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(一)兩級式逆變器控制——前級Boost電路控制技術(shù)（開環(huán)）

寫在前面的話

去年9月，主席在聯(lián)合國大會上宣布：中國二氧化碳排放2030年前達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在碳中和背景下的“新石油”，光伏將會是未來能源發(fā)展的*一主角！

然而當(dāng)前國內(nèi)的教學(xué)平臺設(shè)備陳舊，封裝過于封閉，抽象。接線復(fù)雜凌亂，設(shè)備笨重，體積大，易損壞。當(dāng)今教學(xué)需要高度透明化，精簡化以及輕便化，固緯電子同高校合作共同研發(fā)的PTS實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)運(yùn)而生，收獲了大批高校、學(xué)者的喜愛，目前與之合作的高校有上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、上海電力大學(xué)等一批國家重點(diǎn)高校，電力高校的喜愛。

為了使學(xué)生可以快速學(xué)習(xí)掌握新興的光伏發(fā)電技術(shù)并且快速熟悉本公司產(chǎn)品，固緯電子針對新能源技術(shù)做出了全面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程。本次我們所講解的PEK-550模塊是一個(gè)三相升壓逆變光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，是一個(gè)完整的獨(dú)立性小型發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真。PEK-550模塊的電路圖及實(shí)物圖如下：

Boost升壓電路原理講解：

在電感兩端接一個(gè)直流電源，由于電感電流滿足：

因此，電感電流就會正比例增加。我們?nèi)绻麑⒇?fù)載串聯(lián)電感，根據(jù)電感電流不會發(fā)生突變的特點(diǎn)電感電流將會流過負(fù)載，這樣就可以通過控制電感電流來間接控制輸出電壓的大小，從而起到電力變換的效果。其中主電路圖如下：

Boost直流變換器的作用是將寬輸入、低輸入的電壓升壓到一個(gè)穩(wěn)定的高壓。它的主電路拓?fù)?，其中，Q_5是功率開關(guān)管，在這使用MOSFET，D是功率二極管，使用的是超快恢復(fù)二極管；C_b為輸出濾波電容；L_f是濾波電感；R_l是功率負(fù)載。

開關(guān)管Q_5在一個(gè)開關(guān)周期的導(dǎo)通與關(guān)斷，使Boost電路有2種工作模式分析過程如下：

工作模態(tài)一：開關(guān)管Q_5開通，二極管D反向截止，輸入電壓U_in給輸入電感L_f充電，電感兩端承受的電壓為U_in大于零，流經(jīng)電感的電流線性增加。輸出電壓由濾波電容C_b獨(dú)自承擔(dān)，電壓下降。

工作模態(tài)二：開關(guān)管Q_5關(guān)斷、二極管D導(dǎo)通，此時(shí)電感的電壓是〖(U〗_in-U_o)小于零，電感電流線性減小。此時(shí)輸入電壓U_in和電感L_f共同向負(fù)載電阻提供能量，且向?yàn)V波電容C_b提供能量，電容電壓增加。

Boost直流變換器工作模式通常為連續(xù)工作模式和斷續(xù)工作模式，為了減小電感電流的電流尖峰，以及數(shù)字控制采樣的局限性，通常使直流變換器Boost電路工作在連續(xù)模式下。

電路的參數(shù)計(jì)算：

Boost主電路的技術(shù)指標(biāo)：直流輸入電壓U_in為100V，輸出電壓U_o為200V，輸出功率P_o為500W，開關(guān)頻率f_s為20kHz。主電路設(shè)計(jì)參數(shù)主要為濾波電感的設(shè)計(jì)，輸出電容的確定。

濾波電感L計(jì)算：

通常情況下，濾波電感的選擇須確保在最小的負(fù)載情況下，電感電流仍工作在臨界模式。在電感電流連續(xù)的狀態(tài)下，可推導(dǎo)Boost的輸出電壓U_o和輸入電壓U_in的式子：

假設(shè)Boost變換器的效率為90%，負(fù)載在10%的額定載下工作于臨界模式，則根據(jù)功率平衡得：

ILf為臨界模式下的電感電流的平均值。定義電感電流的紋波系數(shù)為：

式中ΔILf為電感電流紋波得峰值。在臨界模式下電感電流紋波系數(shù)，因此由上式可得：

根據(jù)電感電壓和電流的關(guān)系，可得電感電流紋波峰值為：

故：

計(jì)算得：

濾波電容計(jì)算方法：

由于前級Boost的輸出濾波電容恰好是兩級式逆變器的母線電容。母線電容的大小和后級輸出功率，母線電壓，二次紋波電壓的大小有關(guān)。具體關(guān)系如下：

本文設(shè)計(jì)輸出功率為500W，二次紋波角頻率為314，母線電壓為200V，在本文確定二次紋波電壓為2%的母線電壓，由式（2-11）可計(jì)算出直流母線電容為：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

輸出電壓波形如上圖所示，我們可以清晰得看出輸出電壓是可以達(dá)到200V的升壓效果的。由于我們直接采用的方波信號作為開關(guān)管的觸發(fā)信號，因此才會出現(xiàn)較大的超調(diào)量。

上圖是電感電流的波形。電感電流也是符合理論值的5A額定值，上下的紋波較小且未出現(xiàn)斷續(xù)的狀態(tài)。

總結(jié)：本文介紹了Boost電路的仿真電路的開環(huán)設(shè)計(jì)，通過仿真我們可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果出現(xiàn)較大的超調(diào)量，這個(gè)可以通過閉環(huán)控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)。在后續(xù)的推送中我們將繼續(xù)Boost電路的設(shè)計(jì)與問題討論解決。