果有任何需要，可以通过改变逻辑块的互连方式进行修改。这种重编程特性使得它适合于使用FPGA[16]进行设计。使用FPGA实现的时间短。因此，这是实现数字PWM发生器[8]的最佳方式。基于FPGA的数字控制器的实现适合于小型设计，因此成本较低，因此本文讨论了基于FPGA的PWM发生器技术。

X.逆变器的PWM控制
直流-交流变换器的PWM控制如图8所示。PWM发生器产生PWM控制信号(VPWM)，并与脉冲发生器发出的矩形脉冲进行and，该脉冲被馈送到开关S1和S3[5]-[8]。倒立矩形波形与PWM信号进行and，馈送到开关S2和S4。因此，通过提供适当的电源开关的开和关时间，输入直流电压被调制成所需的交流电压。
电源开关一般采用MOSFET或IGBT。这些电源开关使逆变器在尺寸上兼容。通过增加电源开关的开关频率来减小逆变器的尺寸。因此，通过对PWM发生器电源开关频率的合理选择，得到了逆变器[5]的优化尺寸。
图像

西感应电动机
感应式电机应用最广泛的原因之一是由于其坚固的结构，更可靠，[14]-[15]价格便宜。这些IM电机需要较少的维护，因为IM没有刷子和滑环。在早期，由于其变速特性，直流电机被用于大多数电气驱动。电力电子技术的发展使得IM调速方法的现代化发展，使得IM在几乎所有的电力驱动中都得到了大规模的应用。
因此，交流电机被极大地选择在工业中固定速度的应用，以及在家庭应用中交流线路电源可用。在许多应用中，近90%的电机是感应型电机，即洗衣机，空调，工业机械，烘干机，风扇，吸尘器，鼓风机和其他应用。本文所采用的IM电机用于图1所示的抽水系统
图像

十二。结果与讨论
本文在MATLAB simulink环境下对所提出的系统进行了设计和仿真，并给出了仿真结果。
光伏系统规格:
PV系统温度变化范围(T) = 298K
辐照度(G) =1000W/m2- 900w /m2。
图像
DC-DC升压变换器设计为24至48v，具有以下规格。24 ~ 60v、50w升压变换器小信号传递功能分析:
从DC-DC升压变换器的性能指标出发，给出了植物传递函数(Tp)
图像
通过对闭环DC-DC升压变换器的上述传递函数进行bode图分析，发现PM为44.5o，即，满足任何实际变换器所要求的稳定裕度(30o-60o)。基于MPPT的DC-Dc变换器输出电压和电流如图13所示。利用MATLAB Simulink环境计算了采用MPPT算法的DC-DC变换器瞬态参数，如图14所示。图15为太阳能光伏组件串联形成的太阳能光伏阵列电压。基于MPPT的升压变换器串联组馈电给逆变器，逆变器采用基于V/F的SVPWM控制算法进行闭环工作，其波形如图16至图19所示。
图像
图像
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如图16所示，基于SVPWM的控制信号以闭环方式控制逆变器开关以获得所需的速度，并产生逆变器的输出参数如图17所示。图18为感应电机实际转速和参考转速。在MATLAB Simulink环境下，在0.25秒负载突然变化时，计算动态时域参数，如图19所示。

十二。结论
因此，它允许每个有消息的节点通过优化其传输工作量来决定是否将消息复制到路径节点，以提供足够级别的消息延迟。使用信道选择方案可提供频谱利用率，同时最大限度地减少对主系统的干扰水平。采用可信算法，提高了cr网络中频谱感知的可信度。它使网络节点能够根据动态变化的网络环境自适应地调整通信策略。

参考文献


















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