一种升压型并网逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种升压型并网逆变器及其控制方法，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数，根据开关函数确定基本电压矢量；对基本电压矢量进行六扇区划分，确定合成旋转电压矢量V

【技术实现步骤摘要】
一种升压型并网逆变器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及功率变换与并网控制技术，具体涉及一种升压型并网逆变器及其控制方法。

技术介绍

[0002]一些储能及并网装置，如储能电池、燃料电池、光伏发电装置等是使用低压电池构建的。要想获得较高的电压，一种方法是串联连接以获得所需的电压。由于电池之间的差异和不同的工作条件，大量电池的串联连接将增加系统的复杂性，并可能降低其性能。另一种方式是在DC源和驱动器之间使用DC
‑
DC升压转换器，然后逆变为交流电以供实际应用。此种需要额外升压电路的系统称之为两级驱动器。根据所涉及的功率和电压水平，采用两级逆变器，会出现系统体积大、重量重、成本高和效率降低等问题。
[0003]具备升压功能的单级DC
‑
AC驱动器，在尺寸、成本、重量和整个系统的复杂性方面优于两级驱动器，是一种很好的替代方案。现有的具备升压功能的单级三相逆变器主要有Z源逆变器(ZSI)、降压
‑
升压电压源逆变器(BBVSI)、Y源逆变器(YSI)、分裂源逆变器(SSI)。这些逆变器均有其特点，如论文《Z源逆变器》提出了Z源型升压逆变器，电路拓扑包括4个无源元件，需要传统的8个开关状态以外的直通开关状态进行升压，由于利用直通状态进行升压，所以输出电压不连续，而拓扑固有的问题导致输出电流不连续；论文《Analysis and modulation of the buck
‑
boost voltage source inverter (bbvsi) for lower voltage stresses》提出了降压
‑
升压电压源逆变器(BBVSI)，与Z源逆变器相比具有无源器件更少的优势，但其增加了1个功率器件，使得调制算法难度增大；论文《Three
‑
Phase Split
‑
Source Inverter (SSI): Analysis and Modulation》提出了一种分裂源升压逆变器SSI，与其他几种逆变器相比，它减少了无源元件的数量，但裂源的特性使得并网结构较上述两种复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提出了一种升压型并网逆变器，并且为实现升压跟随控制功能提出零矢量控制策略，结合并网控制方法，达到并网要求，实现并网系统的能量双向流动。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种升压型并网逆变器，由直流电源U
in
、一个储能电容C
f
、一个储能电感L
f
、三个防倒流二极管D1、D2、D3、六个IGBT功率开关管S1~S6以及与开关管并联的六个二极管D4~D9组成；储能电感L
f
通过三个防倒流二极管D1、D2、D3分别连接到全桥式逆变器a、b、c三相桥臂中点处，储能电容C
f
的负极连接到直流电源，正极连接至全桥式逆变器a、b、c三相桥臂上端；直流电源U
In
负极连接至全桥逆变器三相桥臂a相、b相、c相的下端，直流电源U
In
正极通过两条支路分别连接储能电感L
f
和储能电容C
f
；六个二极管D4~D9分别反并联在六个IGBT功率开关管两端共同构成全桥式逆变器结构。
[0006]进一步的，基于所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数，根据开关函数确定基本
电压矢量；
[0008]步骤2，对基本电压矢量进行六扇区划分，确定合成旋转电压矢量V
*
的各扇区开关作用次序和非零矢量作用时间；
[0009]步骤3，基于零矢量控制策略，重新分配非零矢量作用时间；
[0010]步骤4，确定升压型并网逆变器的各开关管的导通时间；
[0011]步骤5，将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管 PWM 脉冲信号作用于6路IGBT功率开关管，输出三相电流、电压；
[0012]步骤6，根据输出的三相电流和电压进行升压型并网逆变器的并网控制，其中内环采用电流控制，外环采用功率控制。
[0013]进一步的，步骤1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数，根据开关函数确定基本电压矢量，具体方法为：
[0014]步骤1.1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数；
[0015]逆变器侧的每相桥臂均有两个开关管，开关函数(Sa、Sb、Sc)有 8 种开关状态组合，当每相上管导通、下管关断时记为1，反之记为0，所以八种开关状态分别为S0(000)、S1(100)、S2(110)、S3(010)、S4(011)、S5(001)、S6(101)、S7(111)，当逆变器处于S0(000)、S1(100)、S2(110)、S3(010)、S4(011)、S5(001)、S6(101)这七种状态时，下桥臂至少一相的开关管导通，此时逆变器的直流电源通过下桥臂的开关管给储能电感L
f
充电；当逆变器的开关状态处于S7(111)时，三相均为上桥臂导通，下桥臂关断，此时储能电感L
f
通过上桥臂的通路给储能电容C
f
充电；
[0016]步骤1.2，根据开关函数确定基本电压矢量，构造六扇区划分方式；
[0017]根据开关函数，确定电网侧三相相电压，计算公式为：
[0018]式中U
a
、U
b
、U
c
为电网侧三相相电压，S
a
、S
b
、S
c
分别表示a、b、c桥臂功率开关管的开关状态；根据开关管不同开关状态组合，结合表1，确定基本电压矢量，包括U
0 (000)、U
1 (100)、U
2 (110)、U
3 (010)、U
4 (011)、U
5 (001)、U
6 (101)、U
7 (111)；
[0019]表1基本电压矢量表
[0020][0021]表中U
k
为a、b、c三相电压经过Clark变换后得到的基本电压矢量，k取0~7，U
dc
为逆变器直流输入电压。
[0022]进一步的，步骤2，对基本电压矢量进行六扇区划分，确定合成旋转电压矢量V
*
的各扇区开关作用次序和非零矢量作用时间，具体方法为：
[0023]步骤2.1，对基本电压矢量进行六扇区划分；
[0024]以α轴为基准，依次逆时针旋转60
°
，得到6个大扇区I、II、III、IV、V、VI，基本电压矢量U
1 (100)、U
2 (110)、U
3 (010)、U
4 (011)、U
5 (001)、U
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种升压型并网逆变器，其特征在于，由直流电源U
in
、一个储能电容C
f
、一个储能电感L
f
、三个防倒流二极管D1、D2、D3、六个IGBT功率开关管S1~S6以及与开关管并联的六个二极管D4~D9组成；储能电感L
f
通过三个防倒流二极管D1、D2、D3分别连接到全桥式逆变器a、b、c三相桥臂中点处，储能电容C
f
的负极连接到直流电源，正极连接至全桥式逆变器a、b、c三相桥臂上端；直流电源U
In
负极连接至全桥逆变器三相桥臂a相、b相、c相的下端，直流电源U
In
正极通过两条支路分别连接储能电感L
f
和储能电容C
f
；六个二极管D4~D9分别反并联在六个IGBT功率开关管两端共同构成全桥式逆变器结构。2.基于权利要求1所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数，根据开关函数确定基本电压矢量；步骤2，对基本电压矢量进行六扇区划分，确定合成旋转电压矢量V
*
的各扇区开关作用次序和非零矢量作用时间；步骤3，基于零矢量控制策略，重新分配非零矢量作用时间；步骤4，确定升压型并网逆变器的各开关管的导通时间；步骤5，将开关管导通时间与三角载波进行调制，输出开关管 PWM 脉冲信号作用于6路IGBT功率开关管，输出三相电流、电压；步骤6，根据输出的三相电流和电压进行升压并网逆变器的并网控制，其中内环采用电流控制，外环采用功率控制。3.根据权利要求2所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，其特征在于，步骤1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数，根据开关函数确定基本电压矢量，具体方法为：步骤1.1，根据a、b、c三相桥臂的开关管状态，建立开关函数；逆变器侧的每相桥臂均有两个开关管，开关函数(Sa、Sb、Sc)有 8 种开关状态组合，当每相上管导通、下管关断时记为1，反之记为0，所以八种开关状态分别为S0(000)、S1(100)、S2(110)、S3(010)、S4(011)、S5(001)、S6(101)、S7(111)，当逆变器处于S0(000)、S1(100)、S2(110)、S3(010)、S4(011)、S5(001)、S6(101)这七种状态时，下桥臂至少一相的开关管导通，此时逆变器的直流电源通过下桥臂的开关管给储能电感L
f
充电；当逆变器的开关状态处于S7(111)时，三相均为上桥臂导通，下桥臂关断，此时储能电感L
f
通过上桥臂的通路给储能电容C
f
充电；步骤1.2，根据开关函数确定基本电压矢量，构造六扇区划分方式；根据开关函数，确定负载侧三相相电压，计算公式为：式中U
a
、U
b
、U
c
为负载侧三相相电压，S
a
、S
b
、S
c
分别表示a、b、c桥臂功率开关管的开关状态；根据开关管不同开关状态组合，结合表1，确定基本电压矢量，包括U
0 (000)、U
1 (100)、U
2 (110)、U
3 (010)、U
4 (011)、U
5 (001)、U
6 (101)、U
7 (111)；表1基本电压矢量表
表中U
k
为a、b、c三相电压经过Clark变换后得到的基本电压矢量，k取0~7，U
dc
为逆变器直流输入电压。4.根据权利要求3所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，其特征在于，步骤2，对基本电压矢量进行六扇区划分，确定合成旋转电压矢量V
*
的各扇区开关作用次序和非零矢量作用时间，具体方法为：步骤2.1，对基本电压矢量进行六扇区划分；以α轴为基准，依次逆时针旋转60
°
，得到6个大扇区I、II、III、IV、V、VI，基本电压矢量U
1 (100)、U
2 (110)、U
3 (010)、U
4 (011)、U
5 (001)、U
6 (101)对应其六边形顶点，两个零矢量幅值为零，位于原点；根据旋转电压矢量V
*
在α
‑
β两相静止坐标系下的分量来确定旋转电压矢量V
*
所在扇区，各扇区的分配原则如下表2所示；表2 旋转电压矢量扇区分配原则
表中U
α*
、U
β*
为旋转电压矢量V
*
在α
‑
β两相静止坐标系下的分量；通过扇区判断条件，确定旋转电压矢量V
*
所在扇区；步骤2.2，确定合成旋转电压矢量V
*
的各扇区开关作用次序和非零矢量作用时间；根据七段式矢量合成原则，各扇区对应基本矢量作用次序如表3所示；表3 各扇区基本矢量作用次序
从基本电压矢量中选择作用矢量，非零矢量V
n1
、V
n2
与各扇区对应关系为：I扇区对应非零矢量(U1,U2),II扇区对应非零矢量(U2,U3)，III扇区对应非零矢量(U3,U4),IV扇区对应非零矢量(U4,U5)，V扇区对应非零矢量(U5,U6),VI扇区对应基本矢量(U1,U6)；根据表4确定各扇区基本矢量的作用时间；表4六扇区基本矢量作用时间表中T
s
为采样周期，T
x
为非零矢量V
n1
作用时间，T
y
为非零矢量V
n2
作用时间。5.根据权利要求3所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，其特征在于，步骤3，基于
零矢量控制策略，重新分配非零矢量作用时间，具体方法为：将基本电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯延晖，丁书凝，邱颖宁，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：