CN106787900B - 升压并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了升压并网逆变器及其控制方法，属逆变器及其控制方法。本发明的升压并网逆变器包括输入电源、第一滤波电感、第二滤波电感、第一开关管、第二开关管、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、滤波电路和电网；其控制方法是存在降压和升压两种工作模式，当输入电源大于电网电压的绝对值时，工作在降压模式；当输入电源不大于电网电压的绝对值时，工作在升压模式。本发明适用于宽输入电压的场合，没有传统桥式逆变器桥臂的功率管直通问题，大大提高了系统的可靠性；各开关管不需要设死区时间；可实现单级升降压变换，不需要传统降压型并网逆变器的两级变换；只需要3个隔离驱动电源；输入输出电流脉动小。

Description

升压并网逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器及其控制方法，尤其是一种升压并网逆变器及其控制方法。

背景技术

随着环境污染的日益加剧和化石能源的不断紧缺，燃料电池、风能和太阳能等可再生能源由于具有清洁安全、无污染、可再生等优点而越来越受到人们的关注。但太阳能电池和燃料电池等的输出为直流电，而电网电压为交流电，因此，并网逆变器成为分布式发电系统和微电网的重要组成部分。又由于太阳能电池和燃料电池等的输出电压范围宽，有时低于电网电压，有时高于电网电压，因此，采用传统的单级降压型逆变器无法实现，通常需要再加一个前级DC-DC变换器，从而提高了系统的复杂性，降低了可靠性，增加了系统的成本。

公开文献(CN 102005962 B)公开的升降压并网逆变器及其控制方法，实现了单级升降压变换的功能，具有高的可靠性；公开文献(CN 103219912 B)公开的一种适合宽输入电压升降压并网逆变器的控制方法，在公开文献(CN 102005962 B)主电路拓扑的基础上，提出了一种新的控制方法，可工作在升降压和降压两种模式。但上述公开文献存在如下问题：主电路需要4个隔离驱动电源，成本较高；当输入电压较低时，都工作在升降压模式，输入输出电流脉动大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中并网逆变器的缺点，提出一种驱动电源少、输入输出电流脉动小的升压并网逆变器及其控制方法。

本发明的升压并网逆变器，包括输入电源U_in、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一开关单元1、第二开关单元2、第三开关单元3、第四开关单元4、滤波电路5和电网u_g，其中第一开关单元1包括第三开关管S₃和第三二极管D₃，第二开关单元2包括第四开关管S₄和第四二极管D₄，第三开关单元3包括第五开关管S₅和第一二极管D₁，第四开关单元4包括第六开关管S₆和第二二极管D₂，滤波电路5包括滤波电感L_g、阻尼电阻R_d和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极连接第一开关管S₁的一端和第二开关管S₂的一端，输入电源U_in的负极分别连接第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三开关管S₃的一端和第四开关管S₄的一端，第一开关管S₁的另一端连接第五开关管S₅的一端和第一滤波电感L₁的一端，第一滤波电感L₁的另一端分别连接第三二极管D₃的阳极、滤波电感L_g的一端和阻尼电阻R_d的一端，第三二极管D₃的阴极连接第三开关管S₂的另一端，阻尼电阻R_d的另一端连接滤波电容C_f的一端，滤波电感L_g的另一端连接电网u_g的正极，电网u_g的负极分别连接滤波电容C_f的另一端、第二滤波电感L₂的一端和第四二极管D₄的阳极，第四二极管D₄的阴极连接第四开关管S₄的另一端，第二滤波电感L₂的另一端连接第二开关管S₂的另一端和第六开关管S₆的一端，第六开关管S₆的另一端连接第二二极管D₂的阴极。

第一开关管S₁和第五开关管S₅驱动信号共地，第二开关管S₂和第六开关管S₆驱动信号共地，第三开关管S₃和第四开关管S₄驱动信号共地。

第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。

本发明的升压并网逆变器的控制方法：存在降压和升压两种工作模式，当输入电源U_in大于电网u_g的绝对值时，工作在降压模式；当输入电源U_in不大于电网u_g的绝对值时，工作在升压模式。

在降压工作模式时，当电网u_g大于等于零时，第四开关管S₄常通，第二开关管S₂、第三开关管S₃和第六开关管S₆常断，第一开关管S₁和第五开关管S₅互补开通关断，通过调节第一开关管S₁的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相；当电网u_g小于零时，第三开关管S₃常通，第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅常断，第二开关管S₂和第六开关管S₆互补开通关断，通过调节第二开关管S₂的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相。

在升压工作模式时，第五开关管S₅和第六开关管S₆常断，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补开通关断，通过调节第三开关管S₃的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相；当电网u_g大于等于零时，第一开关管S₁常通，第二开关管S₂常断；当电网u_g小于零时，第二开关管S₂常通，第一开关管S₁常断。

本发明的升压并网逆变器及其控制方法适用于宽输入电压的场合，没有传统桥式逆变器桥臂的功率管直通问题，大大提高了系统的可靠性；各开关管不需要设死区时间；可实现单级升降压变换，不需要传统降压型并网逆变器的两级变换；只需要3个隔离驱动电源；输入输出电流脉动小。

附图说明

图1：本发明的升压并网逆变器的拓扑结构图。

图中的主要符号名称：U_in——电源电压，S₁～S₆——功率开关管，D₁～D₄——二极管，L₁，L₂——滤波电感，L_g——网侧滤波电感，C_f——滤波电容，R_d——阻尼电阻，u_g——电网电压，i_g——电网电流，i_L1，i_L2——电感L₁和L₂的电流。

具体实施方式

由图1可知，本申请的升压并网逆变器，包括输入电源U_in、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一开关单元1、第二开关单元2、第三开关单元3、第四开关单元4、滤波电路5和电网u_g，其中第一开关单元1包括第三开关管S₃和第三二极管D₃，第二开关单元2包括第四开关管S₄和第四二极管D₄，第三开关单元3包括第五开关管S₅和第一二极管D₁，第四开关单元4包括第六开关管S₆和第二二极管D₂，滤波电路5包括滤波电感L_g、阻尼电阻R_d和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极连接第一开关管S₁的一端和第二开关管S₂的一端，输入电源U_in的负极分别连接第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三开关管S₃的一端和第四开关管S₄的一端，第一开关管S₁的另一端连接第五开关管S₅的一端和第一滤波电感L₁的一端，第一滤波电感L₁的另一端分别连接第三二极管D₃的阳极、滤波电感L_g的一端和阻尼电阻R_d的一端，第三二极管D₃的阴极连接第三开关管S₂的另一端，阻尼电阻R_d的另一端连接滤波电容C_f的一端，滤波电感L_g的另一端连接电网u_g的正极，电网u_g的负极分别连接滤波电容C_f的另一端、第二滤波电感L₂的一端和第四二极管D₄的阳极，第四二极管D₄的阴极连接第四开关管S₄的另一端，第二滤波电感L₂的另一端连接第二开关管S₂的另一端和第六开关管S₆的一端，第六开关管S₆的另一端连接第二二极管D₂的阴极。

第一开关管S₁和第五开关管S₅驱动信号共地，第二开关管S₂和第六开关管S₆驱动信号共地，第三开关管S₃和第四开关管S₄驱动信号共地。

第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。

本申请的升压并网逆变器的控制方法：存在降压和升压两种工作模式，当输入电源U_in大于电网u_g的绝对值时，工作在降压模式；当输入电源U_in不大于电网u_g的绝对值时，工作在升压模式。

在降压工作模式时，当电网电压u_g大于等于零时，第四开关管S₄常通，第二开关管S₂、第三开关管S₃和第六开关管S₆常断，第一开关管S₁和第五开关管S₅互补开通关断，通过调节第一开关管S₁的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网电压u_g同频同相；当电网电压u_g小于零时，第三开关管S₃常通，第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅常断，第二开关管S₂和第六开关管S₆互补开通关断，通过调节第二开关管S₂的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网电压u_g同频同相。

在升压工作模式时，第五开关管S₅和第六开关管S₆常断，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补开通关断，通过调节第三开关管S₃的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网电压u_g同频同相；当电网电压u_g大于等于零时，第一开关管S₁常通，第二开关管S₂常断；当电网电压u_g小于零时，第二开关管S₂常通，第一开关管S₁常断。

在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件。

1、降压工作模式

电网电压u_g大于等于零时，存在2种工作模态，具体如下：

1)开关模态1

第四开关管S₄开通，第二开关管S₂、第三开关管S₃和第六开关管S₆关断，第一开关管S₁开通，第五开关管S₅关断，第一滤波电感电流i_L1上升。

2)开关模态2

第四开关管S₄开通，第二开关管S₂、第三开关管S₃和第六开关管S₆关断，第一开关管S₁关断，第五开关管S₅开通，第一滤波电感电流i_L1下降。

电网电压u_g小于零时，存在2种工作模态，具体如下：

1)开关模态1

第三开关管S₃开通，第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅关断，第二开关管S₂开通，第六开关管S₆关断，第二滤波电感电流i_L2负向增加。

2)开关模态2

第三开关管S₃开通，第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅关断，第二开关管S₂关断，第六开关管S₆开通，第二滤波电感电流i_L2负向减小。

2、升压工作模式

电网电压u_g大于等于零时，存在2种工作模态，具体如下：

1)开关模态1

第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断，第五开关管S₅和第六开关管S₆关断，第三开关管S₃开通，第四开关管S₄关断，第一滤波电感电流i_L1上升。

2)开关模态2

第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断，第五开关管S₅和第六开关管S₆关断，第三开关管S₃关断，第四开关管S₄开通，第一滤波电感电流i_L1下降。

电网电压u_g小于零时，存在2种工作模态，具体如下：

1)开关模态1

第一开关管S₁关断，第二开关管S₂开通，第五开关管S₅和第六开关管S₆关断，第三开关管S₃关断，第四开关管S₄开通，第二滤波电感电流i_L2负向增加。

2)开关模态2

第一开关管S₁关断，第二开关管S₂开通，第五开关管S₅和第六开关管S₆关断，第三开关管S₃开通，第四开关管S₄关断，第二滤波电感电流i_L2负向减小。

Claims (6)

1.升压并网逆变器，其特征在于包括输入电源U_in、第一滤波电感L₁、第二滤波电感L₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一开关单元（1）、第二开关单元（2）、第三开关单元（3）、第四开关单元（4）、滤波电路（5）和电网u_g，其中第一开关单元（1）包括第三开关管S₃和第三二极管D₃，第二开关单元（2）包括第四开关管S₄和第四二极管D₄，第三开关单元（3）包括第五开关管S₅和第一二极管D₁，第四开关单元（4）包括第六开关管S₆和第二二极管D₂，滤波电路（5）包括滤波电感L_g、阻尼电阻R_d和滤波电容C_f；具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极连接第一开关管S₁的一端和第二开关管S₂的一端，输入电源U_in的负极分别连接第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阳极、第三开关管S₃的一端和第四开关管S₄的一端，第一开关管S₁的另一端连接第五开关管S₅的一端和第一滤波电感L₁的一端，第五开关管S₅的另一端连接第一二极管D₁的阴极，第一滤波电感L₁的另一端分别连接第三二极管D₃的阳极、滤波电感L_g的一端和阻尼电阻R_d的一端，第三二极管D₃的阴极连接第三开关管S₂的另一端，阻尼电阻R_d的另一端连接滤波电容C_f的一端，滤波电感L_g的另一端连接电网u_g的正极，电网u_g的负极分别连接滤波电容C_f的另一端、第二滤波电感L₂的一端和第四二极管D₄的阳极，第四二极管D₄的阴极连接第四开关管S₄的另一端，第二滤波电感L₂的另一端连接第二开关管S₂的另一端和第六开关管S₆的一端，第六开关管S₆的另一端连接第二二极管D₂的阴极；第一开关管S₁和第五开关管S₅驱动信号共地，第二开关管S₂和第六开关管S₆驱动信号共地，第三开关管S₃和第四开关管S₄驱动信号共地。

2.根据权利要求1所述的升压并网逆变器，所述第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。

3.根据权利要求1所述的升压并网逆变器，所述第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。

4.一种如权利要求1所述的升压并网逆变器的控制方法，其特征在于存在降压和升压两种工作模式，当输入电源U_in大于电网u_g的绝对值时，工作在降压模式；当输入电源U_in不大于电网u_g的绝对值时，工作在升压模式。

5.根据权利要求4所述的升压并网逆变器的控制方法，其特征在于所述降压工作模式中，当电网u_g大于等于零时，第四开关管S₄常通，第二开关管S₂、第三开关管S₃和第六开关管S₆常断，第一开关管S₁和第五开关管S₅互补开通关断，通过调节第一开关管S₁的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相；当电网u_g小于零时，第三开关管S₃常通，第一开关管S₁、第四开关管S₄和第五开关管S₅常断，第二开关管S₂和第六开关管S₆互补开通关断，通过调节第二开关管S₂的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相。

6.根据权利要求4所述的升压并网逆变器的控制方法，其特征在于所述升压工作模式中，第五开关管S₅和第六开关管S₆常断，第三开关管S₃和第四开关管S₄互补开通关断，通过调节第三开关管S₃的占空比来调节电网电流i_g的大小，保证电网电流i_g与电网u_g同频同相；当电网u_g大于等于零时，第一开关管S₁常通，第二开关管S₂常断，当电网u_g小于零时，第二开关管S₂常通，第一开关管S₁常断。