CN104052083B - 一种并网逆变器混合调制装置及其调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了并网发电领域内的一种并网逆变器混合调制装置及其调制方法，所述调制装置包括主电路和控制电路，所述主电路包括连接直流电源和电网的全桥逆变器，所述控制电路包括输入调理电路、输出调理电路、数字信号处理器以及开关管驱动电路，所述调制方法为在正功区域，采用单极性调制方式；在负功区域，采用双极性调制方式，本发明有效的抑制电网电压过零点处并网电流的畸变，确保网侧的电能质量，提高逆变器的转换效率，本发明可用于并网发电装置中。

Description

一种并网逆变器混合调制装置及其调制方法

技术领域

本发明涉及一种并网逆变器，特别涉及一种并网逆变器调制装置。

背景技术

在现有技术的全桥逆变器并网发电装置中，为提高逆变器的效率通常采用单极性调制策略来控制开关管的开闭，但当并网逆变器接受电网调度指令发无功时，因在电网电压过零时，电感上电流不能调制出正弦电流波形，故此时会出现电流波形的畸变。为了解决电网电压过零时的并网电流畸变问题，目前常用的解决方法如下：

一是将单极性调制变成双极性调制，采用双极性调制时，对于单相全桥并网逆变器来说，斜对角的2支开关管接受相同的驱动信号，且同一个桥臂开关管的驱动信号互补，可见在双极性调制中，单相全桥并网逆变器的所有开关管都处于高频开关状态，因而开关损耗较大，这会降低并网发电的效率。

二是在单极性调制的基础上，在低频管送低电平控制信号的区段，改成脉冲驱动控制，即采用部分双极性调制。这种方法相比于第一种方法而言，由于保留了单极性调制策略中低频开关管的常通状态，故效率较第一种方法高，但相对于单极性调制策略来说，效率还是降低了很多。

可见以上方法虽然可解决电网电压过零点时并网电流的畸变问题，但却增加了开关损耗，影响了逆变器的效率。

针对此情况，本文提出一种混合调制策略及其实现方法，即在逆变器发正功时，采用单极性调制方法，在逆变器发负功时，采用双极性调制方法，这种混合调制方法相比于全程采用双极性调制，或低频管驱动为低电平时采用双极性调制的效率要高。

发明内容

本发明的目的是提供一种并网逆变器混合调制装置及其调制方法，有助于提高逆变器在接受电网调度发无功时的效率，网侧电流无畸变，电能质量高。

本发明的目的是这样实现的：一种并网逆变器混合调制装置及其调制方法，所述调制装置包括主电路和控制电路，所述主电路包括连接直流电源和电网的全桥逆变器，所述控制电路包括输入调理电路、输出调理电路、数字信号处理器以及开关管驱动电路，所述数字信号处理器内置有输入AD采样接口、输出AD采样接口、电压控制器、电流控制器、锁相环和混合调制发生器，所述输入调理电路的信号输出端经输入AD采样接口与电压控制器的信号输入端相连，电压控制器的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述输出调理电路的信号输出端分别与过零检测电路和输出AD采样接口相连，所述输出AD采样接口的信号输出端分别与锁相环、电流控制器相连，所述过零检测电路的信号输出端分别与锁相环、混合调制发生器相连，所述锁相环的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述电流控制器的信号输出端与混合调制发生器的信号输入端相连，混合调制发生器的信号输出端与开光管驱动电路相连；

所述调制方法包括以下步骤：

步骤1）检测全桥逆变器输出端的电网电流信号i_grid和电网电压信号v_grid，将其送至输出调理电路处理后得到信号i_gridf、v_gridf，将一路v_gridf信号送至过零检测电路得到输出信号Zerocross，并将i_gridf信号和另一路v_gridf信号共同输送至数字信号处理器中的输出AD采样接口，得到i_grids、v_grids；同时检测全桥逆变器输入端的电压信号v_bus，将其送至输入调理电路处理后得到信号v_busf，再将该信号v_busf输送至数字信号处理器中输入AD采样接口，得到v_buss；

步骤2）过零检测电路的输出信号Zerocross分为两路输出，一路Zerocross和v_grids共同送至锁相环，得到输出信号ωt，另一路Zerocross送至混合调制发生器，同时将V_buss送至电压控制器，得到输出信号i_f；

步骤3）将来自电网调度的功率因数指令信号cos^-1PF分别送至电流控制器和混合调制发生器，同时将锁相环输出信号ωt、电压控制器输出信号i_f和电流信号i_grids送至电流控制器，电流控制器将各路信号运算处理后输出调制信号v_reg给混合调制发生器；

步骤4）混合调制发生器中，根据并网逆变器输出正功还是负功，确定相应的调制方式，并对数字信号处理器进行配置，输出脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路；

步骤5）脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路，驱动电路输出控制器信号v_dr1、v_dr2、v_dr3、v_dr4驱动全桥变换器的开关管。

作为本发明的进一步限定，步骤4）的具体方法如下：

第一步）计算出在一个电网周期内功率因数指令信号cos^-1PF对应的开关动作点数n_PF；利用公式，其中n_T为一个电网周期对应的点数，一个开关周期记一次数；

第二步）判断逆变器输出正负功：根据过零检测电路判断电网电压是否过零，判断正负功区域；若电网电压过零，判定逆变器输出负功，将电网电压过零点标志位V_Zero_Flag置1，若电网电压不过零，则直接根据电网电压过零点标志位V_Zero_Flag是否为1来判定逆变器输出，是1则判定为负功，不是1则判定为正功；

第三步）在正功调制程序部分，选取单极性调制方法，直至电网电压再次过零；

第四步）在负功调制程序部分，选取双极性调制方法，并根据开关管的动作次数进行计数点n_s累计增加，直到n_s≥n_PF时，该阶段结束，并将电网电压过零标志位清零，其中n_s在每次电网电压过零后清零并重新开始计数，一个开关周期累加一次；

第五步）重复第二步至第四步。

在全桥逆变器中，采用单极性调制方式，可减小开关损耗，提高变换器效率，但当逆变器输出无功运行时，电网电压和并网电流并不是同相位，以感性负载为例，并网电流滞后电网电压，当电网电压过零变极性时，高频电感电流不会突变并通过在前半个电网周期中未开通的开关管的体二极管自然续流，将电感中的能量送往直流侧，即电感放电，但由于此时直流母线电压远大于电网电压，因此电感电流在不控状态下迅速减小，不可能按给定拟合出正弦波形，出现了畸变。本发明给出的混合调制方式，即在正功区域，采用单极性调制方式（开关管Q₁和Q₃的驱动信号为互补的低频驱动信号，开关管Q₂和Q₄的驱动方式配置为互补的高频驱动信号。在电网电压为正时，配置开关管Q₁驱动信号为高电平，开关管Q₄为高频驱动信号，且开关管Q₂和Q₃关断；在电网电压为负时，配置开关管Q₃驱动信号为高电平，开关管Q₂为高频驱动信号，且开关管Q₁和Q₄关断）；在负功区域，采用双极性调制方式(当并网电流为正时，给开关管Q₁和开关管Q₄送高频驱动信号且开关管Q₃和开关管Q₂关断；当并网电流为负时，给开关管Q₃和开关管Q₂送高频驱动信号，且开关管Q₁和开关管Q₄关断)，可以控制全桥电路中对角开关管导通与关断，来实现直流侧能量与电感能量可控的交换，因此可以按给定拟合出正弦的电感电流波形。即在负功区域经过双极性调制后的并网电流可以跟踪参考电流，从而消除了在电网电压过零点处并网电流的畸变现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用单极性和双极性混合调制的方法有效的抑制电网电压过零点处并网电流的畸变，确保网侧的电能质量，提高逆变器的转换效率，混合调制方式的配置在DSP中通过软件编程实现，没有额外的硬件开销，而且占用内存少，对DSP的运行效率没有影响，本发明可实现并网发电装置中有功和无功调制的统一控制。

附图说明

图1为本发明控制原理框图。

图2为本发明电路原理图。

图3为本发明中感性负载时调制原理流程图。

图4为本发明中感性负载时开关管驱动信号的配置时序图。

图中各符号名称如下：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1-2所示的一种并网逆变器混合调制装置，所述调制装置包括主电路和控制电路，所述主电路包括连接直流电源和电网的全桥逆变器，所述控制电路包括输入调理电路、输出调理电路、数字信号处理器以及开关管驱动电路，所述数字信号处理器内置有输入AD采样接口AD1、输出AD采样接口AD0AD2、电压控制器、电流控制器、锁相环和混合调制发生器，所述输入调理电路的信号输出端经输入AD采样接口AD1与电压控制器的信号输入端相连，电压控制器的信号输出端与电流控制器相连，电压控制器的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述输出调理电路的信号输出端分别与过零检测电路和输出AD采样接口AD0、AD2相连，所述输出AD采样接口AD0、AD2的信号输出端分别与锁相环、电流控制器相连，所述过零检测电路的信号输出端分别与锁相环、混合调制发生器相连，所述锁相环的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述电流控制器的信号输出端与混合调制发生器的信号输入端相连，混合调制发生器的信号输出端与开光管驱动电路相连；

其中单相全桥并网逆变器：直流电源电压Vbus=380V，Ls=1.36mH，并网电压vgrid=220Vac,输出功率Po=3KW，开关频率fs=20KHz，直流输入电容C1=3760uF,开关管选用FairchildSemiconductor公司的IGBTFGH40N65UFD(40A/650V)，数字信号处理器选用TI公司DSPTMS320F28335。

利用上述调制装置进行调制的方法包括以下步骤：

步骤1）检测全桥逆变器输出端的电网电流信号i_grid和电网电压信号v_grid，将其送至输出调理电路处理后得到信号i_gridf、v_gridf，将一路v_gridf信号送至过零检测电路得到输出信号Zerocross，并将i_gridf信号和另一路v_gridf信号共同输送至数字信号处理器中的输出AD采样接口AD0、AD2，得到i_grids、v_grids；同时检测全桥逆变器输入端的电压信号v_bus，将其送至输入调理电路处理后得到信号v_busf，再将该信号v_busf输送至数字信号处理器中输入AD采样接口AD1输入AD采样接口AD1AD1，得到v_buss；

步骤2）过零检测电路的输出信号Zerocross分为两路输出，一路Zerocross和v_grids共同送至锁相环，得到输出信号ωt，另一路Zerocross送至混合调制发生器，同时将V_buss送至电压控制器，得到输出信号i_f；

步骤3）将来自电网调度的功率因数指令信号cos^-1PF分别送至电流控制器和混合调制发生器，该功率因数指令信号cos^-1PF即为电网电压与电流之间的相位差，同时将锁相环输出信号ωt、电压控制器输出信号i_f和电流信号i_grids送至电流控制器，电流控制器将各路信号运算处理后输出调制信号v_reg给混合调制发生器；

步骤4）混合调制发生器中，根据并网逆变器输出正功还是负功，确定相应的调制方式，并对数字信号处理器进行配置，输出脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路；

步骤5）脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路，驱动电路输出控制器信号v_dr1、v_dr2、v_dr3、v_dr4驱动全桥变换器的开关管。

在逆变器发正功区域采用单极性调制，在逆变器发负功区域采用双极性，如图3所示，该混合调制方法的具体实现步骤如下：

第一步）计算出在一个电网周期内功率因数指令信号cos^-1PF对应的开关动作点数n_PF；利用公式，其中n_T为一个电网周期对应的点数，一个开关周期记一次数；

第二步）判断逆变器输出正负功：根据过零检测电路判断电网电压是否过零，判断正负功区域；若电网电压过零，判定逆变器输出负功，将电网电压过零点标志位V_Zero_Flag置1，若电网电压不过零，则直接根据电网电压过零点标志位V_Zero_Flag是否为1来判定逆变器输出，是1则判定为负功，不是1则判定为正功；

第三步）在正功调制程序部分，选取单极性调制方法，直至电网电压再次过零；

第四步）在负功调制程序部分，选取双极性调制方法，并根据开关管的动作次数进行计数点n_s累计增加，直到n_s≥n_PF时，该阶段结束，并将电网电压过零标志位清零，其中n_s在每次电网电压过零后清零并重新开始计数，一个开关周期累加一次；

第五步）重复第二步至第四步。

如图2和图4所示，第三步发正功时的单极性调制方式如下：开关管Q₁和Q₃的驱动信号为互补的低频驱动信号，开关管Q₂和Q₄的驱动方式配置为互补的高频驱动信号。在电网电压为正时，配置开关管Q₁驱动信号为高电平，开关管Q₄为高频驱动信号，且开关管Q₂和Q₃关断；在电网电压为负时，配置开关管Q₃驱动信号为高电平，开关管Q₂为高频驱动信号，且开关管Q₁和Q₄关断。

第四步发负功时的双极性调制方式如下：在上述单极性调制的基础上，在负功区域，当并网电流为正时，给开关管Q₁和开关管Q₄送高频驱动信号且开关管Q₃和开关管Q₂关断；当并网电流为负时，给开关管Q₃和开关管Q₂送高频驱动信号，且开关管Q₁和开关管Q₄关断。

经实验验证，在单相全桥并网逆变器接受电网调度发无功时，在电网电压过零点处，并网电流无畸变。

从以上的描述可知，采用本发明所提出的并网逆变器发无功时的混合调制策略和实现方法，有如下特点：

1)电网电压过零时，可抑制并网电流的畸变，确保了网侧的电能质量；

2)提高逆变器的转换效率；

3)因全数字实现，故无额外的硬件成本；

4)可应用于新能源发电、电动汽车双向充电机、老化负载和能量回收装置中。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种并网逆变器混合调制方法，其所用的调制装置包括主电路和控制电路，所述主电路包括连接直流电源和电网的全桥逆变器，所述控制电路包括输入调理电路、输出调理电路、数字信号处理器以及开关管驱动电路，所述数字信号处理器内置有输入AD采样接口、输出AD采样接口、电压控制器、电流控制器、锁相环和混合调制发生器，所述输入调理电路的信号输出端经输入AD采样接口与电压控制器的信号输入端相连，电压控制器的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述输出调理电路的信号输出端分别与过零检测电路和输出AD采样接口相连，所述输出AD采样接口的信号输出端分别与锁相环、电流控制器相连，所述过零检测电路的信号输出端分别与锁相环、混合调制发生器相连，所述锁相环的信号输出端与电流控制器的信号输入端相连，所述电流控制器的信号输出端与混合调制发生器的信号输入端相连，混合调制发生器的信号输出端与开关管驱动电路相连，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）检测全桥逆变器输出端的电网电流信号i_grid和电网电压信号v_grid，将其送至输出调理电路处理后得到信号i_gridf、v_gridf，将一路v_gridf信号送至过零检测电路得到输出信号Zerocross，并将i_gridf信号和另一路v_gridf信号共同输送至数字信号处理器中的输出AD采样接口，得到i_grids、v_grids；同时检测全桥逆变器输入端的电压信号v_bus，将其送至输入调理电路处理后得到信号v_busf，再将该信号v_busf输送至数字信号处理器中输入AD采样接口，得到v_buss；

步骤2）过零检测电路的输出信号Zerocross分为两路输出，一路Zerocross和v_grids共同送至锁相环，得到输出信号ωt，另一路Zerocross送至混合调制发生器，同时将V_buss送至电压控制器，得到输出信号i_f；

步骤3）将来自电网调度的功率因数指令信号cos^-1PF分别送至电流控制器和混合调制发生器，同时将锁相环输出信号ωt、电压控制器输出信号i_f和电流信号i_grids送至电流控制器，电流控制器将各路信号运算处理后输出调制信号v_reg给混合调制发生器；

步骤4）混合调制发生器中，根据并网逆变器输出正功还是负功，确定相应的调制方式，并对数字信号处理器进行配置，输出脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路，步骤4）的具体方法为：第一步）计算出在一个电网周期内功率因数指令信号cos^-1PF对应的开关动作点数n_PF，利用公式，其中n_T为一个电网周期对应的点数，一个开关周期记一次数；第二步）判断逆变器输出正负功：根据过零检测电路判断电网电压是否过零，判断正负功区域；若电网电压过零，判定逆变器输出负功，将电网电压过零点标志位V_Zero_Flag置1，若电网电压不过零，则直接根据电网电压过零点标志位V_Zero_Flag是否为1来判定逆变器输出，是1则判定为负功，不是1则判定为正功；第三步）在正功调制程序部分，选取单极性调制方法，直至电网电压再次过零；第四步）在负功调制程序部分，选取双极性调制方法，并根据开关管的动作次数进行计数点n_s累计增加，直到n_s≥n_PF时，该阶段结束，并将电网电压过零标志位清零，其中n_s在每次电网电压过零后清零并重新开始计数，一个开关周期累加一次；第五步）重复第二步至第四步；

步骤5）脉冲控制信号v_g1、v_g2、v_g3、v_g4送至驱动电路，驱动电路输出控制器信号v_dr1、v_dr2、v_dr3、v_dr4驱动全桥变换器的开关管。