CN106803684B - 宽输入并网逆变器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了宽输入并网逆变器的控制方法，属逆变器的控制方法。本发明的宽输入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；其控制方法是当输入电源大于电网电压绝对值的峰值时，只存在降压工作模式；当输入电源不大于电网电压绝对值的峰值时，存在降压和升压两种工作模式。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，可靠性高；各开关管不需要设死区时间，电网电流波形质量高；可实现单级升降压变换；输入输出电流脉动小；只需要3个隔离驱动电源；任何时刻只有1个开关管高频开关，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器的控制方法，尤其是一种宽输入并网逆变器的控制方法。
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 102005962B)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 103219912B)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 102005962B)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。此外，上述并网逆变器在任何半个工频周期都有3个开关管高频开关，开关损耗高，降低了效率。
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，提出一种效率高的宽输入并网逆变器的控制方法。
本发明的宽输入并网逆变器的控制方法，包括输入电源Uin、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ug，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Lg、阻尼电阻Rd和滤波电容Cf，具体拓扑结构为：输入电源Uin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Uin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S4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Lg的一端和阻尼电阻Rd的一端，第三二极管D3的阴极连接第三开关管S3的另一端，阻尼电阻Rd的另一端连接滤波电容Cf的一端，滤波电感Lg的另一端连接电网ug的正极，电网ug的负极分别连接滤波电容Cf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的阳极连接第四开关管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；
当输入电源Uin大于等于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器只存在降压工作模式，当输入电源Uin小于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器存在降压和升压两种工作模式；当输入电源Uin不大于电网ug的绝对值时，工作在升压工作模式，当输入电源Uin大于电网ug的绝对值时，工作在降压工作模式。
降压工作模式为：第五开关管S5和第六开关管S6常通，当电网ug大于等于零时，第四开关管S4常通，第二开关管S2和第三开关管S3常断，通过调节第一开关管S1的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第三开关管S3常通，第一开关管S1和第四开关管S4常断，通过调节第二开关管S2的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相。
升压工作模式为：当电网ug大于等于零时，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5常通，第二开关管S2和第六开关管S6常断，通过调节第三开关管S3的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6常通，第一开关管S1和第五开关管S5常断，通过调节第四开关管S4的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相。
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。
输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池等新型储能电源中的一种。
本发明的宽输入并网逆变器的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；任何时刻只有1个开关管高频开关，降低了开关损耗，提高了效率。
附图说明
图1：本发明的宽输入电压并网逆变器的拓扑结构图。
图中的主要符号名称：Uin——电源电压，S1～S6——功率开关管，D1～D4——二极管，L1，L2——滤波电感，Lg——网侧滤波电感，Cf——滤波电容，Rd——阻尼电阻，ug——电网电压，ig——电网电流，iL1，iL2——电感L1和L2的电流。
具体实施方式
由图1可知，本申请的宽输入并网逆变器的控制方法，包括输入电源Uin、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ug，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Lg、阻尼电阻Rd和滤波电容Cf，具体拓扑结构为：输入电源Uin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Uin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S4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Lg的一端和阻尼电阻Rd的一端，第三二极管D3的阴极连接第三开关管S3的另一端，阻尼电阻Rd的另一端连接滤波电容Cf的一端，滤波电感Lg的另一端连接电网ug的正极，电网ug的负极分别连接滤波电容Cf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的阳极连接第四开关管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；
当输入电源Uin大于等于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器只存在降压工作模式，当输入电源Uin小于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器存在降压和升压两种工作模式；当输入电源Uin不大于电网ug的绝对值时，工作在升压工作模式，当输入电源Uin大于电网ug的绝对值时，工作在降压工作模式。
降压工作模式为：第五开关管S5和第六开关管S6常通，当电网ug大于等于零时，第四开关管S4常通，第二开关管S2和第三开关管S3常断，通过调节第一开关管S1的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第三开关管S3常通，第一开关管S1和第四开关管S4常断，通过调节第二开关管S2的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相。
升压工作模式为：当电网ug大于等于零时，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5常通，第二开关管S2和第六开关管S6常断，通过调节第三开关管S3的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6常通，第一开关管S1和第五开关管S5常断，通过调节第四开关管S4的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相。
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。
电网电流ig采用正弦脉冲宽度调制控制或者滞环电流控制。
输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池等新型储能电源中的一种。
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
电网参考电流为K1Irefpsin(ωt)，其中，Irefp为电网参考电流峰值，ω为电网角频率，t为时间，K1为电网电流反馈系数。
电网电压ug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、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第二开关管S2和第三开关管S3关断，第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1上升。
2)开关模态2
第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3关断，第一开关管S1和第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1下降。
电网电压ug小于零时，存在2种工作模态，具体如下：
1)开关模态1
第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1和第四开关管S4关断，第一开关管S1承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向增加。
2)开关模态2
第三开关管S3、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第二开关管S2和第四开关管S4关断，第一开关管S1和第二开关管S2承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向减小。
2、升压工作模式
电网参考电流为其中，Po为输出功率，Uin为输入电源电压，ω为电网角频率，t为时间，K1为电网电流反馈系数。
电网电压ug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、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5开通，第二开关管S2和第六开关管S6关断，第二开关管S2承受的电压为Uin+ug，第六开关管S6承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1上升。
2)开关模态2
第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5开通，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6关断，第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第六开关管S6承受的电压为0，第一滤波电感电流iL1下降。
电网电压ug小于零时，存在2种工作模态，具体如下：
1)开关模态1
第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第六开关管S6开通，第一开关管S1和第五开关管S5关断，第一开关管S1承受的电压为Uin-ug，第五开关管S5承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向增加。
2)开关模态2
第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5关断，第一开关管S1承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第五开关管S5承受的电压为0，第二滤波电感电流iL2负向减小。
Claims (5)
1.宽输入并网逆变器的控制方法，包括输入电源Uin、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ug，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Lg、阻尼电阻Rd和滤波电容Cf，具体拓扑结构为：输入电源Uin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Uin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Lg的一端和阻尼电阻Rd的一端，第三二极管D3的阴极连接第三开关管S3的另一端，阻尼电阻Rd的另一端连接滤波电容Cf的一端，滤波电感Lg的另一端连接电网ug的正极，电网ug的负极分别连接滤波电容Cf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的阳极连接第四开关管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；
其特征在于，当输入电源Uin大于等于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器只存在降压工作模式，当输入电源Uin小于电网ug绝对值的最大值时，该并网逆变器存在降压和升压两种工作模式；当输入电源Uin不大于电网ug的绝对值时，工作在升压工作模式，当输入电源Uin大于电网ug的绝对值时，工作在降压工作模式；
所述降压工作模式为：第五开关管S5和第六开关管S6常通，当电网ug大于等于零时，第四开关管S4常通，第二开关管S2和第三开关管S3常断，通过调节第一开关管S1的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第三开关管S3常通，第一开关管S1和第四开关管S4常断，通过调节第二开关管S2的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；
所述升压工作模式为：当电网ug大于等于零时，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5常通，第二开关管S2和第六开关管S6常断，通过调节第三开关管S3的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；当电网ug小于零时，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6常通，第一开关管S1和第五开关管S5常断，通过调节第四开关管S4的占空比来调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig与电网ug同频同相；
①降压工作模式
电网参考电流为K1Irefpsin(ωt)，其中，Irefp为电网参考电流峰值，ω为电网角频率，t为时间，K1为电网电流反馈系数；
电网电压ug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、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第二开关管S2和第三开关管S3关断，第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1上升；
2)开关模态2
第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3关断，第一开关管S1和第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1下降；
电网电压ug小于零时，存在2种工作模态，具体如下：
1)开关模态1
第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1和第四开关管S4关断，第一开关管S1承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向增加；
2)开关模态2
第三开关管S3、第五开关管S5和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第二开关管S2和第四开关管S4关断，第一开关管S1和第二开关管S2承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向减小；
②升压工作模式
电网参考电流为其中，Po为输出功率，Uin为输入电源电压，ω为电网角频率，t为时间，K1为电网电流反馈系数；
电网电压ug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、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5开通，第二开关管S2和第六开关管S6关断，第二开关管S2承受的电压为Uin+ug，第六开关管S6承受的电压为ug，第一滤波电感电流iL1上升；
2)开关模态2
第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5开通，第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6关断，第二开关管S2承受的电压为Uin，第三开关管S3承受的电压为ug，第六开关管S6承受的电压为0，第一滤波电感电流iL1下降；
电网电压ug小于零时，存在2种工作模态，具体如下：
1)开关模态1
第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第六开关管S6开通，第一开关管S1和第五开关管S5关断，第一开关管S1承受的电压为Uin-ug，第五开关管S5承受的电压为-ug，第二滤波电感电流iL2负向增加；
2)开关模态2
第二开关管S2、第三开关管S3和第六开关管S6开通，第一开关管S1、第四开关管S4和第五开关管S5关断，第一开关管S1承受的电压为Uin，第四开关管S4承受的电压为-ug，第五开关管S5承受的电压为0，第二滤波电感电流iL2负向减小。
2.根据权利要求1所述的宽输入并网逆变器的控制方法，所述第一开关管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。
3.根据权利要求1所述的宽输入并网逆变器的控制方法，所述第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。
4.根据权利要求1所述的宽输入并网逆变器的控制方法，所述第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。
5.根据权利要求1所述的宽输入并网逆变器的控制方法，所述输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。
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