CN101604923B

CN101604923B - 用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制pwm控制方法

Info

Publication number: CN101604923B
Application number: CN2009103042861A
Authority: CN
Inventors: 孙向东; 任碧莹; 张琦; 王建渊; 杨惠
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: CN101604923A

Abstract

本发明公开了一种用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法，按照以下步骤实施：计算得到单极性PWM波；将电网电压检测与过零比较器比较得到同步方波信号，再将同步方波信号二分频得到同步方波二分频信号；在单相全桥逆变器的四个功率开关管中，保持只有一个功率开关管处于高频PWM动作状态，与其对角线的另一个桥臂的功率开关管处于工频频率动作状态，其余两个功率开关管处于关断状态；四个功率开关管按照一定的相位顺序，轮流以高频PWM方式进行动作；同时采用正在导通的功率开关管提前关断的原则仅在电网电压的过零点时加入死区时间。本发明适用于单相并网发电系统，具有降低开关损耗、消除死区效应以及优化散热的特点。

Description

用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，涉及太阳能、风能等分布式可再生新能源并网发电设备，具体涉及一种用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法。

背景技术

随着化石能源的不断减少，以及面临全球气候变暖的严峻形势，绿色环保且蕴藏量极其丰富的太阳能、风能等可再生自然能源越来越受到人们的青睐。这些可再生新能源通过适当的媒介(例如太阳能电池、风力发电机等)都很容易转换成电能，然后利用电力电子装置将该电能转换成直流电，最后通过并网逆变器将上述电能输送到单相电网。

单相并网逆变器一般由全桥电路实现，每个桥臂由两个功率开关管串联，中间连接处作为输出端。常用的脉冲宽度调制(PWM)发生方法有自然采样法、规则采样法和空间电压矢量法等。通常全桥电路的四个功率开关管都以高频PWM的方式进行动作，开关损耗很大，导致系统效率降低。为了降低开关损耗，可以采用一个桥臂的两个功率开关管以高频PWM的方式进行动作，而另一个桥臂的两个功率开关管以工频频率进行动作，这样可以有效地降低开关损耗，但是高频PWM方式动作的两个功率开关管的温度高于工频频率动作的两个功率开关管，导致通风散热要求不同，增加了系统的散热设计复杂性。为了进一步提高开关频率，降低开关损耗，可以采用软开关技术来达到零电压开通或零电流关断的目的，但是该控制方法复杂，硬件成本高，而且负载较轻时不易实现软开关。对于上述的控制方法，为了防止同一桥臂的两个以高频PWM方式动作的功率开关管直通短路问题，必须在两个功率开关管的开通与关断之间加入一定的死区时间，这导致了输出电压损失，因而还需要进行死区补偿。另外，对于单相并网逆变器而言，上述的控制方法在一个电网电压周期中，四个功率开关管导通损耗一直存在，不利于系统效率的提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法，克服了现有技术中的开关频率不高、开关损耗偏高、系统效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法，按照以下步骤实施：

步骤1、计算得到单相全桥逆变器的单极性PWM波；

步骤2、将单相全桥逆变器的电网电压检测与过零比较器比较得到同步方波信号，再将同步方波信号二分频得到同步方波二分频信号；

步骤3、在单相全桥逆变器的四个功率开关管中，使得只有一个功率开关管处于高频PWM动作状态，与其对角线的另一个桥臂的功率开关管处于工频频率动作状态，其余两个功率开关管处于关断状态；四个功率开关管按照控制时序①、②、③和④的相位顺序，轮流以高频PWM方式进行动作；同时采用正在导通的功率开关管提前关断的原则仅在电网电压的过零点时加入死区时间，最长的死区时间为一个开关周期。

本发明的控制方法，同一时刻只有一个功率开关管具有高频开关损耗，包括高频功率开关管在内的两个功率开关管具有导通损耗，提高了开关频率，降低了开关损耗，提高了系统效率；在一个电网电压周期中仅有两次死区时间，对逆变器的输出电压几乎没有影响；四个功率开关管轮流以高频PWM方式进行动作，功率开关管散热均匀，提高了整个系统的使用寿命。

附图说明

图1是现有的单相并网发电电路示意图；

图2是现有的一种PWM波发生方法实施例框图；

图3是本发明的PWM波控制方法原理示意图。

图中，1.功率开关管S1，2.功率开关管S2，3.功率开关管S3，4.功率开关管S4，5.直流电压，6.滤波电感，7.滤波电容，8.单相交流电网，9.电网电压检测，10.锁相环控制，11.同步旋转角，12.逆变器输出参考电流，13.逆变器实际输出电流检测，14.比例增益，15.绝对值运算，16.单极性三角载波比较，17.单极性PWM波，18.同步方波信号，19.同步方波二分频信号，20.功率开关管S1的开关指令信号，21.功率开关管S2的开关指令信号，22.功率开关管S3的开关指令信号，23.功率开关管S4的开关指令信号，①.PWM波控制时序1，②.PWM波控制时序2，③.PWM波控制时序3，④.PWM波控制时序4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为现有的单相并网发电电路示意图，是本发明的硬件电路基础，电力电子装置将太阳能、风能等发的电转换成直流电压5。直流电压5的正极分别与功率开关管S1、功率开关管S3的一端相连，直流电压5的负极分别与功率开关管S2、功率开关管S4的一端相连，功率开关管S1和功率开关管S2组成一个桥臂，功率开关管S3和功率开关管S4组成另一个桥臂；功率开关管S1和功率开关管S2的连接点A是一个桥臂输出，连接点A与滤波电感6连接；功率开关管S3和功率开关管S4的连接点B是另一个桥臂输出，连接点B与滤波电容7的一端及单相交流电网8的中线连接；滤波电感6与滤波电容7的另一端以及单相交流电网8的火线相连。

现有的PWM波发生方法有多种，图2是现有的PWM波发生方法中的一种，能够得到本发明控制方法所需要的单极性PWM波17。电网电压检测9利用锁相环控制10得出电网电压同步旋转角11，再按照单位功率因数计算得到逆变器输出参考电流12，再将逆变器输出参考电流12与检测逆变器实际输出电流13进行差值比较后，经过比例增益14进行放大，并进行绝对值运算15，最后经过单极性三角载波比较16，得出单极性PWM波17即可。

图3是本发明的PWM波控制方法示意图。本发明的控制方法是，按照以下步骤实施：

步骤1、先得出单相全桥逆变器的单极性PWM波17。

步骤2、再将单相全桥逆变器的电网电压检测9与过零比较器比较得到同步方波信号18，将同步方波信号18二分频得到同步方波二分频信号19。

步骤3、在单相全桥逆变器的四个功率开关管中，保持只有一个功率开关管处于高频PWM动作状态，与其对角线的另一个桥臂的功率开关管处于工频频率动作状态，其余两个功率开关管处于关断状态，这样，四个功率开关管按照控制时序①、②、③和④的相位顺序，轮流以高频PWM方式进行动作，有利于实现每个功率开关管基本相同的温升，容易进行散热设计；同一桥臂的两个功率开关管只有在电网电压过零点时进行一次死区时间控制，其余时间没有死区时间，可见死区效应对逆变器的输出电压几乎没有影响，同时，由于在一个电网电压周期中只有两个功率开关管动作，因此只存在两个功率开关管的导通损耗，有利于进一步降低系统损耗。

PWM波控制时序①的特征是电网电压9为正，同步方波信号18和同步方波二分频信号19都是高电平，功率开关管S1的开关指令信号20为单极性PWM波17的一部分，即以高频PWM方式动作，功率开关管S2的开关指令信号21和功率开关管S3的开关指令信号22都是关断，功率开关管S4的开关指令信号23是一直导通。因此，功率开关管S1的开关指令信号20时序逻辑S1t可以表示为：

S1t＝((同步方波信号18)and(同同步方波二分频信号19)and(单极性PWM波17))

or((同步方波二分频信号19)and(同步方波信号18))

PWM波控制时序②的特征是电网电压9为负，同步方波信号18为低电平，同步方波二分频信号19是高电平，功率开关管S1的开关指令信号20和功率开关管S4的开关指令信号23都是关断，功率开关管S2的开关指令信号21是一直导通，功率开关管S3的开关指令信号22为单极性PWM波17的一部分，即以高频PWM方式动作。因此，功率开关管S3的开关指令信号22时序逻辑S3t表示为：

S3t＝((同步方波信号18)and(同步方波二分频信号19)and(单极性PWM波17))

or((同步方波二分频信号19)and(同步方波信号18))

PWM波控制时序③的特征是电网电压9为正，同步方波信号18为高电平，同步方波二分频信号19是低电平，功率开关管S1的开关指令信号20是一直导通，功率开关管S2的开关指令信号21和功率开关管S3的开关指令信号22都是关断，功率开关管S4的开关指令信号23为单极性PWM波17的一部分，即以高频PWM方式动作。因此，功率开关管S4的开关指令信号23时序逻辑S4t表示为：

S4t＝((同步方波信号18)and(同步方波二分频信号19)and(单极性PWM波17))

or((同步方波二分频信号19)and(同步方波信号18))

PWM波控制时序④的特征是电网电压9为负，同步方波信号18和同步方波二分频信号19都为低电平，功率开关管S1的开关指令信号20和功率开关管S4的开关指令信号23都是关断，功率开关管S2的开关指令信号21为单极性PWM波17的一部分，即以高频PWM方式动作，功率开关管S3的开关指令信号22是一直导通。因此，功率开关管S2的开关指令信号21时序逻辑S2t表示为：

S2t＝((同步方波信号18)and(同步方波二分频信号19)and(单极性PWM波17))

or((同步方波二分频信号19)and(同步方波信号18))。

由图3可知，在每个电网电压的过零点时同一桥臂的两个功率开关管要进行关断和开通切换，这要求此时必须设置死区时间，本发明采用正在导通的功率开关管提前关断的原则仅在电网电压的过零点时加入死区时间，最长的死区时间为一个开关周期，具体原则如下：

3.1、PWM波控制时序①和②交接处以及PWM波控制时序③和④交接处，即在负的电网电压过零点，功率开关管S1的开关指令信号20和功率开关管S4的开关指令信号23在电压过零点对应的最后一个开关周期都提前关断。对于功率开关管S1而言，关断的依据是功率开关管自身为导通状态，且电网电压同步旋转角11大于等于180°，将该逻辑称为S1off。同理，对于功率开关管S4而言，关断的依据也是功率开关管自身为导通状态，且电网电压同步旋转角11大于等于180°，将该逻辑称为S4off。

3.2、PWM波控制时序②和③交接处以及PWM波控制时序④和①交接处，即在正的电网电压过零点，功率开关管S2的开关指令信号21和功率开关管S3的开关指令信号22在电压过零点对应的最后一个开关周期都提前关断。对于功率开关管S2而言，关断的依据是功率开关管自身为导通状态，且电网电压同步旋转角11大于等于360°，将该逻辑称为S2off。同理，对于功率开关管S3而言，关断的依据也是功率开关管自身为导通状态，且电网电压同步旋转角11大于等于360°，将该逻辑称为S3off。

将上述控制原则进行整理，可以得出各个功率开关管的最终开关指令信号如下：

S1c＝S1t and S1off and S4off；S2c＝S2t and S2off and S3off；

S3c＝S3t and S3off and S2off；S4c＝S4t and S4off and S1off。

本发明适用于单相并网发电系统，特别是随着建筑集成光伏并网发电系统以及小型风力发电系统等的快速发展，在降低开关损耗、消除死区效应以及优化散热设计方面具有鲜明的特点，有利于提高系统效率、工作可靠性和使用寿命，其良好的实用价值会越来越受到重视。

Claims

1.一种用于单相并网逆变器的脉冲宽度调制PWM控制方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、计算得到单相全桥逆变器的单极性PWM波（17）；

步骤2、将单相全桥逆变器的电网电压检测（9）与过零比较器比较得到同步方波信号（18），再将同步方波信号（18）二分频得到同步方波二分频信号（19）；

步骤3、在单相全桥逆变器的四个功率开关管中，使得只有一个功率开关管处于高频PWM动作状态，与其对角线的另一个桥臂的功率开关管处于工频频率动作状态，其余两个功率开关管处于关断状态；四个功率开关管按照控制时序①、②、③和④的相位顺序，轮流以高频PWM方式进行动作：

所述的PWM波控制时序①的特征是电网电压检测（9）为正，同步方波信号（18）和同步方波二分频信号（19）都是高电平，功率开关管S1的开关指令信号（20）为单极性PWM波（17）的一部分，即以高频PWM方式动作，功率开关管S2的开关指令信号（21）和功率开关管S3的开关指令信号（22）都是关断，功率开关管S4的开关指令信号（23）是一直导通；

所述的PWM波控制时序②的特征是电网电压检测（9）为负，同步方波信号（18）为低电平，同步方波二分频信号（19）是高电平，功率开关管S1的开关指令信号（20）和功率开关管S4的开关指令信号（23）都是关断，功率开关管S2的开关指令信号（21）是一直导通，功率开关管S3的开关指令信号（22）为单极性PWM波（17）的一部分，即以高频PWM方式动作；

所述的PWM波控制时序③的特征是电网电压检测（9）为正，同步方波信号（18）为高电平，同步方波二分频信号（19）是低电平，功率开关管S1的开关指令信号（20）是一直导通，功率开关管S2的开关指令信号（21）和功率开关管S3的开关指令信号（22）都是关断，功率开关管S4的开关指令信号（23）为单极性PWM波（17）的一部分，即以高频PWM方式动作；

所述的PWM波控制时序④的特征是电网电压检测（9）为负，同步方波信号（18）和同步方波二分频信号（19）都为低电平，功率开关管S1的开关指令信号（20）和功率开关管S4的开关指令信号（23）都是关断，功率开关管S2的开关指令信号（21）为单极性PWM波（17）的一部分，即以高频PWM方式动作，功率开关管S3的开关指令信号（22）是一直导通；

同时采用正在导通的功率开关管提前关断的原则仅在电网电压的过零点时加入死区时间，最长的死区时间为一个开关周期，加入死区时间的具体步骤如下：

3.1、PWM波控制时序①和②交接处以及PWM波控制时序③和④交接处，即在负的电网电压过零点，功率开关管S1的开关指令信号（20）和功率开关管S4的开关指令信号（23）在电压过零点对应的最后一个开关周期都提前关断，对于功率开关管S1而言，将该逻辑称为S1off，对于功率开关管S4而言，将该逻辑称为S4off；

3.2、PWM波控制时序②和③交接处以及PWM波控制时序④和①交接处，即在正的电网电压过零点，功率开关管S2的开关指令信号（21）和功率开关管S3的开关指令信号（22）在电压过零点对应的最后一个开关周期都提前关断，对于功率开关管S2而言，将该逻辑称为S2off，对于功率开关管S3而言，将该逻辑称为S3off；

得到各个功率开关管的最终开关指令信号如下：

S1c=S1tandS1offandS4off；S2c=S2tandS2offandS3off；

S3c=S3tandS3offandS2off；S4c=S4tandS4offandS1off。

2.根据权利要求1所述的脉冲宽度调制PWM控制方法，其特征在于：所述的步骤1中单极性PWM波（17）的确定方法是，通过电网电压检测（9），利用锁相环控制（10）得出电网电压同步旋转角（11），再按照单位功率因数计算得到逆变器输出参考电流（12），再将逆变器输出参考电流（12）与检测逆变器实际输出电流（13）进行差值比较后，经过比例增益（14）进行放大，并进行绝对值运算（15），最后经过单极性三角载波比较（16），得到单极性PWM波（17）。