CN115864795B

CN115864795B - 一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质

Info

Publication number: CN115864795B
Application number: CN202310175946.0A
Authority: CN
Inventors: 杨永春; 祁飚杰; 罗宇浩
Original assignee: Yuneng Technology Co ltd
Current assignee: Yuneng Technology Co ltd
Priority date: 2023-02-28
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2023-05-05
Anticipated expiration: 2043-02-28
Also published as: CN115864795A

Abstract

本申请公开了一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质，涉及电力电子领域，该方法包括：在每个控制周期内，获取交流电网的实际交流电压和直流电压源的实际直流电压，进行最大功率点跟踪计算得到最大功率点系数，将实际交流电压的相位角对应的正弦函数值与最大功率点系数相乘，得到当前有效工作时间，进一步确定当前半波周期时长，得到移相时长；根据当前有效工作时间、当前半波周期时长和移相时长，控制一级逆变电路，以使一级逆变电路将实际直流电压转换为实际交流电压。本申请通过变流闭环控制达到电流滞后电压的移相效果，进而实现安全控制，由于本申请不存在中间整流阶段，避免了整流器件成本和整流损耗，转换效率明显提升。

Description

一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质。

背景技术

当前，在将直流电压源的能量转换为常规的交流电网用电时，通常以逆变-升压-整流-逆变的形式进行，对应的能量转换装置如图1所示，先利用开关管Q1-Q4将直流电压转换为非直流电压，然后通过变压器T1进行升压，再通过二极管D5-D6和直流母线电容Cdc_link整流得到直流电压，最后通过开关管Q5-Q8对直流母线电容上Cdc_link的直流电压进行整流得到常规的交流电后输入到交流电网。

这种转换方式下，整流电路产生了较大功耗，同时还要求整流电路中的直流母线电容具有高压和大容量电容的特性，导致转换装置的体积和成本大幅增加。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成本更低的一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质。其具体方案如下：

一种一级逆变电路的控制方法，应用于包括变压器的一级逆变电路，所述一级逆变电路连接于直流电压源和交流电网之间，所述控制方法包括：

在每个控制周期内，获取所述交流电网的实际交流电压和所述直流电压源的实际直流电压；

根据所述实际交流电压和所述实际直流电压进行最大功率点跟踪计算得到最大功率点系数，将所述实际交流电压的相位角对应的正弦函数值与所述最大功率点系数相乘，得到当前有效工作时间；

以所述一级逆变电路的续流电流为零为条件，根据所述一级逆变电路的电路参数、所述当前有效工作时间和所述实际直流电压，确定当前半波周期时长；

将所述当前半波周期时长减去所述当前有效工作时间，得到移相时长；

根据所述当前有效工作时间、所述当前半波周期时长和所述移相时长，控制所述一级逆变电路，以使所述一级逆变电路将所述实际直流电压转换为所述实际交流电压。

优选的，所述一级逆变电路包括变压器、第一开关管单元、第二开关管单元、第一谐振电感、第二谐振电感，其中：

所述第一开关管单元的输入侧连接所述直流电压源，输出侧通过所述第一谐振电感连接所述变压器的原边绕组；

所述第二开关管单元的输入侧通过所述第二谐振电感连接所述变压器的副边绕组，输出侧连接所述交流电网；

所述一级逆变电路的电路参数包括：

所述变压器的变压器匝数比、所述第一谐振电感的第一电感值、所述第二谐振电感的第二电感值、第一开关管单元和第二开关管单元的开关管死区时间。

优选的，所述根据所述当前有效工作时间、所述当前半波周期时长和所述移相时长，控制所述一级逆变电路，以使所述一级逆变电路将所述实际直流电压转换为所述实际交流电压的过程，包括：

根据所述当前有效工作时间、所述当前半波周期时长和所述移相时长，控制所述第一开关管单元进行变流，并控制所述第二开关管单元进行整流和换向，以使所述一级逆变电路将所述实际直流电压转换为所述实际交流电压。

优选的，所述第二开关管单元包括并联的第一串联电路和第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路的两个并联连接点作为所述第二开关管单元的输出侧的两个输出端；

所述第一串联电路包括依次串联的第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，其中所述第五开关管的体二极管和所述第六开关管的体二极管方向相反，所述第七开关管的体二极管和所述第八开关管的体二极管方向相反，所述第六开关管和所述第七开关管的公共连接点作为所述第二开关管单元的输入侧的一个输入端；

所述第二串联电路包括串联的第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容的公共连接点作为所述第二开关管单元的输入侧的另一个输入端。

优选的，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极连接，所述第七开关管的源极与所述第八开关管的源极连接。

优选的，所述控制所述第二开关管单元进行整流和换向的过程，包括：

获取所述变压器的副边绕组的实时电流；

根据所述实时电流和所述第一开关管单元的驱动信号，控制所述第二开关管单元进行同步整流和换向。

根据所述第一开关管单元的驱动信号，控制所述第二开关管进行整流和换向。

优选的，所述第一开关管单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：

所述第一开关管的漏极与所述第三开关管的漏极连接后作为所述第一开关管单元的输入侧的一个输入端；

所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接后作为所述第一开关管单元的输出侧的一个输出端；

所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极连接后作为所述第一开关管单元的输出侧的另一个输出端；

所述第二开关管的源极与所述第四开关管的源极连接后作为所述第一开关管单元的输入侧的另一个输入端。

相应的，本申请还公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述一级逆变电路的控制方法的步骤。

相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述一级逆变电路的控制方法的步骤。

本申请通过一级逆变电路进行变流，通过最大功率点系数与实际交流电压的相位角确定当前有效工作时间，进一步得到当前半波周期时长和移相时长，以此进行变流闭环控制，达到电流滞后电压的移相效果，进而实现变压器原边零电压软开关和变压器副边零电流软开关的安全控制，由于本申请使用一级逆变电路，不存在中间整流阶段，避免了整流器件成本和整流损耗，降低了运行成本，转换效率得到明显提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为一种传统的能量转换装置的结构分布图；

图2为本发明实施例中一种一级逆变电路的控制方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例中一种一级逆变电路的结构分布图；

图4为本发明实施例中一种一级逆变电路的信号波形图；

图5a-图5d为本发明实施例中一级逆变电路在不同驱动情况下的电流流向示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统的转换方式下，整流电路产生了较大功耗，同时还要求整流电路中的直流母线电容具有高压和大容量电容的特性，导致转换装置的体积和成本大幅增加。

本申请通过一级逆变电路的变流闭环控制，达到电流滞后电压的移相效果，进而实现变压器原边零电压软开关和变压器副边零电流软开关的安全控制，由于本申请使用一级逆变电路，不存在中间整流阶段，避免了整流器件成本和整流损耗，降低了运行成本，转换效率得到明显提升。

本发明实施例公开了一种一级逆变电路的控制方法，应用于包括变压器的一级逆变电路，一级逆变电路连接于直流电压源和交流电网之间，参见图2所示，控制方法包括：

S1：在每个控制周期内，获取交流电网的实际交流电压和直流电压源的实际直流电压；

S2：根据实际交流电压和实际直流电压进行最大功率点跟踪计算得到最大功率点系数，将实际交流电压的相位角对应的正弦函数值与最大功率点系数相乘，得到当前有效工作时间；

S3：以一级逆变电路的续流电流为零为条件，根据一级逆变电路的电路参数、当前有效工作时间和实际直流电压，确定当前半波周期时长；

S4：将当前半波周期时长减去当前有效工作时间，得到移相时长；

S5：根据当前有效工作时间、当前半波周期时长和移相时长，控制一级逆变电路，以使一级逆变电路将实际直流电压转换为实际交流电压。

可以理解的是，实际交流电压和实际直流电压均通过高速高精度的采样得到，为后续控制计算提供数据支持。

其中，步骤S2中通过最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking， MPPT）计算得到对应实际交流电压和实际直流电压的最大功率点系数MPPT_K，再确定实际交流电压的相位角θ₀对应的正弦函数值f(sinθ₀)，然后得到当前有效工作时间Eff_ton=MPPT_K×f(sinθ₀)，当前有效工作时间是在当前控制周期内同时符合MPPT和正弦包络需求的时间设置。

可以理解的是，将最大功率点系数与正弦函数值相乘的目的，是为了使控制电流的包络线为正弦半波。此处正弦函数f(sinθ)为以正弦函数sinθ为自变量的函数，步骤S2中令θ=θ₀，即可得到对应的正弦函数值f(sinθ₀)。具体的，正弦函数f(sinθ)的函数形式在本实施例中不作限制，可选择最简单的一次函数，例如f(sinθ)= sinθ。

可以理解的是，在步骤S3中，考虑对一级逆变电路进行更为安全的软开关，以续流电流为零作为条件进行计算，计算依据包括当前有效工作时间、一级逆变电路的电路参数、实际电流，可得到对应的当前控制周期对应的当前半波周期时长。

进一步的，在步骤S4中，已知当前有效工作时间和当前半波周期时长，由当前半波周期时长减去当前有效工作时间即可得到移相时长，作为移相控制的移相角。

可以理解的是，步骤S5利用移相时长、当前有效工作时间、当前半波周期时长对一级逆变电路进行控制时，移相角的存在使得电流滞后电压，进而自然实现了一级逆变电路输出侧的零电流开关ZCS。同时，当一级逆变电路中的元件形成LC谐振，即可实现一级逆变电路输入侧的零电压软开关ZVS。

可以理解的是，S1-S5完成了对一级逆变电路的变流闭环控制。该控制方法在每个控制周期内执行一次，达到了变频控制的控制效果。

进一步的，参见图3所示，一级逆变电路包括变压器T、第一开关管单元、第二开关管单元、第一谐振电感Lrp、第二谐振电感Lrs，其中：

第一开关管单元的输入侧连接直流电压源E，输出侧通过第一谐振电感Lrp连接变压器T的原边绕组；

第二开关管单元的输入侧通过第二谐振电感Lrs连接变压器T的副边绕组，输出侧连接交流电网。

进一步的，本实施例中一级逆变电路还可包括：

与直流电压源E并联的输入电容Cin，用于消除实际直流电压Vin的高频纹波；

和/或，连接于第一开关管单元的输出侧和变压器的原边绕组之间的谐振电感Cr，用于与第一谐振电感Lrp共同完成变压器的原边侧的LC谐振。

可以理解的是，一级逆变电路中的第一谐振电感Lrp和第二谐振电感Lrs，可以通过独立设置于变压器T的电感元件实现，也可以将变压器T的集成漏感等效得到的谐振电感作为第一谐振电感Lrp和/或第二谐振电感Lrs。

进一步的，基于图3的一级逆变电路的拓扑结构，步骤S3中涉及半波周期时长的电路参数包括：

变压器T的变压器匝数比、第一谐振电感Lrp的第一电感值、第二谐振电感Lrs的第二电感值、第一开关管单元和第二开关管单元的开关管死区时间。其中，第一开关管第一的开关管死区时间和第二开关管单元的开关管死区时间通常相同，以同一个数值参与确定过程即可。

可以理解的是，步骤S5根据当前有效工作时间、当前半波周期时长和移相时长，控制一级逆变电路，以使一级逆变电路将实际直流电压转换为实际交流电压的过程，包括：

根据当前有效工作时间、当前半波周期时长和移相时长，控制第一开关管单元进行变流，并控制第二开关管单元进行整流和换向，以使一级逆变电路将实际直流电压转换为实际交流电压。

可以理解的是，第一开关管单元用于根据当前有效工作时间、当前半波周期时长和移相时长进行变流，因此第一开关管单元应为具有逆变能力的包括多个可控开关管的拓扑结构，其中一种第一开关管单元的拓扑结构可如图3所示，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，其中：

第一开关管Q1的漏极与第三开关管Q3的漏极连接后作为第一开关管单元的输入侧的一个输入端；

第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的漏极连接后作为第一开关管单元的输出侧的一个输出端；

第三开关管Q3的源极与第四开关管Q4的漏极连接后作为第一开关管单元的输出侧的另一个输出端；

第二开关管Q2的源极与第四开关管Q4的源极连接后作为第一开关管单元的输入侧的另一个输入端。

除了图3所示的拓扑结构外，第一开关管单元也可选择其他可实现移相逆变的拓扑结构，此处不作限制。

进一步的，在第一开关管单元的四个开关管Q1-Q4中，每个开关管均包括体二极管和体电容，第一开关管单元中的体电容可与第一谐振电感Lrp和/或谐振电感Cr共同实现谐振，进而达到第一开关管单元零电压软开关的效果。其中谐振电感Cr可取消。

进一步的，第二开关管单元用于配合第一开关管单元、对第一开关管单元的输出进行再次整流和换向，最终输出与实际交流电压一致的电压。具体的，第二开关管单元可参考图3所示的拓扑结构，包括并联的第一串联电路和第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路的两个并联连接点作为第二开关管单元的输出侧的两个输出端；

第一串联电路包括依次串联的第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8，其中第五开关管Q5的体二极管和第六开关管Q6的体二极管方向相反，第七开关管Q7的体二极管和第八开关管Q8的体二极管方向相反，第六开关管Q6和第七开关管Q7的公共连接点作为第二开关管单元的输入侧的一个输入端；

第二串联电路包括串联的第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2的公共连接点作为第二开关管单元的输入侧的另一个输入端。

进一步的，对于第五开关管Q5的体二极管和第六开关管Q6的体二极管方向相反，第七开关管Q7的体二极管和第八开关管Q8的体二极管方向相反，存在两种连接方案，第一种是第五开关管Q5的源极与第六开关管Q6的源极连接，第七开关管Q7的源极与第八开关管Q8的源极连接；第二种是第五开关管Q5的漏极与第六开关管Q6的漏极连接，第七开关管Q7的漏极与第八开关管Q8的漏极连接。考虑到开关管各端与接地端的电流关系，优选第一种连接方案。

可以理解的是，除了图3所示的这种拓扑结构外，第二开关管单元还可以选择其他可实现整流和换向的连接结构，此处不作限制。

可以理解的是，本实施例中第一开关管单元和第二开关管单元中的开关管Q1-Q8可选择MOS管，也可选择其他电力电子领域的全控开关器件，此处不作限制。

进一步的，控制第二开关管单元进行整流和换向的过程，有两种可选的控制方案，一种是直接按照第一开关管单元的各驱动信号控制第二开关管单元中的开关管，另一种是获取副边绕组的实时电流，并根据实时电流和第一开关管单元的驱动信号控制第二开关管单元中的开关管。

由此，控制第二开关管单元进行整流和换向的过程，包括：

获取变压器T的副边绕组的实时电流；

根据实时电流和第一开关管单元的驱动信号，控制第二开关管单元进行同步整流和换向。

或者，控制第二开关管单元进行整流和换向的过程，包括：

根据第一开关管单元的驱动信号，控制第二开关管进行整流和换向。

具体的，以图3中一级逆变电路的拓扑结构为例，时间轴上各信号的波形图可如图4所示，其中ZERO为交流电网L-N的实际交流电压Vgrid的过零点信号，Eff_ton为当前有效工作时间在时间轴上的波形，剩余驱动信号波形对应第一开关管Q1到第八开关管Q8的驱动信号，其中开关管Q1-Q4完成变频和移相的变流，开关管Q5-Q8完成同步整流和换向，以根据第一开关管单元的驱动信号，控制第二开关管进行整流和换向的过程包括：

实际交流电压Vgrid处于正半周时，第六开关管Q6和第八开关管Q8的驱动信号为低频控制的高电平，用于换向，第五开关管Q5的驱动信号与第三开关管Q3的驱动信号一致，第七开关管Q7的驱动信号与第一开关管Q1的驱动信号一致，第五开关管Q5和第七开关管Q7交替高频控制，实现同步整流；

实际交流电压Vgrid处于负半周时，第五开关管Q5和第七开关管Q7的驱动信号为低频控制的高电平，用于换向，第六开关管Q6的驱动信号与第三开关管Q3的驱动信号一致，第八开关管Q8的驱动信号与第一开关管Q1的驱动信号一致，第六开关管Q6和第八开关管Q8交替高频控制，实现同步整流。

进一步的，在开关管Q5-Q8进行整流和换向的过程中，第一电容C1和第二电容C2配合进行能量释放或储能。如图5a-图5d所示，其中，图5a和图5b为实际交流电压Vgrid处于正半周时一级逆变电路中各元件的电流流向，图5c和图5d为实际交流电压Vgrid处于负半周时一级逆变电路中各元件的电流流向。其中，Vgrid的方向规定为从L线流向N线，即由Vgrid_L到Vgrid_N；MCU作为控制芯片，用于根据检测到的副边绕组的实时电流生成对应各开关管的驱动信号以进行电流控制，还用于进行过流保护。可以理解的是，为了明确重点，图5a-图5d省略了变压器T原边的各电容，仅保留与控制信号、电流流向相关的电路结构。

相应的，本申请实施例还公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

相应的，本申请实施例还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述一级逆变电路的控制方法的步骤。

其中，具体有关一级逆变电路的控制方法的细节内容可以参照上文实施例中的细节描述，此处不再赘述。

其中，本实施例中电子设备和可读存储介质具有与上文实施例中一种一级逆变电路的控制方法相同的技术效果，此处不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种一级逆变电路的控制方法，其特征在于，应用于包括变压器的一级逆变电路，所述一级逆变电路连接于直流电压源和交流电网之间，所述控制方法包括：

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于，所述一级逆变电路包括变压器、第一开关管单元、第二开关管单元、第一谐振电感、第二谐振电感，其中：

所述一级逆变电路的电路参数包括：

3.根据权利要求2所述控制方法，其特征在于，所述根据所述当前有效工作时间、所述当前半波周期时长和所述移相时长，控制所述一级逆变电路，以使所述一级逆变电路将所述实际直流电压转换为所述实际交流电压的过程，包括：

4.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述第二开关管单元包括并联的第一串联电路和第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路的两个并联连接点作为所述第二开关管单元的输出侧的两个输出端；

5.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，所述第五开关管的源极与所述第六开关管的源极连接，所述第七开关管的源极与所述第八开关管的源极连接。

6.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述控制所述第二开关管单元进行整流和换向的过程，包括：

获取所述变压器的副边绕组的实时电流；

7.根据权利要求3所述控制方法，其特征在于，所述控制所述第二开关管单元进行整流和换向的过程，包括：

8.根据权利要求2至7任一项所述控制方法，其特征在于，所述第一开关管单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述一级逆变电路的控制方法的步骤。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述一级逆变电路的控制方法的步骤。