CN114513125A - 单相逆变器及其控制方法、控制系统 - Google Patents

单相逆变器及其控制方法、控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相逆变器及其控制方法、控制系统，单相逆变器，包括Semi‑Z源逆变器；输入源，与所述Semi‑Z源逆变器输入侧连接；升压模块，与所述Semi‑Z源逆变器输出侧连接；滤波模块，与所述升压模块连接。本发明针对Semi‑Z源逆变器拓扑提出了一种改进型拓扑和控制，新型的双端共地单相逆变器是一种与Semi‑Z源逆变器的结合，从而打破了增益为1的局限性，实现了高增益，也就是正向增益为无穷大，负向增益也为无穷大。

Description

单相逆变器及其控制方法、控制系统
技术领域
本发明涉及对非隔离型逆变系统，特别是一种单相逆变器及其控制方法、控制系统。
背景技术
在光伏并网系统中，光伏逆变器在电能变换过程中承担着重要角色。作为光伏电池和电网的重要接口，根据逆变系统中是否含有隔离变压器，光伏并网逆变器可以分为隔离型逆变器和非隔离性逆变器。在隔离型逆变器系统中，通常在直流侧装有高频变压器或在低频侧装有低频变压器。变压器不仅对光伏电池直流电压进行升压，也隔离了直流侧和交流侧，使两者之间不存在直流回路。但是，变压器的存在使得整个系统损耗增加，效率大大降低，并且变压器体积比较大，成本比较高。非隔离型逆变器则克服了隔离型逆变系统的缺点，然而由于缺少电气隔离，非隔离系统出现了可靠性、漏电流等诸多新问题。
逆变器分为电压源逆变器与电流源逆变器，而传统的电压源逆变器大多数是降压电路，也就是输出交流电压要低于输入直流电压。所以，目前很多应用是在逆变电路前加一级升压电路(如Boost电路)，那这样逆变器就成为了两级结构，会增加体积以及降低系统稳定性，因此研究单级高增益的逆变器是至关重要的，因此有学者提出了Z源逆变器，它是由两个电感和两个电容构成的阻抗网络，能够实现升压的功能，因此得到了广泛研究。
现有技术主要有两种思路解决非隔离型逆变系统出现的漏电流问题，一种思路是通过拓扑和调制，国内外学者提出了许多改进的拓扑结构，主要可以分为单电感结构和对称电感结构，其中对称电感结构又可以分为直流侧旁路和交流侧旁路两种结构，较为典型的结构有H5、H6、改进型H6、混合H6和HERIC等拓扑结构。虽然这些改进型拓扑和控制在一定程度上减小了漏电流，但是也只能是抑制，不能从根源解决漏电流问题。另外一种思路是运用输入输出共地的拓扑结构，漏电流的产生是因为光伏阵列与大地之间存在寄生电容，同时由于没有变压器的隔离作用，就会有电流经过寄生电容在电路中形成回路，从而产生漏电流，如果构造输入输出共地的拓扑，就能够将寄生电容旁路掉，从而从根源上解决漏电流问题。
文献D.Cao,S.Jiang,X.Yu and F.Z.Peng,"Low-Cost Semi-Z-source Inverterfor Single-Phase Photovoltaic Systems,"in IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.26,no.12,pp.3514-3523,Dec.2011在Z源逆变器的基础上推导出了两种逆变电路，一种命名为Semi-Z源逆变器，如图1所示，另一种命名为Semi-quasi-Z源逆变器，如图3所示，与传统的Z源逆变器相比，只用到了两个开关管，同时，保留了Z源的阻抗网络，但是没有利用Z源的直通状态。更多的是，实现了输入与输出的共地，彻底地解决了漏电流问题。Semi-Z源逆变器拓扑和Semi-quasi-Z源逆变器拓扑虽然只用两个开关管就实现了逆变，同时实现了双端共地。但是，该电路存在了很大的缺点，那就是提出的两个拓扑的正向增益最大只能达到1，而负向增益可以达到无穷大，所以该逆变器最大只能做到1倍增益。
发明专利CN112019076B中针对Semi-Z源逆变器进行了优化处理，在Semi-Z源逆变器的基础上构造了Boost电路，拓宽原有的Semi-Z源逆变器的增益范围，实现高增益输出。该专利所提出的拓扑虽然改进了原有逆变器的增益，但是引入了过多的开关器件，显然提升了成本，不利于工业低成本的应用。此外，其控制较为复杂，需要判断电压进行控制的切换，不利于系统的稳定性。此外，其升压部分波形通过boost电路拟合而成，输出波形没有电感滤波，波形质量相对较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种单相逆变器及其控制方法、控制系统，在无需引入过多的开关器件的前提下，打破增益为1的局限性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种单相逆变器，包括双电感boost变换器；所述双电感boost变换器包括两个并联的支路，第一支路为Semi-Z源逆变器，第二支路包括第一开关管；所述两个支路的输入端均与输入源连接，两个支路的输出端与升压模块连接；所述升压模块与滤波模块连接。
本发明使用结构简单的Semi-Z源逆变器与双电感boost变换器进行了结合，使得所产生的高增益逆变器有着简单的拓扑结构，仅含三个开关管就能实现高增益逆变，大大降低了成本。此外，所产生的高增益逆变器拓扑包含了Semi-Z源逆变器的优点，其输入侧负端与输出侧负端是直接连接的，因此可以旁路寄生电容，能够解决漏电流问题。进一步地，产生的高增益逆变器拓扑拥有双电感boost变换器的双电感的特性，由于输入输出侧双电感的存在，从而能够保证输入电流和输出电流连续，并且使得输出滤波效果好，波形质量高。
所述Semi-Z源逆变器包括第二开关管和第三开关管；所述第三开关管正极依次通过第一电感、第一电容接所述输入源正极；所述第一电感、第一电容的连接点与第二开关管正极连接；所述第二开关管负极接第二电容、第二电感的连接点；所述第二电容负极接所述第三开关管正极，第二电感正极接所述输入源正极。该结构优势在于结构简单，仅两个开关管就可以实现逆变，且控制比较简单。此外，输入负端与输出负端直接相连，可以旁路寄生电容，能够解决漏电流问题。此外，由于只有三个开关管，其工作就是结合Semi-Z的工作状态和双电感boost的工作状态，它们配合工作提高增益，所以该拓扑的控制方法也很简单，易于实现。
所述升压模块包括第三电容和与所述第三电容串联的第三电感；所述第一开关管负极接所述第三电容与所述第三电感的连接中点；所述第三开关管负极接所述第三电容的正极。该结构输入输出侧各含一个电感，从而能够使得输入电流和输出电流都连续，具有较好的滤波效果。此外，该结构的控制也很简单，只需要固定占空比的PWM波就可以实现升压。
所述滤波模块包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电容与所述升压模块并联；所述滤波电感接入所述升压模块正端与所述滤波电容正极之间。该结构优势在于利于双电感boost电路中的输出侧电感作为滤波电感，利用了现有结构，降低了滤波器成本。
该单相逆变器增益G的计算公式为：
Figure BDA0003515287020000031
其中，ω为输出正弦波的角频率，t为单相逆变器工作时间，
Figure BDA0003515287020000032
k为最大增益系数；
Figure BDA0003515287020000033
A为单相逆变器输出峰值电压与输入峰值电压的比值；Vin为输入源电压值；Vo为单相逆变器所接负载电压值。根据上述表达式，可以看出单相高增益逆变器的增益表达式较为简单，只需要根据想要的增益就可以计算出调制波的表达式，增益表达式就是简单的正弦函数和一元一次函数，只需要代入变量就可以很容易求解，也很容易在控制系统里实现。
本发明还提供了一种单相逆变器的控制方法，该方法包括：
比较第一占空比信号D1与载波信号(载波为锯齿波，比如计数一次需要时间为a，设定的载波周期为Ts，那么计数Ts/a次就可以得到一个上升沿波形，在时间为Ts时，直接输出置0，这样就可以得到锯齿波信号)，产生第一驱动信号，驱动第一开关管；
比较正弦调制波(利用含多个数值的正弦表，通过定时器模块后，每个周期产生一个有一定占空比的PWM波，输出经滤波就可以得到正弦调制波)与载波信号，产生第二驱动信号，驱动所述Semi-Z源逆变器的第二开关管和第三开关管；
其中，
Figure BDA0003515287020000041
k为最大增益系数。
通过上述控制表达式可以看出，其表达式简单，其中k值可以自行定义，k值越大代表D1的占空比越大，所实现的增益也就越大，需要根据实现需求来制定。其次，若需要改拓扑实现的增益A，比如输入100V，输出要得到200V的交流电，令A＝2并代入表达式，就可以求解调制波表达式。因此本发明实现方法很简单，便于设定。同时，表达式的形式简单，没有复杂的表达式，计算简单，容易在控制中实现，提高了控制系统的稳定性，使得控制系统的快速响应能力得到了提升。
本发明所述单相逆变器包括三种工作模式：
工作模式1，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管关断；
工作模式2，第一开关管和第二开关管导通，第三开关管关断；
工作模式3，第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断；
其中，工作模式1的作用时间为Ts(1-D1)；工作模式2的作用时间为Ts(D1+D2-1)；工作模式3的作用时间为Ts(1-D1)；Ts为一个周期的工作时间；
Figure BDA0003515287020000042
ω为输出正弦波的角频率，A为单相逆变器输出峰值电压与输入峰值电压的比值。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种所述单相逆变器的控制系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于实现本发明控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明针对Semi-Z源逆变器拓扑提出了一种改进型拓扑和控制，新型的双端共地单相逆变器是一种与Semi-Z源逆变器的结合，从而打破了增益为1的局限性，实现了高增益，也就是正向增益为无穷大，负向增益也为无穷大；
2、本发明的逆变器具有双端共地的特点，能够旁路寄生电容，从根本上解决漏电流问题。此外，逆变器的输入和输出侧存在电感，从而输入和输出电流均是连续的；
3、开关器件少，成本低；
4、控制简单，易于实现。
附图说明
图1为Semi-Z源逆变器原理图；
图2为双电感boost变换器电路原理图；
图3为Semi-quasi-Z源逆变器原理图；
图4为本发明实施例1原理图；
图5为本发明实施例1在工作模式1下的原理图；
图6为本发明实施例1在工作模式2下的原理图；
图7为本发明实施例1在工作模式3下的原理图；
图8为本发明实施例1驱动时序图；
图9为本发明实施例2控制方法原理图。
具体实施方式
本发明实施例1提出的基于Semi-Z源逆变器的新型高增益双端共地单相逆变器的拓扑结构如图4所示。由输入源Vin、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电容C1、电容C2、电容Co、开关管S1、开关管S2和开关管S3等组成。其中，电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、开关管S2和开关管S3构成Semi-Z源逆变器。在逆变部分，由Semi-Z源逆变器可知，开关管S2和开关管S3不能同时导通，同样，对于升压电路，开关管S1与开关管S2和开关管S3的串联支路不能同时导通。所以每次只能有两个开关管导通，因此，所提出的高增益双端共地逆变器共有三种工作模式。
工作模式1：如图5所示。此时，开关管S1和开关管S3导通，开关管S2关断。根据电感电流方向不变的原理，其回路如图5所示。为了简化计算，假设C1＝C2＝C，L1＝L2＝L。由基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003515287020000051
工作模式2：如图5所示，此时，开关管S1和开关管S2导通，开关管S3关断。根据电感电流方向不变的原理，其回路如图6所示。由基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003515287020000061
工作模式3：如图7所示，此时，开关管S2和开关管S3导通，开关管S1关断。根据电感电流方向不变的原理，其回路如图7所示。由基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003515287020000062
本发明提出的基于Semi-Z源逆变器的新型高增益双端共地单相逆变器的驱动时序如图8所示。其中开关管S1的驱动为PWM，导通时间为固定时间，其作用是用来升压。开关管S2和开关管S3的占空比是随正弦变化的，其作用是产生正弦输出。Ts(1-D1)为工作模式1的作用时间，此时开关管S1和开关管S3导通，开关管S2关断。Ts(D1+D2-1)为工作模式2的作用时间，此时开关管S1和开关管S2导通，开关管S3关断。Ts(1-D1)为工作模式3的作用时间，此时开关管S2和开关管S3导通，开关管S1关断。其中Ts为一个周期的工作时间。
根据三个状态的表达式，对电感由伏秒平衡原理可得到下列表达式：
Figure BDA0003515287020000063
由上述表达式可以得到当前提出的逆变器增益为：
Figure BDA0003515287020000064
其中A为逆变器输出峰值电压与输入峰值电压的比值。
在这里，定义D1的表达式为：
Figure BDA0003515287020000065
其中k为最大增益系数，其值是由所提出的逆变器中的直流升压部分所决定的。
则可以得到D2的表达式为：
Figure BDA0003515287020000071
开关管S3的驱动可以由开关管S1的开关管S2驱动经过异或门得到。
本发明实施例2的控制方法的具体实现过程如图9所示。开关管S1的驱动信号由D1的表达式与载波信号比较产生，其作用用来实现升压。开关管S2和开关管S3的驱动信号由正弦调制波(利用含多个数值的正弦表，通过定时器模块后，每个周期产生一个有一定占空比的PWM波，输出经滤波就可以得到正弦调制波)与载波信号比较产生，用来实现逆变。通过三个驱动信号的配合从而同时实现高增益和逆变。
工作模态1：此时开关管S1和S3导通，开关管S2关断。电感L1和电感L2放电，电容C1和电容C2充电，电感L3和电感L4充电。
工作模态2：此时开关管S1和S2导通，开关管S3关断。电容C1和电容C2放电给电感L2和电感L1。电感L3和电感L4与工作模态1的状态一致。
工作模态3：此时开关管S2和S3导通，开关管S1关断。电感L1和电感L2继续保持工作模态2的状态。电感L3和电感L4开始放电。
经过上述三种工作模态，从而在电路中无源器件上形成高增益正弦波形输出给负载。

Claims (8)

1.一种单相逆变器，其特征在于，包括双电感boost变换器；所述双电感boost变换器包括两个并联的支路，第一支路为Semi-Z源逆变器，第二支路包括第一开关管；所述两个支路的输入端均与输入源连接，两个支路的输出端与升压模块连接；所述升压模块与滤波模块连接。
2.根据权利要求1所述的单相逆变器，其特征在于，所述Semi-Z源逆变器包括第二开关管和第三开关管；所述第三开关管正极依次通过第一电感、第一电容接所述输入源正极；所述第一电感、第一电容的连接点与第二开关管正极连接；所述第二开关管负极接第二电容、第二电感的连接点；所述第二电容负极接所述第三开关管正极，第二电感正极接所述输入源正极。
3.根据权利要求2所述的单相逆变器，其特征在于，所述升压模块包括第三电容和与所述第三电容串联的第三电感；所述第一开关管负极接所述第三电容与所述第三电感的连接中点；所述第三开关管负极接所述第三电容的正极。
4.根据权利要求1～3之一所述的单相逆变器，其特征在于，所述滤波模块包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电容与所述升压模块并联；所述滤波电感接入所述升压模块正端与所述滤波电容正极之间。
5.根据权利要求1～3之一所述的单相逆变器，其特征在于，该单相逆变器增益G的计算公式为：
Figure FDA0003515287010000011
其中，ω为输出正弦波的角频率，
Figure FDA0003515287010000012
k为最大增益系数；
Figure FDA0003515287010000013
A为单相逆变器输出峰值电压与输入峰值电压的比值；Vin为输入源电压值；Vo为单相逆变器所接负载电压值。
6.一种权利要求1～5之一所述单相逆变器的控制方法，其特征在于，该方法包括：
比较第一占空比信号D1与载波信号，产生第一驱动信号，驱动第一开关管；比较正弦调制波与载波信号，产生第二驱动信号，驱动所述Semi-Z源逆变器的第二开关管和第三开关管；
其中，
Figure FDA0003515287010000021
k为最大增益系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单相逆变器包括三种工作模式：
工作模式1，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管关断；
工作模式2，第一开关管和第二开关管导通，第三开关管关断；
工作模式3，第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断；
其中，工作模式1的作用时间为Ts(1-D1)；工作模式2的作用时间为Ts(D1+D2-1)；工作模式3的作用时间为Ts(1-D1)；Ts为一个周期的工作时间；
Figure FDA0003515287010000022
ω为输出正弦波的角频率，A为单相逆变器输出峰值电压与输入峰值电压的比值。
8.一种权利要求1～5之一所述单相逆变器的控制系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于实现权利要求6或7所述方法的步骤。
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CN115242093A (zh) * 2022-09-21 2022-10-25 香港中文大学（深圳） 一种高增益的开关直流升压电路
CN115296539A (zh) * 2022-09-26 2022-11-04 香港中文大学（深圳） 一种高电压转换比的升压变换器及其控制系统

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