CN114244171B - 一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法，并网逆变器拓扑为全桥结构，包括直流输入源U_dc、四个功率晶体管S1‑S4、逆变器侧电感L、滤波电容C_f、滤波电感L_f和电网电压u_g，其调制方法包括如下步骤；S1、在整个工频周期内划分调制区间；S2、重新计算断续双极性调制区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}；S3、在每个区间内分别进行调制。本发明解决正半工频周期和负半工频周期之间的平滑过渡问题，有效地抑制电网电压过零点附近的低频谐波和电流尖峰。

Description

一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其涉及一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法。

背景技术

中小功率逆变器作为组串式逆变器和微型逆变器中不可或缺的一部分，受到越来越多的关注和研究。如何提高能量转换效率和功率密度、延长寿命、降低成本成为中小功率逆变器的主要研究方向。其中，电感电流临界连续并网逆变器不需要额外的元器件(开关器件、谐振电感或电容)，采用滞环控制保证在每个开关周期内都存在反向电流，利用MOSFET的寄生电容和体二极管就能实现ZVS或者ZCS，大大地降低了开关损耗，提升了逆变器效率。另外，采用滞环控制还使得系统具备控制简单、响应速度快、电流控制精度高和鲁棒性好等优点。因此，电感电流临界连续逆变器具有较高的研究价值。

附图1为常用的单相全桥逆变器拓扑，不需要任何的辅助器件就能实现电感电流的临界连续控制。附图2为常用的临界连续的电感电流示意图，其中i_upper为电感电流上限，i_lower为电感电流下限，i_L为电感电流，i_L(avg)为电感电流的平均值，恒定复位电流限I_R为逆变器实现 ZVS开通提供了前提条件。i_upper和i_lower的具体表达式如下所示：

电感电流临界连续逆变器的调制策略包括单极性调制和双极性调制两种。但是，由于双极性调制的开关频率较高，导致关断损耗较大，因此普遍采用单极性调制。然而，采用单极性调制时，以正半工频周期为例，S₁在单个开关周期内的关断时间t_off如式(3)所示(L为逆变器侧电感的感值，u_g为电网电压大小)。

可见，当电网电压u_g为0时，t_off表现为无穷大。因此，采用单极性调制无法在电网电压过零点附近实现电流电感的平滑过渡。传统的处理方法是在电网电压过零点附近强制关闭所有的开关管，但是该处理会导致过零点附近的电感电流不受控，引起电感电流震荡，甚至产生电流尖峰，增大入网电流的低频谐波含量和THD大小。附图3为相应的电流仿真波形，可以发现，过零点附近的电感电流处于自由谐振的状态，THD值并不满足并网电流的相关技术标准。由此可见，优化电网电压过零点附近的控制方法，从而提高并网电流的质量是很有必要的。

发明内容

本发明提出的一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法，针对现有单极性调制下电感电流临界连续并网逆变器中过零点附近电流严重畸变的问题，抑制电网电压过零点附近的电流畸变，减小并网电流的THD大小。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法，并网逆变器拓扑为全桥结构，包括直流输入源U_dc、四个功率晶体管 S1-S4、逆变器侧电感L、滤波电容C_f、滤波电感L_f和电网电压u_g，其调制方法包括如下步骤；

S1、在整个工频周期内划分调制区间；

t0：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，即正半工频周期的起始时刻；

t1：t0时刻右侧α°(0<α<180)所对应的时间点；

t2：t0时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t3：正半工频周期向负半工频周期过渡的临界点，即负半工频周期的起始时刻；

t4：t3时刻右侧α°所对应的时间点；

t5：t3时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t6：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，稳态情况下， t6与t0重合；

S2、重新计算断续双极性调制区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}；

在断续双极性调制区域内，重新设定该区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}，确保单位开关周期内的电流平均值等于基准电流i_ref；

S3、在每个区间内分别进行调制；

3.1在正半周期的t0-t1和t2-t3区间内进行断续双极性调制；

3.2在正半周期的t1-t2区间进行单极性调制；

3.3在负半周期的t3-t4和t5-t6区间内进行断续双极性调制；

3.4在负半周期的t4-t5区间进行单极性调制。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在电网电压过零区域采用断续双极性调制策略，解决在单极性电流临界连续控制策略下电网电压过零失控问题，并且相比其他解决方案降低了开关损耗和电感电流的THD，在非过零区域采用单极性调制策略保证逆变器的高效运行。并且给出了相应调制区域划分以及其上下电流界值取值的理论分析。

本发明解决正半工频周期和负半工频周期之间的平滑过渡问题，有效地抑制电网电压过零点附近的低频谐波和电流尖峰。电感电流的 THD较小，并网电流质量较好。

附图说明

图1为单相全桥并网逆变器拓扑图。

图2为常用的临界连续的电感电流示意图。

图3为断续双极性调制下单个开关周期内的电流示意图。

图4为单极性、断续双极性混合调制策略的区间划分图。

图5为断续双极性调制时电感电流在单位周期内的简化图。

图6为重新设定后的电流包络线图。

图7为断续双极性调制在一个开关周期T0-T1内的模态图。

图8为断续双极性调制在一个开关周期T1-T2内的模态图。

图9为断续双极性调制在一个开关周期T2-T3内的模态图。

图10为断续双极性调制在一个开关周期T3-T4内的模态图。

图11为断续双极性调制在一个开关周期T4-T5内的模态图。

图12为断续双极性调制在一个开关周期T5-T6内的模态图。

图13为断续双极性调制在一个开关周期T6-T7内的模态图。

图14为断续双极性调制在一个开关周期T7-内的模态图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法，并网逆变器拓扑为全桥结构，包括直流输入源U_dc、四个功率晶体管 S1-S4、逆变器侧电感L、滤波电容C_f、滤波电感L_f和电网电压u_g，其调制方法包括如下步骤；

S1、在整个工频周期内划分调制区间；参照图4，

t0：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，即正半工频周期的起始时刻；

t1：t0时刻右侧α°(0<α<180)所对应的时间点；

t2：t0时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t3：正半工频周期向负半工频周期过渡的临界点，即负半工频周期的起始时刻；

t4：t3时刻右侧α°所对应的时间点；

t5：t3时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t6：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，稳态情况下， t6与t0重合；

本发明将整个工频周期划分成若干个调制区间，在电网电压过零点附近使用断续双极性调制，在其他区域使用单极性调制。如附图4 所示，在t₀～t₁、t₂～t₄和t₅～t₆区间内进行断续双极性调制，在t₁～t₂和t₄～t₅区间内进行单极性调制，即在一个工频周期内单极性调制和断续双极性调制循环交替工作。因此，正半工频周期和负半工频周期之间可以平滑过渡，电感电流可以得到较好的控制。

S2、重新计算断续双极性调制区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}；

附图5为断续双极性调制时电感电流在单位周期内的简化图形。根据附图5中的几何关系，确保单位开关周期内的电流平均值等于基准电流i_ref。另外，恒定复位电流I_R的大小不变，且预设开关频率f_s为恒定值，最终得到下列方程式。

整理得到正半工频周期的电流上限i_{upper_d}和t_dead为：

同理，负半工频周期的电流下限i_{lower_d}和t_dead为：

结合式(1)、(2)、(5)和(7)，可以得到重新设定后的电流包络线，如附图6所示。

S3、在每个区间内分别进行调制；

3.1在正半周期的t0-t1和t2-t3区间内进行断续双极性调制；

t₀～t₁和t₂～t₃区间位于正半工频周期。开关周期开始时，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，如附图7所示；当电流i_L到达电流上限i_{upper_d}后，S₁和S₄关断，此时S₂和S₃的等效输出电容放电，如附图8所示；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通，电流i_L线性下降，如附图9所示；当电流i_L下降到0时，D₂和D₃截止，全部开关管处于截止状态。电流i_L以微小的幅值自由振荡，其平均值约为0，如附图 10所示；S₂和S₃开通，电感电流i_L继续线性下降，S₂和S₃实现ZCS 开通，如附图11所示；当电流i_L到达电流下限i_{lower_d}后，S₂和S₃关断，S₁和S₄的等效输出电容放电，如附图12所示；直到放电完成， S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通，电流i_L线性上升，如附图13所示；死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L继续线性上升，S₁和S₄实现ZVS 开通，如附图14所示；之后，循环重复以上开关周期的开关时序。

3.2在正半周期的t1-t2区间进行单极性调制；

t₁～t₂区间位于正半工频周期。开关周期开始时，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升；当电流i_L到达电流上限i_upper后，S₁和S₄关断，此时 S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；当电流i_L到达电流下限i_lower后，S₂和S₃关断，S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通；死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，S₁和S₄实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序。

3.3在负半周期的t3-t4和t5-t6区间内进行断续双极性调制；

t₃～t₄和t₅～t₆区间位于负半工频周期，其开关时序与t₀～t₁和t₂～t₃区间的对称。开关周期开始时，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降；当电流i_L到达电流下限i_{lower_d}后，S₂和S₃关断，此时S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通，电流i_L线性上升；当电流i_L上升到0时，D₁和D₄截止，全部开关管处于截止状态。电流i_L以微小的幅值自由振荡，其平均值约为0；S₁和S₄开通，电感电流i_L继续线性上升，S₁和S₄实现ZCS开通；当电流i_L到达电流上限i_{upper_d}后，S₁和S₄关断，S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通，电流i_L线性下降；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L继续线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序。

3.4在负半周期的t4-t5区间进行单极性调制。

t₄～t₅区间位于负半工频周期，其开关时序与t₁～t₂区间的对称。开关周期开始时，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降；当电流i_L到达电流下限i_lower后，S₂和S₃关断，此时S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通；死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，S₁和S₄实现ZVS开通；当电流i_L到达电流上限i_upper后，S₁和S₄关断，S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并网逆变器的单极性、断续双极性混合系统的调制方法，其特征在于,并网逆变器拓扑为全桥结构，包括直流输入源U_dc、四个功率晶体管S1-S4、逆变器侧电感L、滤波电容C_f、滤波电感L_f和电网电压u_g，其调制方法包括如下步骤；

S1、在整个工频周期内划分调制区间；

t0：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，即正半工频周期的起始时刻；

t1：t0时刻右侧α°(0<α<180)所对应的时间点；

t2：t0时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t3：正半工频周期向负半工频周期过渡的临界点，即负半工频周期的起始时刻；

t4：t3时刻右侧α°所对应的时间点；

t5：t3时刻右侧(180-α)°所对应的时间点；

t6：负半工频周期向正半工频周期过渡的临界点，稳态情况下，t6与t0重合；

S2、重新计算断续双极性调制区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}；

在断续双极性调制区域内，重新设定该区域内的电流上限i_{upper_d}和电流下限i_{lower_d}，确保单位开关周期内的电流平均值等于基准电流i_ref；

S3、在每个区间内分别进行调制；

3.1在正半周期的t0-t1和t2-t3区间内进行断续双极性调制；

3.2在正半周期的t1-t2区间进行单极性调制；

3.3在负半周期的t3-t4和t5-t6区间内进行断续双极性调制；

3.4在负半周期的t4-t5区间进行单极性调制；

3.1步骤中进行断续双极性调制如下：

t₀～t₁和t₂～t₃区间位于正半工频周期；开关周期开始时，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，

当电流i_L到达电流上限i_{upper_d}后，S₁和S₄关断，此时S₂和S₃的等效输出电容放电，直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通，电流i_L线性下降，

当电流i_L下降到0时，D₂和D₃截止，全部开关管处于截止状态；电流i_L以微小的幅值自由振荡，其平均值约为0，S₂和S₃开通，电感电流i_L继续线性下降，S₂和S₃实现ZCS开通，

当电流i_L到达电流下限i_{lower_d}后，S₂和S₃关断，S₁和S₄的等效输出电容放电，直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通，电流i_L线性上升，死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L继续线性上升，S₁和S₄实现ZVS开通，之后，循环重复以上开关周期的开关时序；

3.2步骤中进行单极性调制如下：

t₁～t₂区间位于正半工频周期，开关周期开始时，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升；

当电流i_L到达电流上限i_upper后，S₁和S₄关断，此时S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；

当电流i_L到达电流下限i_lower后，S₂和S₃关断，S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通；死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，S₁和S₄实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序；

3.3步骤中进行断续双极性调制如下：

t₃～t₄和t₅～t₆区间位于负半工频周期，开关周期开始时，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降；

当电流i_L到达电流下限i_{lower_d}后，S₂和S₃关断，此时S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通，电流i_L线性上升；当电流i_L上升到0时，D₁和D₄截止，全部开关管处于截止状态；

电流i_L以微小的幅值自由振荡，其平均值约为0；S₁和S₄开通，电感电流i_L继续线性上升，S₁和S₄实现ZCS开通；

当电流i_L到达电流上限i_{upper_d}后，S₁和S₄关断，S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通，电流i_L线性下降；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L继续线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序；

3.4步骤中进行单极性调制如下：

t₄～t₅区间位于负半工频周期，开关周期开始时，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降；

当电流i_L到达电流下限i_lower后，S₂和S₃关断，此时S₁和S₄的等效输出电容放电；直到放电完成，S₁和S₄的体二极管D₁和D₄导通；

死区结束后，S₁和S₄开通，电流i_L线性上升，S₁和S₄实现ZVS开通；

当电流i_L到达电流上限i_upper后，S₁和S₄关断，S₂和S₃的等效输出电容放电；直到放电完成，S₂和S₃的体二极管D₂和D₃导通；死区结束后，S₂和S₃开通，电流i_L线性下降，S₂和S₃实现ZVS开通；之后，循环重复以上开关周期的开关时序。

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