CN101931337B - 一种光伏发电用斩波逆变电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电用斩波逆变电路及控制方法，前级为三电平升压斩波器，后级为三电平逆变器。前级三电平升压斩波器包括一个电感，两个电容，两个开关管，三个二极管，以及光伏电池板。后级三电平逆变器由两个桥臂构成。该电路的控制方法包括前级三电平升压斩波器的控制和后级三电平逆变器控制，其中，前级三电平升压斩波器的控制包括均压控制以及闭环控制；后级三电平逆变器的控制为双环控制，包括电流内环和电压外环。

Description

一种光伏发电用斩波逆变电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能光伏发电领域的斩波逆变电路及其控制方法，具体涉及一种前级三电平升压斩波器及后级三电平逆变器的电路及控制方法。

背景技术

由于石油价格的上涨和其它常规能源资源的日渐减少，世界范围内新能源和可再生能源的开发和利用的步伐加快了。其中利用太阳能进行发电的研究和开发工作取得了显著成就，世界各国都在大力发展以光伏发电为代表的太阳能发电技术。

然而，用于电能变换的直流斩波器及逆变器的设计是光伏发电系统设计的最主要内容。

斩波电路可以有降压式变换电路(buck converter)，升压式变换电路(boost converter)，升降压式变换电路(boost-buck converter)，推挽变换电路，半桥和全桥变换电路等多种选择。但实际设计中一般采用升压式变换电路(boost converter)。因为升压变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下，当输入电感足够大时，电感上的纹波电流很小，电感电流接近直流电路。故只需要加入小容量的无感电容甚至不加电容，从而有效地避免了加电容带来的各种弊端。同时，升压电路也有着电路结构简单的优点，并且，由于其功率开关管接地，驱动电路设计也较为方便。另外，采用升压电路也便于下一级的逆变电路有更好的逆变效率。

然而，大多说的光伏发电斩波电路都采用的经典的升压电路。此类升压电路虽然电路结构简单，但当开关频率较大(一般情况下fs≥20KHz)时，开关损耗较大，能量转换效率较低。并且，由于只有一个开关管，对二极管和开关管的最大耐压值要求较高。另外，由于此电路无法对中点电压进行筘位，故不便于采用性能较好，损耗较小，等效开关频率较高的三电平逆变器。

光伏发电系统对于逆变器的选择也有着严格的要求，主要体现如下：

(1)要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

(2)要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有较高的可靠性。

(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围。

(4)在中、大容量的光伏发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。

而光伏发电系统中常用的逆变器为两电平逆变器(图1)。相对于三电平逆变器，在相同的输入电压等级及开关频率下，等效开关频率低，开关损耗较大，电能转换效率较低；开关管实际开关频率较高，并且所承受的电压值较大。同时要求滤波电感的体积较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光伏发电系统的前级为三电平升压斩波器，后级为三电平逆变器的新型斩波逆变电路以及控制方法，相对于二电平结构，可有效提高开关频率，降低开关损耗，提高电能变换效率，同时也可降低对开关器件耐压值的要求，并大大减小滤波电感的体积，进一步有效减小光伏发电系统的体积。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种光伏发电用斩波逆变电路，其特征在于，包括前级三电平升压斩波器和后级三电平逆变器，所述前级三电平升压斩波器包括第一开关管，第一开关管的源极与第一电感的一端和第二二极管的正极相连，漏极与第二开关管的源极相连为C点；第二开关管的漏极与第一二极管的正极和第三二极管的负极相连；光伏电池板PV的正极接第一电感的另一端，负极接第一二极管的负极；第二二极管的负极与第一电容的正极相连，第三二极管的正极与第二电容的负极相连，第一电容的负极与第二电容的正极都与C点相连；

后级三电平逆变器由两个桥臂构成，左桥臂包括依次串连的第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、和用于中点筘位的第四、第五二极管，第四二极管负极接第三开关管的发射极，正极连接第五二极管负极，第五二极管正极接第五开关管的发射极；右桥臂包括依次串连的第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、和用于中点筘位的第十、第十一二极管，第十二极管负极接第七开关管的发射极，正极连接第十一二极管负极，十一二极管正极接第九开关管的发射极；每个开关管都反并联一个二极管；第四、第五开关管的连接点为记A点，第八、第九开关管的连接点记为B点，将A、B点作为输出端与负载或电网连接；

第三、第七开关管的集电极连接前级斩波器第一电容的正极；第六、第十开关管的发射极连接前级斩波器第二电容的负极；第四，第十二极管的正极、第五，第十一二极管的负极连接前级C点。

上述方案中，所述第一、第二开关管采用MOSFET型开关管；所述第三至第十开关管采用IGBT型开关管。

本发明的前述光伏发电用斩波逆变电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)前级三电平升压斩波器的控制步骤

前级三电平升压斩波器在控制方法上包括均压控制以及闭环控制。均压控制的具体实现方式为：通过比较第一电容上的电压V₀₁和第二电容上的电压V₀₂，若第一、第二开关管都导通，光伏电池板PV给第一电感充电，两个电容给后级负载充电，无需改变开关状态；若第一、第二开关管中的一个导通，一个关断，改变开关状态：当V₀₁＞V₀₂时，让第一开关管导通，第二开关管断开，此时第一电感给第二电容充电，V₀₂升高，；当V₀₁＜V₀₂时，让第一开关管断开，第二开关管导通，此时第一电感给第一电容充电，V₀₁升高；

在闭环控制上，将三电平升压斩波器等效为传统两电平升压斩波器，采用两电平升压斩波器的闭环控制方法设计调节器，对三电平升压斩波器进行控制即可；

(2)后级三电平逆变器控制步骤

为双环控制，包括电流内环和电压外环控制。

与现有技术相比，本发明的优点是，

三电平升压变换器的等效开关频率是器件实际开关频率的2倍，开关器件只承受输出直流电压的一半的电压，使得开关损耗得到有效的减少；后级的逆变器采用二极管中点电压筘位的三电平单相全桥拓扑结构，降低了每个桥臂载波电感的体积，且开关器件只承受一半的直流电压，不但使开关损耗得到有效的减少，还降低了对开关器件耐压值的要求；并有效的提高了开关频率，等效开关频率是器件实际开关频率的4倍，同时提高了电能变换效率。

附图说明

图1为光伏发电系统中常用的一种两电平斩波逆变电路结构图。

图2为本发明提出的光伏发电用三电平斩波逆变电路结构图。

图3为图2的前级三电平斩波电路的输入输出电压关系图。

图4是工作模式1(V_in＜V₀/2)下，前级升压斩波器开关管T1，T2的控制时序。

图5是工作模式2(V_in＞V₀/2)下，前级升压斩波器开关管T1，T2的控制时序。

图6三电平的升压斩波器等效为传统两电平Boost电路的电路图。

图7为本发明的前级三电平升压斩波器的控制框图。

图8为本发明的后级三电平逆变器左半桥臂载波错相180°调制方法示意图。

图9为本发明的后级三电平逆变器左桥臂的调制信号产生的示意图。

图10为本发明的后级三电平逆变器右桥臂的调制信号产生的示意图。

图11为本发明的后级三电平逆变器电流环控制框图。

图12为本发明的后级三电平逆变器PWM整流器的示意图

图13为本发明的后级三电平逆变器电压环控制框图

具体实施方式

如图2所示，光伏电池板串联得到直流输入，经过一个三电平的升压斩波器升压后得到一直流量提供给后级的三电平逆变器。

前级三电平升压斩波器包括一个电感L1，两个电容C1、C2，两个开关管T1、T2，以及三个二极管D1、D2、D3，以及光伏电池板；开关管T1的源极与电感L1和二极管D2的正极相连，T1的漏极与T2的源极相连，连接点记为C；开关管T2的漏极分别与D1的正极和D2的负极相连；PV板正极接电感，负极接二极管D2负极；电容C1正极与D2负极相连，负极与C2正极相连，同时也与C相连；电容C2负极与D3正极相连；

后级三电平逆变器由两个桥臂构成，左桥臂由依次串连的开关管T3、T4、T5、T6，及其反并联的二极管D6、D7、D8、D9，和中点筘位二极管D4、D5组成；右桥臂由依次串连的开关管T7、T8、T9、T10，及其反并联的二极管D12、D13、D14、D15，和中点筘位二极管D10、D11组成；A，B点为桥臂输出及端口，连接负载或电网，在这里用一个正弦的电流源V_G来代替负载和电网。

其中，D4、D10的正极以及D5、D11的负极与前级的C点相连；T3、T7的集电极与前级电路中C1的正极相连，T6、T10的发射极与前级电路中C2的负极相连。

一、前级三电平升压斩波器的控制

(1)工作过程

电容C1＝C2，V₀₁＝V₀₂＝V₀/2。这样输入电压存在小于V_o/2和大于V_o/2两种情况，根据输入电压的不同，存在两种工作模式，如图3所示。三电平指的是两个开关两端的电压V_xy有0，V₀/2和V₀三种电平。

工作模式1(V_in＜V₀/2)：如图4所示，t₀时刻两个开关管T1，T2同时导通，电感两端电压为V_in，电感电流上升。t₁时刻T₂关断，强迫电感电流从电容C2和二极管D3流过，此时电感两端的电压为V_in-V₀/2，电感电流下降。t₂时刻两个开关又再次同时导通，t₃时T1关闭T2导通，如此循环。

工作模式2(V_in＞V₀/2)：如图5所示，t₀时只有开关T1导通，电感两端电压为V_in-V₀/2，电感电流上升。t₁时开关T1、T2同时关断，电感两端电压为V_in-V₀，电感电流减少。在工作模式2时，每个周期内当电感电流上升时仅有一个开关保持开通状态，电感电流下降时，两个开关同时关断，如此循环。

均压控制：为了使两个电容给后级负载充电前电压达到平衡，比较V₀₁和V₀₂，若T1与T2导通，电源在给电感充电，电容给负载充电，无需改变开关状态；若T1与T2中一个导通，一个关断，需要改变开关状态。当V₀₁＞V₀₂时，为了使V₀₁和V₀₂平衡，需要电感给C2充电，则开关动作为T1导通，T2断开；同理，当V₀₁＜V₀₂时，为了使V₀₁和V₀₂平衡，需要电感给C1充电，则开关动作为，T1断开，T2导通。综上所述，控制的逻辑如表1所示。

表1

调制输出	电压比较	T1	T2
				1	V01＞V02	1	1
1	V01＜V02	1	1
				0	V01＞V02	1	0
0	V01＜V02	0	1

从本质上看，升压变换器的作用是，通过改变占空比，从而控制输入电压为期望值，使光伏电池输出功率最大。从闭环控制上看，三电平升压变换器可以看作由两个完全一样的传统升压变换器构成，如图6所示。该传统升压变换器的输出电压为原来的一半，负载也为原来的一半，开关频率为原来的二倍。图中R₁和R_c分别为电感和电容的等效串联电阻(ESR)。

由于输出电压为恒定的，但不考虑输出电压的扰动时，可得占空比到输入电压的小信号模型

$G_{\mathrm{vid}}\left(s\right)=\frac{{\hat{v}}_i\left(s\right)}{\hat{d}\left(s\right)}=-V_{o1}\frac{1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_z}}{{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2+\frac{s}{{\mathrm{Q\ω}}_0}+1}---\left(1\right)$

式中

${\mathrm{\ω}}_z=\frac{1}{R_{c}C}$

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(2\right)$

$Q=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}\frac{1}{\frac{L}{R_{\mathrm{pv}}}+(R_1+R_c)C}$

由传递函数可以看出，被控对象有一个高频零点和两个极点。零点由电容的ESR形成的，由于R_c很小，从而该零点可以忽略，被控对象为典型的二阶系统。

如图7所示，采用PI调节器对本发明中的三电平升压斩波器进行补偿，图中的比例环节-1用来抵消被控对象模型中的负号。补偿后，系统的环路增益为

$G_{\mathrm{loop}}\left(s\right)=(k_p+\frac{k_i}{s})\frac{V_{o1}(1+\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_z})}{{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2+\frac{s}{{\mathrm{Q\ω}}_0}+1}---\left(3\right)$

二、后级三电平逆变器的控制

(1)电路结构

逆变器采用中点电压钳位三电平单相全桥拓扑，采用每个桥臂载波错相180度调制，输出的等效开关频率是器件开关频率的4倍，大大减少了滤波电感的体积，且开关器件承受一半的直流电压，开关损耗得到有效的减少。

(2)控制信号的生成

以左半桥臂为例T3、T4、T5、T6四个开关管一共存在三种有效的状态组合，相应的AC点之间的电压值U_AC取E，0，-E三种值，即实现了三电平输出。具体情况如下：

式中，E为直流输入电压

逆变器采用中点电压钳位三电平单相全桥拓扑结构，采用每个桥臂载波错相180度的调制方式。调制方法如图8所示

①.如图9所示，左半桥臂中开关管T3、T4分别用第一，第二三角波作为载波，其中第一第二三角波在Y轴方向有一个大小为单倍峰峰值的位移差。并与正弦载波进行调制，即得T3、T4的控制波形。生成T5的控制波形与T3互补，T6的控制波形与T4互补；

②.如图10所示，右半桥臂中开关管T7、T8分别用第三、第四三角波作为载波，其中第三、第四三角波在Y轴方向有一个大小为单倍峰峰值的位移差。并与正弦载波进行调制，即得T7、T8的控制波形，生成T9的控制波形与T7互补，T10的控制波形与T8互补；

且注意，第一三角波与第三三角波相位差180度，第二三角波与第四三角波相位差180度。

这样的话，就可以调制出基本控制原理中所描述的八个开关管所需的控制波形。每个桥臂载波错相180度调制，输出的等效开关频率是器件开关频率的4倍，大大减少了滤波电感的体积。可以说，这是一种简洁而有效的调制方法。

(3)调节器设计

三电平逆变器需要实现并网电流单位功率因素为1的同时将直流电压控制在给定的参考值，所以逆变器的控制一般采用双环设计，包括电流内环和电压外环。

①.电流内环设计

电流内环的结构框图见图11，其开环传递函数为

$T_{\mathrm{cloop}}\left(s\right)=V_{\mathrm{dc}}\·G_C\left(s\right)\·\frac{1}{s\·L_1+R_1}\·K_f---\left(4\right)$

此电流内环是一个一阶环节，我们可以用一个PI调节器作为电流内环的调节器。此处也可以选择谐振调节器，也能得到较好的效果。

②.电压外环设计

电压外环的设计可以把变流器当成一个PWM整流器来考虑，从电网交换有功能量还维持直流侧电压的平衡。如图12所示为PWM整流器的示意图，根据能量平衡，交流侧的功率等于直流侧功率。

直流侧功率为

P1(t)＝V_S(t)I_S(t)            (5)

电感和电阻上的功率为

$P2\left(t\right)={\mathrm{RI}}_s{\left(t\right)}^2+\frac{1}{2}L\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_s{\left(t\right)}^2---\left(6\right)$

直流侧功率为

$P3\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_{\mathrm{dc}}\frac{d}{\mathrm{dt}}{V}_{\mathrm{dc}}{\left(t\right)}^2---\left(7\right)$

所以有式(8)关系成立。

P1-P2＝P3                    (8)

认为电网电压为恒定值有效值为Vo，在稳态工作点上对电网电流和直流电压分别加入小信号扰动

和

提取出其中的小信号分量部分，进行拉普拉斯变换后可以得到，电网电流到直流电压的传递函数为式(9)所示

$\frac{V_{\mathrm{dc}}\left(s\right)}{I_s\left(s\right)}=\frac{V_o-R\·2\·I_s-L\·I_s\·s}{C_{\mathrm{dc}}\·V_{\mathrm{dc}}\·s}---\left(9\right)$

在电压环设计时，可以认为电流内环是一个动态响应很快，跟踪准确的环节，将电流环看为一个单位比例环节。于是可以得到电压环的环路结构如图13所示，图中的反馈环节中的加入了一个低通滤波器是为了滤除直流电压中的二次谐波。

电压环的带宽和相位余量都较电流环小，所以设计电压环调节器时首先要保证系统的稳定性，其动态特性要求不必太高。

Claims (1)

1.一种光伏发电用斩波逆变电路的控制方法，基于一种光伏发电用斩波逆变电路，包括前级三电平升压斩波器和后级三电平逆变器，所述前级三电平升压斩波器包括第一开关管，第一开关管的源极与第一电感的一端和第二二极管的正极相连，第一开关管的漏极与第二开关管的源极相连为C点；第二开关管的漏极与第一二极管的正极和第三二极管的负极相连；光伏电池板PV的正极接第一电感的另一端，光伏电池板PV的负极接第一二极管的负极；第二二极管的负极与第一电容的正极相连，第三二极管的正极与第二电容的负极相连，第一电容的负极与第二电容的正极都与C点相连；

后级三电平逆变器由两个桥臂构成，左桥臂包括依次串连的第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，还包括用于中点箝位的第四、第五二极管；第四二极管负极接第三开关管的发射极，第四二极管正极连接第五二极管负极，第五二极管正极接第五开关管的发射极；右桥臂包括依次串连的第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管，还包括用于中点箝位的第十、第十一二极管，第十二极管负极接第七开关管的发射极，第十二极管正极连接第十一二极管负极，第十一二极管正极接第九开关管的发射极；第三至第十开关管都反并联一个二极管；第四、第五开关管的连接点记为A点，第八、第九开关管的连接点记为B点，将A、B点作为输出端与负载或电网连接；

第三、第七开关管的集电极连接前级三电平升压斩波器第一电容的正极；第六、第十开关管的发射极连接前级斩波器第二电容的负极；第四二极管的正极，第十二极管的正极、第五二极管的负极，第十一二极管的负极连接前级三电平升压斩波器的C点；

以上光伏发电用斩波逆变电路的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)前级三电平升压斩波器的控制

包括均压控制以及闭环控制，均压控制的具体实现方式为：通过比较第一电容上的电压V₀₁和第二电容上的电压V₀₂，若第一、第二开关管都导通，光伏电池板PV给第一电感充电，第一电容和第二电容给负载充电，无需改变开关状态；若第一、第二开关管中的一个导通，一个关断，改变开关状态：当V₀₁＞V₀₂时，让第一开关管导通，第二开关管断开，此时第一电感给第二电容充电，V₀₂升高；当V₀₁＜V₀₂时，让第一开关管断开，第二开关管导通，此时第一电感给第一电容充电，V₀₁升高；

闭环控制的具体实现方式为：将三电平升压斩波器等效为传统两电平升压斩波器，采用两电平升压斩波器的闭环控制方法设计调节器，对三电平升压斩波器进行控制；

(2)后级三电平逆变器控制

为双环控制，包括电流内环和电压外环控制。

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