二極管輔助升降壓逆變器最大升壓和最小開關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法
【專利說明】二極管輔助升降壓逆變器最大升壓和最小開關(guān)頻率脈寬調(diào) 制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源光伏、燃料電池等分布式發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及升降壓逆變器高 增益、高效電能變換的控制方法，尤其是一類二極管輔助升降壓逆變器最大升壓和最小開 關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 新能源發(fā)電中，光伏、燃料電池等具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，它們明顯的特點(diǎn)是 直流電源供電電壓低，電壓寬范圍變化，跌落明顯。因此，必須采用電力電子變流器調(diào)節(jié)電 壓幅值和頻率以獲取相對(duì)較高的電網(wǎng)或用電設(shè)備所需交流電。傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器輸 出交流電壓峰值小于輸入直流電源電壓的一半，因此，只能實(shí)現(xiàn)降壓DC-AC功率變換。當(dāng)采 用正弦脈寬調(diào)制（SPWM)加入三次諧波注入或空間矢量調(diào)制（SVM)提高電壓傳輸比時(shí)，獲得 的最大交流相電壓約為〇. 57倍直流電源電壓。相比于傳統(tǒng)的火力、水利發(fā)電系統(tǒng)，新能源 發(fā)電系統(tǒng)整體運(yùn)行和維護(hù)成本較高，上述電源特性對(duì)電力電子變流器提出了更為迫切嚴(yán)格 的要求：寬范圍升降壓調(diào)節(jié)能力、低成本、高增益、高效率等。因此，高效率、高增益的DC-AC 逆變器拓?fù)浼捌淇刂品椒ǔ蔀閲?guó)內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
[0003] 二極管輔助升降壓逆變器（如圖1所示）在直流電源和逆變橋之間引入基于二極 管電容網(wǎng)絡(luò)的高增益直流變換電路，利用二極管的單向?qū)щ娦郧擅畹貙?shí)現(xiàn)了直流側(cè)兩個(gè)電 容(^和(： 2的并聯(lián)充電和串聯(lián)放電，從而獲得相對(duì)較高的交流輸出電壓。與傳統(tǒng)兩級(jí)升降壓 逆變器和Z源逆變器相比，其更適合于光伏、燃料電池等供電的寬輸入電源系統(tǒng)中高增益 DC-AC電壓調(diào)節(jié)。
[0004] 二極管輔助升降壓逆變器中升壓電路和逆變橋之間需要協(xié)調(diào)控制。由于這一特 殊性，現(xiàn)有文獻(xiàn)[1] "F.Gao,P.C.Loh，R.TeodorescuandF.Blaabjerg"Diode-assisted buck-boostvoltage-sourceinverters'，，IEEETrans.PowerElectron. ,vol. 24,no. 9 ，pp. 2057-2064 2009. "在提出該類電路拓?fù)涞耐瑫r(shí)給出了一種典型脈寬調(diào)制策略。典 型脈寬調(diào)制策略存在直流電壓利用率低的缺點(diǎn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)[2] "Y.Zhang，J.J.Liu，and C.Y.Zhang,"Improvedpulse-widthmodulationstrategiesfordiode-assisted buck-boostvoltagesourceinverter'，，IEEETrans.PowerElectron. ,vol. 28,no. 8, pp. 3675 - 3688,Aug. 2013. "提出了改進(jìn)脈寬調(diào)制策略，提高了直流電壓利用率，同時(shí)減小 了開關(guān)器件電壓應(yīng)力。為進(jìn)一步提高電壓利用率和電能轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提出了一種新穎 的脈寬調(diào)制方法，通過調(diào)節(jié)升壓占空比使一個(gè)開關(guān)周期Tsft逆變橋直流側(cè)電壓為三相交 流輸出線電壓的瞬時(shí)最大值，從而可以將逆變橋中電力半導(dǎo)體器件的等效開關(guān)頻率減小為 l/3fs(fs= 1/TS)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種理論上獲得最大升壓比和 最小開關(guān)頻率的脈寬調(diào)制策略及其設(shè)計(jì)方法。新的調(diào)制方法通過調(diào)節(jié)升壓電路中S的占空 比控制逆變橋直流側(cè)電壓的平均值為變流器三相輸出相電壓的包絡(luò)線，即線電壓的瞬時(shí)最 大值。一個(gè)開關(guān)周期Tsft，逆變橋中兩個(gè)橋臂的電力半導(dǎo)體器件開關(guān)狀態(tài)固定不動(dòng)作，另 一橋臂的電力半導(dǎo)體器件采用脈寬調(diào)制方式（PWM)控制。因此，可以將逆變橋中電力半導(dǎo) 體器件的等效開關(guān)頻率減小為l/3fs(fs= 1/TS)，有助于降低電力半導(dǎo)體器件成本和提高 變流器的電能轉(zhuǎn)換效率。此外，本發(fā)明提出的脈寬調(diào)制方法，逆變器直流側(cè)電感電流和電 容電壓包含六倍基波頻率的低頻紋波。為克服低頻紋波的不利影響，其同樣更適合應(yīng)用于 400-800HZ中頻交流電源系統(tǒng)，如機(jī)載和船舶電源系統(tǒng)。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種二極管輔助升降壓逆變器最大升壓控制和最小開關(guān)頻率脈寬調(diào)制方法，調(diào)節(jié) 升壓電路中S的占空比控制逆變橋直流側(cè)電壓的平均值為變流器三相輸出線電壓的瞬時(shí) 最大值，具體調(diào)制方法包括以下步驟：
[0008] 1)在給定交流輸出電壓幅值下，根據(jù)式（1)計(jì)算電壓增益G，其定義為交流輸出相 電壓峰值與1/2倍直流電源電壓的比值：
[0009]
(1)
[0010] 其中，表不交流輸出相電壓峰值，vd。直流電源電壓；
[0011] 2)根據(jù)空間電壓矢量定義，將交流輸出電壓分為六個(gè)扇區(qū)，根據(jù)式（2)計(jì)算每一 個(gè)扇區(qū)中，任一開關(guān)周期內(nèi)，升壓電路中開關(guān)管S開通占空比d_:
[0012]
(2)
[0013] 其中：0 =cot%(JT/3)，《 = 2Jrfline，fline為輸出三相電壓基波頻率；
[0014]3)根據(jù)下表設(shè)計(jì)逆變橋中六個(gè)功率器件的開關(guān)狀態(tài)：
[0015]
[0016] 4)根據(jù)式⑶計(jì)算工作于PWM調(diào)制一相橋臂上、下開關(guān)管的導(dǎo)通占空比^(啲和 :
[0017]
V
[0018]其中：任一扇區(qū)內(nèi)，vmin(〇t)是輸出相電壓最小值；vmax(〇t)是相電壓最大值， vmid(wt)是相電壓中間值；i表不輸出電壓中間值的一相a、b或c;
[0019] 5)確定二極管輔助升降壓逆變器各功率器件開關(guān)狀態(tài)和占空比后，由數(shù)字控制器 生成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制主電路。
[0020] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0021] 所述步驟4)中，一個(gè)開關(guān)周期Tsft，逆變橋中兩個(gè)橋臂的電力半導(dǎo)體器件開關(guān)狀 態(tài)固定不動(dòng)作，另一橋臂的電力半導(dǎo)體器件采用脈寬調(diào)制方式PWM控制；逆變橋中電力半 導(dǎo)體器件的等效開關(guān)頻率減小為l/3fs，其中，fs= 1/Ts;
[0022]第一扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=va，vmid=vb，vmin=v。，Sap和Sj臺(tái) 終開通，San和S@始終關(guān)斷，B相橋臂上、下開關(guān)管Sbp和Sbn采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比4hn、代入（3)式計(jì)算獲得：
[0023]
[0024]第二扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=vb，vmid=va，vmin=v。，Sbp和S如始 終開通，Sbn和S@始終關(guān)斷，A相橋臂上、下開關(guān)管Sap和San采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比dSap、dSan代入（3)式計(jì)算獲得：
[0025]
[0026] 第三扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=vb，vmid=vvmin=va，Sbp和San始 終開通，Sbn和Sap始終關(guān)斷，C相橋臂上、下開關(guān)管S@和Sm采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比d&p、dSm代入（3)式計(jì)算獲得：
[0027]
[0028] 第四扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=v。，vmid=vb，vmin=va，SjPS3"始 終開通，Sap始終關(guān)斷，B相橋臂上、下開關(guān)管Sbp和Sbn采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比dsbp、dsbn代入（3)式計(jì)算獲得：
[0029]
[0030]第五扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=v。，vmid=va，vmin=vb，ScjPS^始 終開通，Sbp始終關(guān)斷，A相橋臂上、下開關(guān)管Sap和San采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比dSap、dSan代入（3)式計(jì)算獲得：
[0031]
[0032] 第六扇區(qū)的開關(guān)狀態(tài)為：輸出三相電壓vmax=va，vmid=v。，vmin=vb，Sap和Sbn始 終開通，San和Sbp始終關(guān)斷，C相橋臂上、下開關(guān)管S@和Sm采用PWM調(diào)制且開關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)， 其導(dǎo)通占空比d&p、dSm代入（3)式計(jì)算獲得：
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0035] 本發(fā)明通過將二極管輔助升降壓逆變器中間直流側(cè)電壓控制為交流輸出相電壓 的包絡(luò)線即三相線電壓的瞬時(shí)最大值，獲得理論上最大的直流電壓利用率和電壓增益，有 效地減小了高增益應(yīng)用場(chǎng)合下電力半導(dǎo)體器件的電壓應(yīng)力和等效開關(guān)頻率，有助于降低變 流器中電力半導(dǎo)體器件的成本和提高電能轉(zhuǎn)換效率。此外，本發(fā)明提出的調(diào)制策略，逆變器 直流側(cè)電感電流和電容電壓包含六倍基波頻率的低頻紋波。該新型調(diào)制策略同樣更適合應(yīng) 用于400-800HZ中頻交流電源系統(tǒng)，如機(jī)載和船舶電源系統(tǒng)。 【【附圖說明】】
[0036] 圖1為二極管輔助升降壓逆變器；
[0037] 圖2為三相電壓源逆變器；
[0038] 圖3為三相逆變橋輸出相電壓和最小直流側(cè)電壓；
[0039] 圖4為二極管輔助升降壓逆變器直流側(cè)等效電路圖；其中，（a)為S= 0N時(shí)的等 效電路圖，（b)為S=OFF時(shí)的等效電路圖；
[0040] 圖5為二極管輔助升降壓逆變器新型調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)和輸出波形；其中，（a)為\ = 2%時(shí)，逆變橋PWM調(diào)制相開關(guān)動(dòng)作，（b)為vV^寸，逆變橋PWM調(diào)制相開關(guān)動(dòng)作；
[0041] 圖6為二極管輔助升降壓逆變器的電力半導(dǎo)體器件電壓應(yīng)力與電壓增益之間關(guān) 系圖；其中，（a)為升壓電路，（b)為逆變橋；
[0042] 圖7為本發(fā)明的采用新型調(diào)制方法二極管輔助升降逆變器時(shí)域仿真結(jié)果；其中， (a)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，（b)為輸出相電壓及頻譜分析，（c)為濾波后相電壓，⑷為輸出線電流， (e)為中間直流側(cè)電壓，（f)為電容電壓；
[0043] 圖8為不同調(diào)制策略下二極管輔助升降壓電壓源逆變器效率比較圖；其中，（a)為 不同輸出功率，（b)為不同輸入電壓。 【【具體實(shí)施方式】】
[0044] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0045] 參見圖2,圖2給出了傳統(tǒng)三相電壓源逆變器主電路。逆變器輸出側(cè)接三相平衡負(fù) 載，假定三相輸出電壓對(duì)稱，其輸出電壓和功率的表達(dá)式如下：
[0046]
[0047]
[0048] 其中：^和1分別為相電壓和相電流的峰值，eos(:的是負(fù)載功率因數(shù)，《 = 2^fiine；
[0049] 圖3給出三相逆變橋輸出相電壓和最小直流側(cè)電壓。當(dāng)三相電壓源逆變器采用基 于三角載波的正弦脈寬調(diào)制（SPWM)方法時(shí)，逆變橋直流側(cè)電壓的最小值是輸出相電壓峰 值的兩倍2匕，如圖3中實(shí)線所示。三相輸出電壓基波頻率50Hz。當(dāng)采用SPWM加入 3次諧波注入或空間矢量調(diào)制（SVM)提高直流電壓利用率時(shí)、直流側(cè)電壓最小值是力(?,"， 如圖3中點(diǎn)劃線所示。此外，還有另一種可能的直流側(cè)電壓選取就是三相線電壓的瞬時(shí)最 大值即三相輸出相電壓的包絡(luò)線，如圖中隨時(shí)間變化的虛線波形所示，其表達(dá)式為：
[0050]
(3)
[0051] 其中：9 =cot% (Ji/3)
[0052] 如果一個(gè)開關(guān)周期^內(nèi)，逆變橋的直流側(cè)電壓的平均值可以控制為（3)式或圖3 所示的六脈波虛線，則交流輸出相電壓最大值（max) -相橋臂上管始終導(dǎo)通，交流輸出相 電壓最小值（min) -相橋臂下管始終導(dǎo)通，另一相（mid)橋臂上、下開關(guān)器件工作于PWM模 式，逆變橋中電力半導(dǎo)體器件的工作狀態(tài)如表1所不。以第一扇區(qū)為例，逆變橋直流側(cè)一個(gè) 開關(guān)周期Ts內(nèi)電壓的平均值是線電壓（va-v。）。因此，Sap和S。"始終導(dǎo)通，Sbp和Sbn工作于