CN108768192A - 一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构与调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构与调制方法。拓扑结构主要包括逆变器、电流传感器、电压传感器、低通滤波器和数字信号处理器。调制方法为：1)搭建新型单相电流源型逆变器拓扑结构。2)在每个载波周期内，对电感L_dc的电流进行实时采样，将采样值i_dc和指令值进行比较。3)确定每个开关管信号的驱动逻辑。4)对指令值进行优化，从而保证电感L_dc的实时电流采样值i_dc最优，即对电感L_dc的实时电流采样值i_dc进行优化控制。本发明在不增加开关次数与开关损耗的前提下，实现了直流侧电感电流的优化控制。

Description

一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构与调制方法

技术领域

本发明涉及光伏系统领域，具体是一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构与调制方法。

背景技术

电流源型逆变器与电压源型逆变器相比，具有输出电压波形质量高，无需加入死区，输入电流脉动小等优势，对于光伏电池逆变并网系统等单极升压场合，电流源型逆变器更为适用。然而电流源型逆变器也存在一些缺陷限制其推广与应用，比如直流侧的电压源与串联的大电感被视为恒流源对待，然而在调制过程中，逆变器的工作模式会引起直流侧电感电流变化，无法维持其稳态运行，甚至持续增加以至损坏功率器件。

因此，需要在不影响交流侧电流正常输出的前提下实现对直流侧电感电流的控制，现有技术在直流电压源与电感之间增加一级变换装置，但会增加损耗，降低电流源型逆变器的工作效率。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构，主要包括逆变器、电流传感器、电压传感器、低通滤波器和数字信号处理器。

所述逆变器电路结构如下所示：

记直流可调电源U_dc的正极所在一端为A端，负极所在一端为B端。

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₁的阳极。二极管VD₁的阴极串联开关管S₁的集电极。开关管S₁的基极悬空。开关管S₁的发射极串联开关管S₂的集电极。开关管S₂的基极悬空。开关管S₂的发射极串联二极管VD₂的阳极。二极管VD₂的阴极串联B端。

开关管S₁的发射极依次串联电容C和开关管S₄的集电极。开关管S₄的基极悬空。开关管S₄的发射极串联二极管VD₄的阳极。二极管VD₄的阴极串联B端。

开关管S₁的发射极依次串联负载R和开关管S₄的集电极。

A端串联开关管S₅的发射极。开关管S₅的基极悬空。开关管S₅的集电极串联二极管VD₅的阴极。二极管VD₅的阳极串联二极管VD₁的阳极。

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₃的阳极。二极管VD₃的阴极串联开关管S₃的集电极。开关管S₃的基极悬空。开关管S₃的发射极串联开关管S₄的集电极。

所述电流传感器测量逆变器中电感L_dc的实时电流采样值i_dc。

所述电压传感器测量逆变器输出电压u₀。

所述低通滤波器对实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行滤波，并将滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀传递给所述数字信号处理器。

所述数字信号处理器对所述滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行模数转换和处理，从而产生开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5，并将开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5传递给逆变器，从而控制逆变器中开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断。

进一步，新型单相电流源型逆变器拓扑结构还包括示波器。

所述示波器接收滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀，并显示输出电压u₀和实时电流i_dc的波形。

根据开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断情况，新型单相电流源型逆变器拓扑结构分为四个工作模式，分别是充磁模式、馈能模式I、馈能模式II和续流模式。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于充磁模式时，开关管S₁导通，开关管S₂导通，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式I时，开关管S₁导通，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄导通，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式II时，开关管S₁关断，开关管S₂导通，开关管S₃导通，开关管S₄关断，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于续流模式时，开关管S₁关断，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅导通。

一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构的调制方法，主要包括以下步骤：

1)搭建新型单相电流源型逆变器拓扑结构。其中，开关管S₅导通时，记为续流模式。确定电感L_dc的指令值

2)在每个载波周期内，利用电流传感器对电感L_dc的电流进行实时采样，并记为采样值i_dc。将采样值i_dc和指令值进行比较，根据比较结果确定当期开关周期是否采用续流模式代替给L_dc充电的充磁模式。

3)确定每个开关管信号的驱动逻辑：

式中，p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5分别为开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的开关信号。p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5的取值均为0、1。当开关信号为0时，开关管关断。当开关信号为1时，开关管导通。

p₁为调制信号和载波信号的比较逻辑，当调制信号大于载波信号时，p₁＝1；当调制信号小于载波信号时，p₁＝0。

p₂为逆变器输出电流的极性是否为正，当输出电流正向流入负载时，p₂＝1；当输出电流反向流入负载时，p₂＝0。

p₃为采样值i_dc和指令值的大小关系，当时，p₃＝1；当时，p₃＝0。

4)对指令值进行优化，从而保证电感L_dc的实时电流采样值i_dc最优，即对电感L_dc的实时电流采样值i_dc进行优化控制。最优指令值如下所示：

式中，u_dc为直流可调电源U_dc的电压。ω为基波角频率。c表示滤波电容大小。r表示负载大小。U_o为输出电压幅值。

本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明的改进调制策略均可以通过软件实现，无需增加额外的逻辑转换电路，降低了成本。同时在不增加开关次数与开关损耗的前提下，实现了直流侧电感电流的优化控制。

附图说明

图1为不同开关模式选取方法示意图；

图2为开关管驱动信号产生逻辑图；

图3为新型单相电流源型逆变器拓扑结构图；

图4为直流侧电感电流与输出电压的动态波形图；

图5为逆变器电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图5，一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构，主要包括逆变器、电流传感器、电压传感器、低通滤波器和数字信号处理器。

所述逆变器电路结构如下所示：

记直流可调电源U_dc的正极所在一端为A端，负极所在一端为B端。

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₁的阳极。二极管VD₁的阴极串联开关管S₁的集电极。开关管S₁的基极悬空。开关管S₁的发射极串联开关管S₂的集电极。开关管S₂的基极悬空。开关管S₂的发射极串联二极管VD₂的阳极。二极管VD₂的阴极串联B端。

开关管S₁的发射极依次串联电容C和开关管S₄的集电极。开关管S₄的基极悬空。开关管S₄的发射极串联二极管VD₄的阳极。二极管VD₄的阴极串联B端。

开关管S₁的发射极依次串联负载R和开关管S₄的集电极。

A端串联开关管S₅的发射极。开关管S₅的基极悬空。开关管S₅的集电极串联二极管VD₅的阴极。二极管VD₅的阳极串联二极管VD₁的阳极。

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₃的阳极。二极管VD₃的阴极串联开关管S₃的集电极。开关管S₃的基极悬空。开关管S₃的发射极串联开关管S₄的集电极。

所述电流传感器测量逆变器中电感L_dc的实时电流采样值i_dc。

所述电压传感器测量逆变器输出电压u₀。

所述低通滤波器对实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行滤波，并将滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀传递给所述数字信号处理器。

所述数字信号处理器对所述滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行模数转换和处理，将转换后的12位数字量换算成电流值，从而产生开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5，并将开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5传递给逆变器，从而控制逆变器中开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断。

数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。

进一步，新型单相电流源型逆变器拓扑结构还包括示波器。

所述示波器接收滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀，并显示输出电压u₀和实时电流i_dc的波形。

根据开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断情况，新型单相电流源型逆变器拓扑结构分为四个工作模式，分别是充磁模式、馈能模式I、馈能模式II和续流模式，如表1所示。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于充磁模式时，开关管S₁导通，开关管S₂导通，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式I时，开关管S₁导通，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄导通，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式II时，开关管S₁关断，开关管S₂导通，开关管S₃导通，开关管S₄关断，开关管S₅关断。

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于续流模式时，开关管S₁关断，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅导通。

表1四种开关模式下开关管通断情况

开关模式	S1	S2	S3	S4	S5
						充磁模式	导通	导通	关断	关断	关断
馈能模式I	导通	关断	关断	导通	关断
						馈能模式II	关断	导通	导通	关断	关断
续流模式	关断	关断	关断	关断	导通

实施例2：

一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构的调制方法，主要包括以下步骤：

1)搭建新型单相电流源型逆变器拓扑结构。其中，开关管S₅导通时，记为续流模式。确定电感L_dc的指令值

2)在每个载波周期内，利用电流传感器对电感L_dc的电流进行实时采样，并记为采样值i_dc。将采样值i_dc和指令值进行比较，根据比较结果确定当期开关周期是否采用续流模式代替给L_dc充电的充磁模式。载波选用三角载波，基波选用正弦信号，幅值与频率根据具体情况设定。

3)确定每个开关管信号的驱动逻辑：

式中，p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5分别为开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的开关信号。p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5的取值均为0、1。当开关信号为0时，对应的开关管关断。当开关信号为1时，对应的开关管导通。例如，当p_s1为0时，开关管S₁关断。当p_s1为1时，开关管S₁导通。

p₁为调制信号和载波信号的比较逻辑，当调制信号大于载波信号时，p₁＝1；当调制信号小于载波信号时，p₁＝0。

p₂为逆变器输出电流的极性是否为正，当输出电流正向流入负载时，p₂＝1；当输出电流反向流入负载时，p₂＝0。

p₃为采样值i_dc和指令值的大小关系，当时，p₃＝1；当时，p₃＝0。

4)对指令值进行优化，从而保证电感L_dc的实时电流采样值i_dc最优，即对电感L_dc的实时电流采样值i_dc进行优化控制。最优指令值如下所示：

式中，u_dc为直流可调电源U_dc的电压。ω为基波角频率。c表示滤波电容大小。r表示负载大小。U_o为输出电压幅值。

5)根据公式2，设定输出电压幅值为20V，计算得到此时直流侧电感电流的理论最优给定值为4.21A，由于实验中存在一定损耗与管压降，因此需要留有一定的裕量，在DSC中给定为4.5A，实验结果参见附图4，此时i_dc维持在4.5A到5A范围内，输出电压幅值为20.02V，谐波畸变率1.04％。

6)在步骤5所述工况稳定运行的情况下，改变输出电压幅值为15V，同时调整i_dc＝2.7A，实验结果参见附图4，直流侧电感电流与输出电压均能够立即跟随给定，此时i_dc维持在2.7A到3.1A范围内，输出电压幅值为15.01V，谐波畸变率为0.99％。

本发明公开一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构及其调制方法是正确可行的，能够实现对直流侧电感电流的优化控制，同时有效提高输出电压的波形质量。

Claims (4)

1.一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构，其特征在于：主要包括逆变器、电流传感器、电压传感器和低通滤波器和数字信号处理器。

所述逆变器电路结构如下所示：

记直流可调电源U_dc的正极所在一端为A端，负极所在一端为B端；

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₁的阳极；二极管VD₁的阴极串联开关管S₁的集电极；开关管S₁的基极悬空；开关管S₁的发射极串联开关管S₂的集电极；开关管S₂的基极悬空；开关管S₂的发射极串联二极管VD₂的阳极；二极管VD₂的阴极串联B端；

开关管S₁的发射极依次串联电容C和开关管S₄的集电极；开关管S₄的基极悬空；开关管S₄的发射极串联二极管VD₄的阳极；二极管VD₄的阴极串联B端；

开关管S₁的发射极依次串联负载R和开关管S₄的集电极；

A端串联开关管S₅的发射极；开关管S₅的基极悬空；开关管S₅的集电极串联二极管VD₅的阴极；二极管VD₅的阳极串联二极管VD₁的阳极；

A端依次串联电感L_dc和二极管VD₃的阳极；二极管VD₃的阴极串联开关管S₃的集电极；开关管S₃的基极悬空；开关管S₃的发射极串联开关管S₄的集电极；

所述电流传感器测量逆变器中电感L_dc的实时电流采样值i_dc；

所述电压传感器测量逆变器输出电压u₀；

所述低通滤波器对实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行滤波，并将滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀传递给所述数字信号处理器；

所述数字信号处理器对所述滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀进行模数转换和处理，从而产生开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5，并将开关管驱动信号p_s1、开关管驱动信号p_s2、开关管驱动信号p_s3、开关管驱动信号p_s4和开关管驱动信号p_s5传递给逆变器，从而控制逆变器中开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断。

2.一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构，其特征在于：还包括示波器；

所述示波器接收滤波后的实时电流采样值i_dc和输出电压u₀，并显示输出电压u₀和实时电流i_dc的波形。

3.一种新型单相电流源型逆变器拓扑结构，其特征在于：根据开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的通断情况，新型单相电流源型逆变器拓扑结构分为四个工作模式，分别是充磁模式、馈能模式I、馈能模式II和续流模式；

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于充磁模式时，开关管S₁导通，开关管S₂导通，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅关断；

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式I时，开关管S₁导通，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄导通，开关管S₅关断；

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于馈能模式II时，开关管S₁关断，开关管S₂导通，开关管S₃导通，开关管S₄关断，开关管S₅关断；

当新型单相电流源型逆变器拓扑结构处于续流模式时，开关管S₁关断，开关管S₂关断，开关管S₃关断，开关管S₄关断，开关管S₅导通。

4.一种权利要求1至3所述新型单相电流源型逆变器拓扑结构的调制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)搭建新型单相电流源型逆变器拓扑结构；其中，开关管S₅导通时，记为续流模式；确定电感L_dc的指令值

2)在每个载波周期内，利用电流传感器对电感L_dc的电流进行实时采样，并记为采样值i_dc；将采样值i_dc和指令值进行比较，根据比较结果确定当期开关周期是否采用续流模式代替给L_dc充电的充磁模式；

3)确定每个开关管信号的驱动逻辑：

式中，p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5分别为开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄和开关管S₅的开关信号；p_s1、p_s2、p_s3、p_s4和p_s5的取值均为0、1；当开关信号为0时，开关管关断；当开关信号为1时，开关管导通；

p₁为调制信号和载波信号的比较逻辑，当调制信号大于载波信号时，p₁＝1；当调制信号小于载波信号时，p₁＝0；

p₂为逆变器输出电流的极性是否为正，当输出电流正向流入负载时，p₂＝1；当输出电流反向流入负载时，p₂＝0；

p₃为采样值i_dc和指令值的大小关系，当时，p₃＝1；当时，p₃＝0；

4)对指令值进行优化，从而保证电感L_dc的实时电流采样值i_dc最优，即对电感L_dc的实时电流采样值i_dc进行优化控制；最优指令值如下所示：

式中，u_dc为直流可调电源U_dc的电压；ω为基波角频率；c表示滤波电容大小；r表示负载大小；U_o为输出电压幅值。