CN103368433A - 逆变器及pwm调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器，包括：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压控制单元和PWM调制单元，所述输入单元、输出单元、电网电压检测单元和交流电压控制单元均连接所述PWM调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压控制单元。还公开了一种PWM调制方法。本发明实施例中，在电网电压处于低电压穿越状态时，PWM调制方法从多电平转换为两电平调制，实现了低电压穿越时的可靠并网。

Description

逆变器及PWM调制方法

技术领域

本发明涉及计算机及通信技术领域，尤其涉及一种逆变器及PWM调制方法。

背景技术

图1为T型三电平逆变器拓扑，通过控制绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT）的开通、关断，实现从太阳能电池DC到电网AC的能量转换，是在太阳能应用中非常有应用前景的拓扑结构。

低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），指在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（或区域）。

逆变器中的PWM调制单元功能主要是将直流电压通过脉宽调制转换成为交流电压，交流电压是通过PWM产生电平与脉宽可控制的脉冲序列来近似模拟实现的。逆变器系统会根据运行工况的需要调节逆变器的交流输出电压，PWM单元根据交流输出电压指令值与直流电压的电压值、电平数情况输出脉宽信号，通过控制逆变器晶体管或其他功率电子开关的状态，实现调节逆变器的交流输出电压的目的。

传统的三电平PWM（Pulse Width Modulation）调制方法如图2和图3所示。图2为三电平PWM信号产生原理，通过正弦调制波U_x（其中x分别表示a、b、c三相调制信号，且和上图1对应）分别与三角载波Tr1、Tr2比较产生PWM调制信号Q_x1和Q_x4。

图3为PWM开关状态表，其中Q_x1与Q_x3互补导通、Q_x2与Q_x4（Q_x1、Q_x2、Q_x3和Q_x4分别对应图1中Q1、Q2、Q3和Q4晶体管的开关状态，x表示a、b或c三相）互补导通，同时Q_x1与Q_x4分别代表正弦调制波U_x在其上下半周的PWM调制信号。

实现并网逆变器低电压穿越LVRT时，在逆变器并网点电压跌落过程中，特别是跌落电压接近0的零电压穿越场景，逆变器能够保持可靠并网，按标准要求输出有功/无功电流。

如图1中T型三电平拓扑，PWM调制信号Q₁和Q₃互补，Q₂和Q₄互补。任何电力电子开关器件都有一定的固有开通时间和关断时间，在具有直流母线的桥式逆变器中，一个开关器件没有完全关断之前另一个开关器件已经导通，这样就相当于两个开关器件同时导通而造成直流母线短路，因此必须保证有一定时间的延迟，该延迟时间即称为死区时间。

实际工作中，为防止Q₁和Q₃、Q₂和Q₄同时导通，需要设置互补导通信号死区，如图4所示，死区的存在导致逆变器桥臂输出电压存在偏差Δu，在开关占空比较大的情况下，此偏差所占比例Δu/u较小，但当调制系数（ModulationIndex）较小，即开关占空比很小的情况下，偏差所占比例Δu/u将比较大，从而加深了输出电压矢量偏离参考电压矢量的程度，导致输出电压波形发生畸变，增大输出电压谐波。如图5所示，在低电压穿越时，由于电网电压可能会跌到5%以下，这时候逆变器输出电压很低（逆变器输出电压为图5中上面波形中近似平坦的正弦波，即参考电压），调制系数较小，PWM将产生很多窄脉冲，逆变器输出电压波形畸变非常严重（PWM调制后的逆变器输出电压波形如图5中下面的波形所示，已发生严重变形），将导致并网电流畸变或者震荡，以及中点不平衡问题，从而无法实现可靠并网。

发明内容

本发明实施例提供逆变器及PWM调制方法，以解决现有技术中在低电压穿越时，采用三电平PWM调制将产生很多窄脉冲，逆变器输出电压波形畸变非常严重，无法实现可靠并网的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

第一方面，提供包括：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压控制单元和PWM调制单元，所述输入单元、输出单元、电网电压检测单元和交流电压控制单元均连接所述PWM调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压控制单元；

所述输入单元用于将直流电压传输至PWM调制单元；

所述电网电压检测单元用于将检测到的电网电压幅值和相位传输至交流电压控制单元；

所述交流电压控制单元用于根据预定的并网电流控制指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值；

所述电网电压检测单元还用于在所述电网电压幅值低于低电压穿越阈值时触发所述PWM调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压；或者在所述电网电压幅值高于低电压穿越阈值时触发所述PWM调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压；

所述输出单元将所述第一交流电压或第二交流电压输出至电网侧。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。

第二方面，提供一种PWM调制方法，包括步骤：

检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值；

根据预设的并网电流控制指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值；

判断电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值；

若低于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压；

若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。

本发明实施例中，在电网电压处于低电压穿越状态时，PWM调制产生两电平PWM波，此时PWM波形的占空比接近1:1（如图8所示），无窄脉冲出现，死区时间对开关管导通时间和关断时间的影响被大大的消弱了，输出波形畸变小，提高了穿越过程中的输出波形质量，避免了三电平调制时中点不平衡问题，提高了LVRT能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的一种T型三电平逆变器电路拓扑结构图；

图2是现有技术中的三电平PWM调制示意图；

图3是是现有技术中的三电平PWM开关状态表，与图2对应；

图4是现有技术中的三电平PWM调制方法中信号死区效应图；

图5是设置互补导通信号死区后三电平5%指令电压调制示意图；

图6是本发明实施例的一种逆变器结构示意图；

图7是采用图6中逆变器进行PWM调制时的调制方式切换时序图；

图8是采用图6中逆变器在电网电压进行低电压穿越时两电平PWM调制示意图；

图9是本发明实施例的一种PWM调制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的逆变器如图6所示，包括：输入单元610、电网电压检测单元620、PWM调制单元630、输出单元640和交流电压控制单元650。输入单元610、输出单元640、电网电压检测单元620和交流电压控制单元650均连接PWM调制单元630，电网电压检测单元620连接交流电压控制单元650。逆变器的输出单元640通过并网滤波器与电网连接。

输入单元610将逆变器的输入，即直流电压输入至PWM调制单元630。电网电压检测单元620检测电网电压的幅值是否低于低电压穿越阈值。本实施例中为正常电压的5%。若低于低电压穿越阈值，则说明电网电压处于低电压穿越状态。电网电压检测单元620还提供电网电压幅值与相位给交流电压控制单元650，交流电压控制单元650根据电网电压检测单元620的输入、预设的并网电流控制指令（通常由逆变器的控制器下发）及当前的电网电流值计算输出交流电压幅值与相位。其中并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值，通过PWM调制使逆变器输出电压至电网侧的方式来控制当前的电网电流达到并网时的目标电流值。

在电网电压处于低电压穿越状态时电网电压检测单元620触发PWM调制单元630根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压（即两电平PWM调制），第一交流电压的幅值和相位分别为交流电压控制单元650计算出的所述交流电压幅值和相位。其中第一交流电压使得在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网，即使得电网电流能够达到并网时的目标电流值。若高于等于低电压穿越阈值，则触发所述PWM调制单元630根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压（三电平以上PWM调制），即在电网电压不处于低电压穿越阶段时，可按现有的PWM调制方式调制。

本实施例中，电网电压检测单元620触发PWM调制单元630进行调制可通过设置低电压穿越标志位实现。电网电压检测单元620检测到电网电压的幅值低于低电压穿越阀值时认为此时电网处于低电压穿越状态，将低电压穿越标志位置1，否则置0。PWM调制单元630检测低电压穿越标志位的值，然后进行相应的调制。

PWM调制单元630的切换过程如图7所示，通过电网电压检测单元610检查电网电压V_grid判断LVRT（低电压穿越）是否发生。在t<t1时间区域，电网电压V_grid正常，低电压穿越标志为0，逆变器采用正常的多电平（三电平以上）调制；t1<t<t2时间区域，电网电压V_grid跌落小于阈值，LVRT发生，低电压穿越标志为1，逆变器采用两电平调制；t>t2时间区域，LVRT已恢复，电网电压V_grid跌落大于阈值，低电压穿越标志为0，逆变器采用多电平（三电平以上）调制。

以图1中的三电平逆变器电路为例，在PWM调制单元630中，两电平PWM调制是通过PWM波控制如图1中的Q1和Q2开通或关断，即需要两个电平就能控制Q1和Q2的开通或关断，Q3和Q4默认为关断状态，因此其输出为1和﹣1两个状态电平。三电平PWM调制是通过PWM波控制如图1中的4个开关管Q1、Q2、Q3、Q4开通或关断，其输出为1、0和﹣1三个状态电平。其中Q1开通或关断信号Qx1由调制波Ux与载波Tr1比较产生产生，Q4开通或关断信号Qx4由调制波Ux与载波Tr2比较产生产生，如图2所示。开关管Q2开通关断状态与Q4互补，开关管Q3开通关断状态与Q1互补，如图3所示。

如图8所示，由于在低电压穿越发生的时候，逆变器采用两电平PWM调制方式，使得在参考电压（图8上面波形中的平坦正弦波）很低情况下，也能输出PWM波（即第一交流电压）占空比接近1:1，如图8中下面的波形所示，无窄脉冲。此时死区对开关管的导通和关断时间的影响被大大削弱了，易于实现死区补偿，减小死区对并网电流波形的影响，输出电流波形畸变小，且两电平调制无中点平衡问题，有利于实现低电压穿越时的可靠并网。

本发明还提供一种PWM调制方法，如图9所示，包括：

步骤S910，检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值。

步骤S920，根据预设的并网电流控制指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位。所述并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值。

步骤S930，判断电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值。

步骤S940，若低于低电压穿越阈值，如：为正常电网电压的5%，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压。该第一交流电压的幅值和相位分别为步骤S920中计算出的所述交流电压幅值和相位。其中第一交流电压使得在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网。

步骤S950，若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。

本发明的逆变器可以为单相T型、I型三电平逆变器、三相T型、I型三电平逆变器、单、三相多电平逆变器。这些逆变器均可采用上述PWM调制方法实现低电压穿越时的可靠并网。

本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码。

计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质包含但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或者装置，或者前述的任意适当组合，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器（EPROM或者快闪存储器）、光纤、便携式只读存储器(CD-ROM)。

计算机中的处理器读取存储在计算机可读介质中的计算机可读程序代码，使得处理器能够执行在流程图中每个步骤、或各步骤的组合中规定的功能动作；生成实施在框图的每一块、或各块的组合中规定的功能动作的装置。

计算机可读程序代码可以完全在用户的计算机上执行、部分在用户的计算机上执行、作为单独的软件包、部分在用户的计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。也应该注意，在某些替代实施方案中，在流程图中各步骤、或框图中各块所注明的功能可能不按图中注明的顺序发生。例如，依赖于所涉及的功能，接连示出的两个步骤、或两个块实际上可能被大致同时执行，或者这些块有时候可能被以相反顺序执行。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种逆变器，其特征在于，包括：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压控制单元和PWM调制单元，所述输入单元、输出单元、电网电压检测单元和交流电压控制单元均连接所述PWM调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压控制单元；

所述输入单元用于将直流电压传输至PWM调制单元；

所述电网电压检测单元用于将检测到的电网电压幅值和相位传输至交流电压控制单元；

所述交流电压控制单元用于根据预定的并网电流控制指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值；

所述电网电压检测单元还用于在所述电网电压幅值低于低电压穿越阈值时触发所述PWM调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压；或者在所述电网电压幅值高于等于低电压穿越阈值时触发所述PWM调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压；

所述输出单元将所述第一交流电压或第二交流电压输出至电网侧。

2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。

3.一种PWM调制方法，其特征在于，包括步骤：

检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值；

根据预设的并网电流控制指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流控制指令中包括并网时的目标电流值；

判断电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值；

若低于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压；

若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。

4.如权利要求3所述的PWM调制方法，其特征在于，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。

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