国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志
菜单Issn online (2278-8875) print (2320-3765)
Issn online (2278-8875) print (2320-3765)
K.Vinoth库马尔1, R.Azhagumurugan2
|
| 相关文章Pubmed，谷歌学者 |
浏览更多相关文章国际电气、电子与仪器工程高级研究杂志
本项目提出使用开关升压逆变器(SBI)，这是一种源自逆沃特金斯约翰逊拓扑的单级功率转换器。与传统的buck型电压源逆变器(VSI)不同，SBI可以产生大于或小于可用直流输入电压的交流输出电压。此外，与VSI相比，SBI具有更好的电磁干扰抗扰性，从而实现了功率转换器的紧凑设计。SBI的另一个优点是它可以从单个直流输入同时提供直流和交流负载。这些特点使SBI适用于直流电网应用。本文提出SBI作为直流电网中的电力电子接口。详细讨论了所提出的基于sbi的电网的结构和优点。本文还提出了一种基于遗传算法的PWM模块，降低了输出电压中的谐波。本文还概述了基于dq同步参考帧的SBI控制器，该控制器在电网稳态和动态负载变化情况下将纳米电网的直流和交流母线电压调节到各自的参考值。索引条款-开关升压逆变器，基于遗传算法的PWM。
关键字 |
| 开关升压逆变器，基于GA的PWM。 |
介绍 |
| SBI是一种源自逆沃特金斯约翰逊(IWJ)拓扑结构的单级功率转换器。这种拓扑结构表现出类似于z源逆变器(ZSI)的特性，具有较少的无源元件数量和更多的有源元件。SBI是一种单输入、双输出(一个直流输出和一个交流输出)功率转换器，源自IWJ转换器和VSI。与传统的两级直流-交流转换系统类似，SBI也可以产生大于或小于输入直流电压的交流输出电压。然而，与图中所示的两级转换系统相比，SBI具有一定的优势，如下所述:1)死区时间要求:两级转换系统的逆变器桥接故障会损坏功率变换器级，也会损坏连接到电网直流母线上的直流负载。因此，需要一个死区电路来减少系统中穿透事件的发生。2)可靠性和电磁干扰抗扰性:即使在死区电路中，也不能完全消除穿透事件的概率，因为电磁干扰噪声也会导致逆变器相位支路的穿透。使用SBI时，穿透事件不会损坏电源变换器的开关。因此，与两级转换系统相比，SBI具有更好的EMI抗扰性，因此具有更好的可靠性。 |
 |
2开关升压逆变器特点 |
| 图1为基于SBI的直流电网。SBI是一种单级电源转换器，可以从单个直流输入同时在节点之间提供直流和交流负载。因此，它既可以实现太阳能板的DC- DC变换器，也可以实现单级DC- ac变换器。这减少了整个系统的尺寸和成本。 |
| SBI的输出交流电压可以高于或低于可用电源电压。因此，对于给定的源电压，它具有宽范围的可获得输出电压。与传统电压源逆变器(VSI)相比，SBI具有更好的电磁干扰(EMI)抗扰性，因为由于EMI噪声而导致的通射(逆变器桥的一个分支中的两个开关同时打开)不会损坏逆变器开关。这减少了电源变换器保护电路的额外负担，有助于实现电源变换器的紧凑型设计。 |
| 由于SBI允许在逆变器腿上通射，因此不需要死区电路，因此不需要复杂的死区补偿技术。本项目介绍了基于SBI的直流电网结构及其与传统结构相比的优势。本文还描述了SBI供电直流和交流负载的稳态和小信号分析以及其PWM控制技术。图2为SBI配置电路。 |
 |
3sbi的PWM控制 |
| SBI利用Hbridge的穿透间隔来调用boost操作。因此，必须对VSI的传统PWM技术进行修改，以纳入通射状态，使其适用于SBI。SBI的PWM方案是基于传统的单极电压开关正弦三角形PWM，如图3所示，在正弦调制信号vm(t)的正半周期和负半周期内[如图3.(a)所示]。如图3 (b)和(d)所示，在vm(t) (vm(t) > 0)正半周期内，通过将图3 (a)中所示的正弦调制信号vm(t)和-vm (t)[与振幅为Vp的高频三角形载波vtri(t)]进行比较，产生门控制信号gs1和gs2。选取载波信号的频率fS，使fS _fO。因此，假设vm(t)在图3 (d)中近似为常数。信号ST1和ST2分别由vtri(t)与两个恒压VST和-VST进行比较而产生。这两个信号的目的是在逆变器桥的PWM信号中插入所需的通射间隔D·TS。现在S3、S4、S开关的门控信号可以用以下逻辑表达式得到:GS3 =GS2+ST1;Gs4 = gs1 + st2; GS = ST1 +ST2 . |
 |
sbi与传统两级直流-交流转换系统的比较 |
 |
| 在上一节中，SBI是一个单输入，双输出(一个直流输出和一个交流输出)功率转换器，源自IWJ转换器和VSI。与图4所示的传统两级dc- ac转换系统类似，SBI也可以产生大于或小于输入直流电压的交流输出电压。然而，与图4所示的两级转换系统相比，SBI具有一定的优势和局限性，具体讨论如下: |
| 1)极端占空比操作:在传统升压变换器的极端占空比工作(例如，当D≥0.75时)，在开关周期中，电感L在较长的持续时间内充电，并且通过输出二极管Db放电电感的时间间隔非常小。所以这个二极管应该维持一个相对高振幅的短脉冲宽度电流。此外，这会导致严重的二极管反向恢复电流，并增加转换器中的EMI噪声水平。这也对升压转换器的开关频率施加了限制，从而增加了两级转换系统中使用的无源元件的尺寸。在SBI的情况下，对于正直流母线电压VDC，最大射通占空比始终限制在0.5。因此，即使变换器工作在最大转换率点，SBI的二极管Da、Db的导通时间也约等于开关时间的50%，从而缓解了升压变换器的极端占空比工作所带来的问题。因此，与传统的两级转换系统相比，SBI可以在相对较高的开关频率下工作。这也减少了功率转换器中使用的无源元件的尺寸。 |
 |
| 2)开关器件的电压应力:表1比较了SBI和图6所示的两级转换系统中所用半导体器件的电压应力。从表中可以看出，在SBI情况下，开关S具有较小的电压应力(VDC - Vg)。对于所有其他器件，SBI和两级转换系统的电压应力是相同的。 |
| 3)最大转换率:由于各种非理想因素的影响，如无源器件的DCR/ESR、半导体器件的导通电压降等，实际升压转换器的最大转换比(VDC/Vg)不能超过3.0(大约)。该值可能会根据转换器中存在的非理想元素的实际值而略有变化。同样，采用正弦脉宽调制的单相逆变器，其交流输出电压的有效值(VAC (rms))不能超过直流直流电压的1/√2倍。采用极低正向压降的半导体器件和极低ESR/DCR的无源器件，可使两级变化率的有效值交直流变化率略有提高。这提高了电源转换器阶段的总体成本。另一种提高两级转换系统转换率的方法是采用高升压dc- dc变换器或带变压器/耦合电感的变换器。这些转换器需要额外的半导体器件和无源元件，这增加了功率转换器级的尺寸和成本。本文第五节实验表明，SBI的最大rms交直流转换比为2，与两级转换系统相当。 |
| 4)控制变量数量:与两级转换系统类似，SBI也有两个控制变量:射通占空比(D)和调制指数(M)。直流母线电压(vDC)由D控制，而变换器的交流输出电压由M控制。然而，与ZSI类似，这两个控制变量中的一个的值决定了SBI第二个控制变量的上限。D和M之间的数学关系取决于所使用的控制技术。请注意，如上所述，可以扩展ZSI的大多数PWM控制技术来控制SBI。 |
| 5)设备数量:如图3所示，SBI的实现需要5个有源开关、6个二极管、2个电感和2个电容。图6所示的两级转换系统仅比SBI少使用一个二极管(Da)。然而，在直流电网中，输入来自可再生能源，例如太阳能电池板或燃料电池，应始终与串联二极管相关联，以阻止反向电流。因此，SBI的二极管Da可以成为可再生能源的一部分，从而消除了对外部二极管的需要。因此，两个转换器中的器件数量是相同的。 |
四、遗传算法的实现 |
| 进化计算的概念是1960年由I.Richenberg提出的。遗传算法是基于自然遗传和自然选择机制的计算机搜索和优化算法。遗传算法擅长于获取大的搜索空间，并在其中导航以寻找最优解。遗传算法与其他传统优化方法的一个更显著的区别是，遗传算法一次使用一群点，而不是传统方法的单点方法。 |
轮盘赌选择 |
| 轮盘通过旋转轮盘来选择群体中最优的染色体，轮盘的周长被标记为与stringâ´´s适应度值成正比。因此，总体中的字符串以与(Fi)成比例的概率被选择。其中(Fi)是该字符串的适应度值。由于简单遗传算法中的种群大小是固定的，因此选择每个字符串的概率之和应为1。因此，期望适应度值较高的单个字符串被Roulettewheel指针选中，如图5所示。 |
 |
遗传算法涉及的步骤 |
 |
 |
流程图: |
 |
开关升压变换器的仿真 |
 |
| 如图6所示，利用MATlab simulink对所提出的模型进行了开环仿真。采用遗传算法进行脉宽调制，降低了谐波，提高了效率。仿真结果如图7a所示。PV电池输入直流电压和交流、直流负载电压如图7b所示。分别。与输入直流相比，输出电压在开关升压配置的帮助下得到提升。 |
五、仿真结果 |
 |
六。结论 |
| 本课题提出了一种新型的电力电子接口——开关升压逆变器(SBI)。结果表明，SBI是一种单级功率变换器，可以从单个直流输入同时提供直流和交流负载。还证明了SBI可以产生高于或低于可用源电压的交流输出电压。与ZSI和传统的两级dc- ac转换系统相比，本项目还描述了SBI的优点和局限性。本文还介绍了直流和交流两种负载下SBI的稳态和小信号分析，以及适用于SBI的PWM控制技术 |
参考文献 |
|
