带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略技术方案

本发明专利技术公开了一种带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略，系统包括BOOST升压DC‑DC变换器、三相四桥臂逆变器、LC滤波器、采样单元、负载单元和控制芯片；DC直流电源通过BOOST升压DC‑DC变换器后为三相四桥臂逆变器提供直流母线电压；三相四桥臂逆变器逆变后，经过LC滤波器滤波后接入负载单元；采样单元得到的采样信号通过滤波器后输入控制芯片进行处理，控制芯片输出MOSFET驱动信号，MOSFET驱动信号分别经过光耦隔离电路和MOSFET驱动电路后连接BOOST升压DC‑DC变换器和三相四桥臂逆变器。本发明专利技术利用基于三维空间矢量脉冲宽度调制技术的序分量分离控制，各次谐波补偿控制可以保证输出电压波形的对称性，解决不对称负载及非线性负载下电压波形的不对称和畸变问题。

【技术实现步骤摘要】
带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略
本专利技术属于电力电子变换器领域，涉及一种用途广泛的带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统，特别涉及一种带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略。
技术介绍
化石能源的过度使用，带来了一系列的能源问题：环境污染、能源短缺，新型的、清洁的能源的利用得到越来越多的关注，其中太阳能的利用最为广泛。目前，太阳能光伏板能提供的直流电压较低，且电压值随输出功率变化，很不稳定，因此需要采取措施以满足逆变器所需稳定的、电压值较高的直流母线电压。由于三相电压的平衡状况对于衡量电能质量来说是个很重要的指标，而实际用户侧的负载一般具有随机性和不平衡性。在离网型风力发电或光伏发电孤岛运行时，三相电压很容易出现不平衡的情况，国标GB-T15543-2008中指出电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2％，短时不得超过4％。不平衡问题的解决方法通常集中在两方面，主要是拓扑结构和控制策略，只有两者相互合理配合，才能发挥出自身最大的优势，使系统稳态运行。传统的三相三线逆变结构，不具有带不平衡负载能力，而三相四线制逆变器本身具有带不平衡负载的能力，通常三相四线逆变器拓扑结构有分裂电容式三相逆变器、组合式三相逆变器、带Δ/Y变压器的三相逆变器以及四桥臂三相逆变器。其中四桥臂三相逆变器的拓扑结构与其他类型电路拓扑结构相比，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低等优点，具有广泛的应用前景。随着电力电子技术的发展，开关电源的谐波源得到广泛应用，电网谐波畸变成为一个衡量电能质量的重要指标，国标GB-T14549-1993中指出，在电网标称电压为380V的电网中电压总谐波畸变率小于5％，奇次谐波含有率小于4％，偶次谐波含有率小于2％。谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了用电设备的效率，还会引起电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使谐波的危害大大增加，甚至引起严重事故。授权公告号为CN204633634U的中国专利在三相电压反馈控制的基础上，引入三相不平衡电流，通过电流正反馈增大不平衡差量，能精确控制三相输出电压的平衡度，但该方法仅仅适用于线性不对称负载，在非线性负载的三相系统并不适用。授权公告号为CN103812375B的中国专利通过基波比例谐振、重复控制、纯比例控制三种控制策略实现对A、B、C三相电压及中性点电压的独立控制，改善了不对称负载下输出电压的平衡度，但该方法控制步骤较为繁琐，实际操作较难，现有的控制器中计算时间较长，一个控制周期内难以实现非线性负载下对谐波的抑制。综上所述，现有的针对三相系统负载的研究大部分是线性不对称负载的情况，针对非线性负载的研究较少且控制策略复杂，实现难度大，针对两级式带BOOST升压的三相四桥臂逆变系统尚无报道，因此有必要研究在直流电压较低、不稳定情况下保证逆变级直流母线电压稳定、电压值较高的需求，并且在线性不对称、非线性负载下保证三相输出电压平衡和正弦性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用基于三维空间矢量脉冲宽度调制技术的序分量分离控制，各次谐波补偿控制可以保证输出电压波形的对称性，解决不对称负载及非线性负载下电压波形的不对称和畸变问题的带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统及控制策略。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统，包括BOOST升压DC-DC变换器、三相四桥臂逆变器、LC滤波器、采样单元、负载单元和控制芯片；DC直流电源通过BOOST升压DC-DC变换器后为三相四桥臂逆变器提供直流母线电压；三相四桥臂逆变器对直流母线电压进行逆变后，经过LC滤波器滤波后接入负载单元；采样单元分别对BOOST升压DC-DC变换器的输出电压和三相四桥臂逆变器的输出电压进行采样，得到的采样信号通过滤波器后输入控制芯片进行处理，控制芯片输出MOSFET驱动信号，MOSFET驱动信号分别经过光耦隔离电路和MOSFET驱动电路后连接BOOST升压DC-DC变换器和三相四桥臂逆变器。带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统控制策略，包括以下步骤：S1、实时检测BOOST升压DC-DC变换器输出电压信号，并通过硬件巴特沃斯二阶低通滤波器和软件离散化一阶低通滤波器来精确提取出输出电压Vdc；S2、将步骤S1中输出电压Vdc与设定的输出电压比较得到误差信号，通过控制芯片的单闭环控制构造出BOOST升压DC-DC变换器的MOSFET驱动信号；S3、实时检测三相四桥臂逆变器侧电流信号、三相输出电压信号和三相输出电流信号，并通过硬件巴特沃斯二阶低通滤波器、软件离散化一阶低通滤波器和软件高通滤波器来精确提取出侧电流iLabc、三相输出电压voabc和三相输出电流ioabc；S4、根据负载类型进行以下控制策略：当负载单元为阻性对称负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量三相输出电流ioabc通过Park变换后得到基波正序电流分量先将基波正序电压分量通过比例积分控制器后，与基波正序电流分量相加，再通过比例控制器得到控制参考量，将控制参考量通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号；当负载单元为阻性不对称负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量基波负序电压分量零序电压分量vo由三相输出电压voabc直接相加提取；将基波正序电压分量基波负序电压分量及零序电压分量vo分别通过比例积分控制器，之后将三个比例积分控制器输出的控制信号相加，再通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号；当负载单元为非线性负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量基波负序电压分量提取5次谐波正序电压分量11次谐波正序电压分量零序电压分量vo由三相输出电压voabc直接相加提取；将基波正序电压分量基波负序电压分量5次谐波正序电压分量11次谐波正序电压分量和零序电压分量vo分别通过比例积分控制器，之后将五个比例积分控制器输出的控制信号相加，再通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号。进一步地，所述步骤S1中硬件巴特沃斯型二阶低通滤波器的传递函数G(s)表达式如下：其中Avf为通带增益，ωn为巴特沃斯型二阶低通滤波器的截止频率，Q为品质因素，s为拉普拉斯算子；所述软件离散化一阶低通滤波器的计算方法为：Yn＝(1-a)Yn-1+aXn(2)其中Yn为滤波后的当前值，Yn-1为上一值，Xn为当前采样值，a为一个与软件离散化一阶低通滤波器的截止频率fT相关的常数，a值通过下式计算：其中Ts为软件离散化一阶低通滤波器的采样周期。进一步地，所述步骤S2包括以下子步骤：S21、计算电压控制器单闭环控制器的输出值，电压控制器单闭环控制采用比例积分控制器GPI(s)，其表达式为：电压控制器单闭环控制器的输出值为：u(本文档来自技高网...

【技术保护点】
带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统，其特征在于，包括BOOST升压DC‑DC变换器、三相四桥臂逆变器、LC滤波器、采样单元、负载单元和控制芯片；DC直流电源通过BOOST升压DC‑DC变换器后为三相四桥臂逆变器提供直流母线电压；三相四桥臂逆变器对直流母线电压进行逆变后，经过LC滤波器滤波后接入负载单元；采样单元分别对BOOST升压DC‑DC变换器的输出电压和三相四桥臂逆变器的输出电压进行采样，得到的采样信号通过滤波器后输入控制芯片进行处理，控制芯片输出MOSFET驱动信号，MOSFET驱动信号分别经过光耦隔离电路和MOSFET驱动电路后连接BOOST升压DC‑DC变换器和三相四桥臂逆变器。

【技术特征摘要】
1.带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统，其特征在于，包括BOOST升压DC-DC变换器、三相四桥臂逆变器、LC滤波器、采样单元、负载单元和控制芯片；DC直流电源通过BOOST升压DC-DC变换器后为三相四桥臂逆变器提供直流母线电压；三相四桥臂逆变器对直流母线电压进行逆变后，经过LC滤波器滤波后接入负载单元；采样单元分别对BOOST升压DC-DC变换器的输出电压和三相四桥臂逆变器的输出电压进行采样，得到的采样信号通过滤波器后输入控制芯片进行处理，控制芯片输出MOSFET驱动信号，MOSFET驱动信号分别经过光耦隔离电路和MOSFET驱动电路后连接BOOST升压DC-DC变换器和三相四桥臂逆变器。2.带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统控制策略，其特征在于，包括以下步骤：S1、实时检测BOOST升压DC-DC变换器输出电压信号，并通过硬件巴特沃斯二阶低通滤波器和软件离散化一阶低通滤波器来精确提取出输出电压Vdc；S2、将步骤S1中输出电压Vdc与设定的输出电压比较得到误差信号，通过控制芯片的单闭环控制构造出BOOST升压DC-DC变换器的MOSFET驱动信号；S3、实时检测三相四桥臂逆变器侧电流信号、三相输出电压信号和三相输出电流信号，并通过硬件巴特沃斯二阶低通滤波器、软件离散化一阶低通滤波器和软件高通滤波器来精确提取出侧电流iLabc、三相输出电压voabc和三相输出电流ioabc；S4、根据负载类型进行以下控制策略：当负载单元为阻性对称负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量三相输出电流ioabc通过Park变换后得到基波正序电流分量先将基波正序电压分量通过比例积分控制器后，与基波正序电流分量相加，再通过比例控制器得到控制参考量，将控制参考量通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号；当负载单元为阻性不对称负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量基波负序电压分量零序电压分量vo由三相输出电压voabc直接相加提取；将基波正序电压分量基波负序电压分量及零序电压分量vo分别通过比例积分控制器，之后将三个比例积分控制器输出的控制信号相加，再通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号；当负载单元为非线性负载时，将步骤S3中的三相输出电压voabc通过Park变换，得到在dq坐标系下的基波正序电压分量基波负序电压分量提取5次谐波正序电压分量11次谐波正序电压分量零序电压分量vo由三相输出电压voabc直接相加提取；将基波正序电压分量基波负序电压分量5次谐波正序电压分量11次谐波正序电压分量和零序电压分量vo分别通过比例积分控制器，之后将五个比例积分控制器输出的控制信号相加，再通过dq反变换得到A、B、C三相的电压参考矢量，最后通过三维空间矢量脉冲宽度调制技术构造出四个H桥MOSFET所需的驱动信号。3.根据权利要求2所述的带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统控制策略，其特征在于，所述步骤S1中硬件巴特沃斯型二阶低通滤波器的传递函数G(s)表达式如下：其中Avf为通带增益，ωn为巴特沃斯型二阶低通滤波器的截止频率，Q为品质因素，s表示拉普拉斯算子；所述软件离散化一阶低通滤波器的计算方法为：Yn＝(1-a)Yn-1+aXn(2)其中Yn为滤波后的当前值，Yn-1为上一值，Xn为当前采样值，a为一个与软件离散化一阶低通滤波器的截止频率fT相关的常数，a值通过下式计算：其中Ts为软件离散化一阶低通滤波器的采样周期。4.根据权利要求2所述的带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统控制策略，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：S21、计算电压控制器单闭环控制器的输出值，电压控制器单闭环控制采用比例积分控制器GPI(s)，其表达式为：电压控制器单闭环控制器的输出值为：u(k)为电压控制器单闭环控制器当前输出值，其中KP为比例积分控制器的比例系数，KI为比例积分控制器的积分系数，u(k-1)比例积分控制器上一输出值，e(k)为输入比例积分控制器的当前误差值，e(k-1)为输入比例积分控制器的上一误差值；S22、将电压控制器单闭环控制器输出信号作为MOS管的占空比，经过载波调制后输出MOSFET驱动信号。5.根据权利要求2所述的带BOOST升压的两级式三相四桥臂逆变系统控制策略，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩杨，钟懿，刘丛，李红，蒋艾町，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51