单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置

摘要

本发明涉及一种单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置，该装置通过反馈调制电流适时地调整占空比并输出高质量的电网电流，有效地克服采用传统线性PWM控制策略时电网电流波形存在严重畸变的固有缺陷，其控制电路是由含高频复位功能的积分电路、绝对值电路I、比较电路、RS触发器、组合逻辑电路以及与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路、绝对值电路II、过零比较电路、恒频时钟电路构成。本发明能够将不稳定的直流电压变换成所需大小、稳定、高质量的并网电流，具有单级功率变换、变换效率高、并网电流谐波小、动态相应快、负载过载时可靠性高、成本低等优点，为可再生能源并网发电系统奠定了关键技术。

权利要求

1.一种单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置，其特征在于：这种控制装置是由含高频复位功能的积分电路、绝对值电路Ⅰ、比较电路、RS触发器、组合逻辑电路、与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路、绝对值电路Ⅱ、过零比较电路、恒频时钟电路构成，所述含高频复位功能的积分电路输入端与调制电流反馈端相连接，含高频复位功能的积分电路输出端与绝对值电路Ⅰ的输入端相连接，绝对值电路Ⅰ的输出端与比较电路的一个输入端相连接，比较电路的输出端与RS触发器的复位端相连接，RS触发器的输出端Q与组合逻辑电路的一个输入端相连接，RS触发器的输出端 与含高频复位功能的积分电路中的复位开关的控制端相连接，所述比较电路的另一个输入端与绝对值电路Ⅱ的输出端相连接，绝对值电路Ⅱ的输入端和与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路的输出端相连接，所述与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路的输出端还与过零比较电路的输入端相连接，过零比较电路的输出端与组合逻辑电路的另一个输入端相连接，所述RS触发器的置位端与恒频时钟电路的输出端相连接，所述组合逻辑电路的四个输出端与四个驱动电路的输入端一一对应连接，RS触发器的复位端和置位端的有效电平状态、比较电路和过零比较电路的输入相位状态、组合逻辑电路的具体形式应能满足单相电流源并网逆变器正常工作所需要的逻辑电平关系。

说明书

单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置

技术领域

[0001] 本发明所涉及一种单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置，属电力电子技术。

背景技术

[0002] 由于石油、煤和天然气等化石能源(不可再生能源)日益紧张、环境污染严重、全球变暖、核能生产会产生核废料和污染环境等原因，能源和环境已成为21世纪人类所面临的重大问题。太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源(绿色能源)，具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点，开发和利用可再生能源越来越受到人们的重视，这对世界各国经济的持续发展具有相当重要的意义。

[0003] 太阳能、风能、氢能、潮汐能、地热能等可再生能源转化的直流电能通常是不稳定的，需要将其逆变成交流电能与电网并网发电。因此，并网逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。

[0004] 目前，并网逆变器主要采用电压型(Buck型)并网逆变器。这类逆变器的电路结构正常工作时必须满足直流侧电压大于交流侧电压的峰值，故存在一个明显的缺陷：当直流侧电压(如光伏电池输出能力)降低时，如阴雨天或夜晚，整个发电系统将停止运行，系统的利用率下降。对此，常采用前级加Boost变换器的方法来解决这一问题，从而又增加了电路的复杂性、损耗和成本。因此，Buck型并网逆变器具有电路结构复杂、多级功率变换、变换效率低、成本高等缺陷。

[0005] 电流型(Boost型)并网逆变器属于单级升压型并网逆变系统，因而成为新能源发电领域的一个研究热点。与电压型(Buck型)并网逆变系统相比，电流型(Boost型)并网逆变系统具有如下特点：(1)电压型逆变器工作时直流侧电压必须高于电网电压峰值且保持恒定，直流电压较低时系统勉强工作将导致电网电流谐波含量大，前级添加升压Boost变换器方案，将会增加系统成本和降低变换效率，而电流型逆变器可通过控制逆变器同一桥臂上的两个功率开关的重叠导通时间来控制输入直流侧电流，具有电路结构简洁、单级功率变换、变换效率高、成本低、光伏逆变时可实现从弱光能至强光能全过程利用等优点；(2)电流型逆变器是对输出电流的直接控制，实现能量最大功率点跟踪控制更方便可靠，而电压型逆变器实现最大功率点跟踪控制时容易引起直流母线的崩溃和降低可靠性；(3)电流型逆变器的储能元件为电感，系统寿命将比储能元件为电解电容的电压型逆变器长；(4)电流型并网逆变系统发生过流和短路时容易得到及时的保护，系统的可靠性高。

[0006] 近年来，随着双向可阻断IGBT等新型器件的出现，电流型逆变器不再必需串联二极管，解决了串联二极管的损耗问题。通过合理设计电流型逆变器直流侧的电感，也能有效解决这类逆变器储能电感的效率问题。因此，电流型并网逆变器具有重要的理论和工程应用价值。

[0007] 单相电流型并网逆变器电路拓扑及其输入与输出电压原理波形如图1、2所示。单相电流型并网逆变器在一个高频开关周期内DTs与(1-D)Ts期间的开关状态等效电路，如图3、4所示。图3、4所示等效电路中的粗实线表示在该期间电流流通的路径。从图2、3、4可知，在一个工频输出周期内，t1-t2、t3-t4期间(|uN|＞Ui)的任意一个高频开关周期内均存在电感L充磁阶段(DTs期间)和祛磁阶段((1-D)Ts期间)，满足Boost型变换器的基本原理，输送到电网的电流波形iLf质量高；在t0-t1、t2-t3、t4-t5期间(|uN|＜Ui)的任意一个高频开关周期内均为电感L的充磁阶段(Ts期间)，无祛磁阶段，不满足Boost型变换器的基本原理，输送到电网的电流波形iLf畸变严重。

[0008] 单相Boost型并网逆变器采用传统线性PWM控制策略时的控制框图与原理波形，如图5、6所示。图6中，θ为基准正弦电流ir超前于电网电压un的相位。将电网电流反馈信号iLf与基准正弦电流信号ir比较、经比例积分放大电路和绝对值电路后再与锯齿载波ic进行交截生成高频PWM信号ihf，与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir经过零比较器后得到选通信号isy，选通信号isy及其反相信号 经驱动电路后用来控制功率开关S1、S2，ihf与 经异或门、驱动电路后用来控制功率开关S3，ihf与 经异或门、非门、驱动电路后用来控制功率开关S4。由于逆变器的占空比D与误差电流信号(ir-iLf)成正比，故该控制策略称为线性控制策略。从图6可以明显地看出，这类逆变器的电网电流iLf存在严重的畸变现象，在一个输出周期内存在多个周期的误差电流ie，ihf和功率开关S3、S4的控制信号均为无规律的高频PWM信号(非SPWM信号)。因此，单相Boost型并网逆变器采用传统线性PWM控制策略时存在明显的缺陷，难以在工程中推广应用。

[0009] 因此，寻求一种能有效解决单相Boost型并网逆变器采用传统PWM控制策略时存在的输出电网电流波形严重畸变的控制策略已迫在眉睫，对于有效改善输出电网电流波形质量、提高电能利用率、降低电磁干扰、发挥该拓扑的潜能、拓宽电力电子学并网逆变技术和可再生能源发电技术、推动可再生能源发电产业的发展、发展节能型与节约型社会均具有重要的意义。

发明内容

[0010] 本发明目的是要为具有功率密度高、单级功率变换、变换效率高、负载过载和短路时可靠性高等优点的单相电流源并网逆变器提供一种非线性脉宽调制控制装置。

[0011] 本发明的技术方案在于：一种单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置，是由含高频复位功能的积分电路、绝对值电路Ⅰ、比较电路、RS触发器、组合逻辑电路、与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路、绝对值电路Ⅱ、过零比较电路、恒频时钟电路构成，所述含高频复位功能的积分电路输入端与调制电流反馈端相连接，含高频复位功能的积分电路输出端与绝对值电路Ⅰ的输入端相连接，绝对值电路Ⅰ的输出端与比较电路的一个输入端相连接，比较电路的输出端与RS触发器的复位端相连接，RS触发器的输出端Q与组合逻辑电路的一个输入端相连接，RS触发器的输出端 与含高频复位功能的积分电路中的复位

[0012] 开关的控制端相连接，所述比较电路的另一个输入端与绝对值电路Ⅱ的输出端相连接，绝对值电路Ⅱ的输入端和与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路的输出端相连接，所述与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流电路的输出端还与过零比较电路的输入端相连接，过零比较电路的输出端与组合逻辑电路的另一个输入端相连接，所述RS触发器的置位端与恒频时钟电路的输出端相连接，所述组合逻辑电路的四个输出端与四个驱动电路的输入端一一对应连接，RS触发器的复位端和置位端的有效电平状态、比较电路和过零比较电路的输入相位状态、组合逻辑电路的具体形式应能满足单相电流源并网逆变器正常工作所需要的逻辑电平关系。

[0013] 本发明将“单相电流源并网逆变器通过反馈电网电流iLf与基准正弦电流ir比较、经比例积分放大电路再与载波进行交截生成PWM信号的传统线性控制装置”，构建为“通过反馈并实时积分调制电流im、与基准正弦电流ir比较、再通过RS触发器生成PWM信号的非线性控制装置”，提出了单相电流源并网逆变器非线性脉宽调制控制新概念和控制装置，即通过检测并反馈单相电流源并网逆变器的调制电流适时地调整逆变器的占空比并输出高质量电网电流，有效地克服了单相电流源并网逆变器采用传统线性PWM控制策略时电网电流波形存在的严重畸变现象。

[0014] 本发明的优点在于：本发明能够将不稳定的直流电压变换成所需大小、稳定、高质量的并网电流，具有电路拓扑简洁、单级功率变换、功率密度高、变换效率高、并网电流谐波小、动态响应快、负载过载和短路时可靠性高、系统寿命比电压源逆变器长、成本低、特别适用于光伏并网系统的全程光能利用和最大功率点跟踪控制等优点，为可再生能源并网发电系统奠定了关键技术。

附图说明

[0015] 图1.单相电流型并网逆变器电路拓扑。

[0016] 图2.单相电流型并网逆变器输入与输出电压原理波形。

[0017] 图3.单相电流型并网逆变器DTs期间的开关状态等效电路。

[0018] 图4.单相电流型并网逆变器(1-D)Ts期间的开关状态等效电路。

[0019] 图5.单相电流型并网逆变器的传统线性PWM控制装置原理框图。

[0020] 图6.单相电流型并网逆变器的传统线性PWM控制原理波形。

[0021] 图7.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置原理框图。

[0022] 图8.单相电流型并网逆变器上、下桥臂分别为低频、高频开关时的非线性PWM控制原理波形。

[0023] 图9.单相电流型并网逆变器左、右桥臂均为半周低频、半周高频开关时的非线性PWM控制原理波形。

[0024] 图10.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路框图实例一——上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效。

[0025] 图11.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路图实例一——上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效。

[0026] 图12.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路框图实例二——上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为低电平有效。

[0027] 图13.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路图实例二——上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为低电平有效。

[0028] 图14.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路框图实例三——左、右桥臂均为半周低频、半周高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效。

[0029] 图15.单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制装置电路图实例三——左、右桥臂均为半周低频、半周高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

[0031] 单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制，是通过检测并反馈单相电流源并网逆变器的调制电流im适时地调整逆变器的占空比并输出高质量的电网电流，有效地克服这种逆变器采用传统线性PWM控制策略时电网电流iLf存在严重畸变的固有缺陷。单相电流型并网逆变器的非线性PWM控制原理框图及其上、下桥臂分别为低频、高频开关时控制原理波形和左、右桥臂均为半周低频、半周高频开关时控制原理波形，分别如图7、8、9所示。单相电流型并网逆变器的调制电流反馈信号imf经含高频复位功能的积分电路后得到电流平均值信号iavg，iavg经绝对值电路Ⅰ后得到|iavg|，|iavg|同与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir经绝对值电路Ⅱ后得到的基准电流绝对值信号|ir|相比较得到了高频PWM信号ihf，ihf和恒频时钟信号ic分别作为RS触发器的复位端和置位端，RS触发器的输出端 作为积分电路的高频积分复位信号(即复位开关的控制信号)，ir经过零比较电路后得到的极性选通信号isy与RS触发器的输出端Q经合适的组合逻辑电路、驱动电路后分别用来控制功率开关S1、S2、S3、S4。

[0032] 单相电流源并网逆变器电路拓扑的性质，将导致调制电流im在图2所示t0-t1、t2-t3、t4-t5期间的值(|uN|＜Ui)大于期望值，调制电流im经积分器积分达到基准值的时间将变短，从而在一个高频周期内就可以有效降低逆变器的占空比，从而有效改善输出电网电流波形质量。因此，单相电流源并网逆变器的非线性脉宽调制控制装置，是通过检测并反馈单相电流源并网逆变器的调制电流im适时地调整逆变器的占空比并输出高质量的电网电流，有效地克服了这种逆变器采用传统线性PWM控制装置时电网电流iLf存在严重畸变的固有缺陷。显然，积分电路每个高频开关周期复位一次，高频积分复位信号的频率等于逆变器的高频开关频率。

[0033] 假设逆变器的占空比为D、高频开关周期Ts，则逆变器电感储能、释能期间分别为DTs、(1-D)Ts，并网逆变器调制电流反馈信号imf经积分电路后得到的信号iavg及其绝对值信号|iavg|分别为

[0034]

[0035]

[0036] 式(1)、(2)表明，iavg、|iavg|分别为调制电流反馈信号imf及其绝对值信号|iavg|的平均值。由于高频开关周期Ts远小于电网电压周期，输出滤波电容Cf端电压和电网电流iLf在一个Ts内可以看成近似恒定，因而在一个Ts内输出滤波电容Cf中的平均值电流近似为零，根据基尔霍夫电流定律可得在一个Ts内电网电流iLf与并网逆变器调制电流信号im的平均值相等，即

[0037]

[0038] 式(1)、(2)(3)表明，如果并网逆变器调制电流反馈系数为1，则调制电流信号im与其反馈信号imf相等，在一个Ts内电网电流iLf等于iavg。因此，通过控制与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir就可以有效控制电网电流iLf。当输入电压或负载变化时，通过调节基准电压ir来改变占空比D，便可实现并网逆变器的输出电流(输出功率)的稳定与调节，这正是并网逆变器的一个基本要求。由于调制电流反馈信号imf在一个Ts内可以看成近似恒定，则

[0039]

[0040]

[0041]

[0042]

[0043] 由(4)可得，

[0044]

[0045] 式(5)表明，1-D仅与 成正比、不与误差电流|ir-imf|成正比，故该控制策略称为非线性脉宽调制控制策略。单相电流源并网逆变器的输出电压Un与输入直流电压Ui、占空比D之间的关系为Un＝Ui/(1-D)。由于0＜D＜1，所以UnUo＞Ui，即输出直流电压Un总是高于输入直流电压Ui，故将这种变换器称为升压型并网逆变器。

[0046] 该非线性PWM控制装置原理框图中，RS触发器的复位端和置位端既可以是高电平有效、也可以是低电平有效，比较电路和过零比较电路既可以是同相输入、也可以是反相输入，组合逻辑电路的形式更是多种多样。RS触发器的复位端和置位端的有效电平状态、比较电路和过零比较电路的输入相位状态、组合逻辑电路的具体形式应能满足单相电流源并网逆变器正常工作所需要的逻辑电平关系，即要满足图8所示逆变器上、下桥臂分别工作在低频、高频开关和图9所示逆变器左、右桥臂均工作在半周低频、半周高频开关的两种典型的非线性PWM控制装置原理波形。

[0047] 高频逆变器将储能电感L中的高频脉动正弦半波直流电流iL逆变成单极性两态的调制电流im，经输出滤波电容Cf、输出滤波电感Lf后得到高质量的电网电流波形iLf。这种电流型并网逆变器只能从输入电源向负载传递能量，而不能出现负载向输入电源回馈能量。

[0048] 本发明的单相电流源并网逆变器非线性脉宽调制控制装置，是通过反馈并实时积分调制电流im、与基准正弦电流ir比较、再通过RS触发器生成PWM信号，与通过反馈电网电流iLf与基准正弦电流ir比较、经比例积分放大电路再与载波进行交截生成PWM信号的传统线性脉宽调制控制装置存在重要的区别。因此，本发明所述控制装置具有创造性，具有电网电流谐波小、控制电路简洁、动态相应速度快以及系统变换效率高(意味着能量损耗小)、功率密度高(意味着体积、重量小)、负载过载和短路时可靠性高、成本低、应用前景广泛等优点，在大力倡导建设节能型、节约型和环保型社会的今天更具有重要价值。

[0049] 单相电流源并网逆变器非线性脉宽调制控制装置电路框图和电路实施例，如图10、11、12、13、14、15所示。图10、11分别为上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效的控制装置电路框图和控制装置电路。图10所示控制装置电路框图中，调制电流平均值绝对值信号|iavg|和与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流的绝对值信号|ir|，分别作为比较器的同相、反相输入信号；与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir和零电平信号，分别作为过零比较器的同相、反相输入信号；高频PWM信号ihf和恒频时钟信号ic，分别作为RS触发器的复位端R和置位端S；组合逻辑电路由两个非门和一个异或门电路构成，RS触发器的输出端Q和极性选通信号isy作为组合逻辑电路的两个输入信号。图11所示控制装置电路图中，积分电路由电阻R1、R2、电容C1、高频复位开关S和运放IC1构成，绝对值电路I由电阻R3、R4、R5、R9、R10、二极管D1、D2、D3、D4和运放IC2、IC3构成，绝对值电路II由电阻R6、R7、R8、R11、R12、二极管D5、D6、D7、D8和运放IC4、IC5构成，IC6为比较器电路，IC7为输入端高电平有效的RS触发器，IC8为过零比较器电路，组合逻辑电路由非门IC9、IC11和异或门IC10构成。

[0050] 图12、13分别为上、下桥臂分别为低频、高频开关且RS触发器的置位端和复位端为低电平有效的控制装置电路框图和控制电路。图12所示控制装置电路框图中，调制电流平均值绝对值信号|iavg|和与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流的绝对值信号|ir|，分别作为比较器的反相、同相输入信号；与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir和零电平信号，分别作为过零比较器的同相、反相输入信号；高频PWM信号ihf和恒频时钟信号ic，分别作为RS触发器的复位端 和置位端 ；组合逻辑电路由两个非门和一个异或

[0051] 门电路构成，RS触发器的输出端Q和极性选通信号isy作为组合逻辑电路的两个输入信号。

[0052] 图13所示控制装置电路图中，积分电路由电阻R1、R2、电容C1、高频复位开关S和运放IC1构成，绝对值电路I由电阻R3、R4、R5、R9、R10、二极管D1、D2、D3、D4和运放IC2、IC3构成，绝对值电路II由电阻R6、R7、R8、R11、R12、二极管D5、D6、D7、D8和运放IC4、IC5构成，IC6为比较器电路，IC7为输入端低电平有效的RS触发器，IC8为过零比较器电路，组合逻辑电路由非门IC9、IC11和异或门IC10构成。

[0053] 图14、15分别为左、右桥臂均为半周低频、半周高频开关且RS触发器的置位端和复位端为高电平有效的控制装置电路框图和控制电路。图14所示控制装置电路框图中，调制电流平均值绝对值信号|iavg|和与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流的绝对值信号|ir|，分别作为比较器的同相、反相输入信号；与电网电压有固定相位关系的基准正弦电流信号ir和零电平信号，分别作为过零比较器的同相、反相输入信号；高频PWM信号ihf和恒频时钟信号ic，分别作为RS触发器的复位端R和置位端S；组合逻辑电路由四个非门和两个或门电路构成，RS触发器的输出端Q、和极性选通信号isy作为组合逻辑电路的三个输入信号。图15所示控制装置电路图中，积分电路由电阻R1、R2、电容C1、高频复位开关S和运放IC1构成，绝对值电路I由电阻R3、R4、R5、R9、R10、二极管D1、D2、D3、D4和运放IC2、IC3构成，绝对值电路II由电阻R6、R7、R8、R11、R12、二极管D5、D6、D7、D8和运放IC4、IC5构成，IC6为比较器电路，IC7为输入端高电平有效的RS触发器，IC8为过零比较器电路，组合逻辑电路由非门IC9、IC10、IC12、IC14和或门IC11、IC13构成。

[0054] 非线性脉宽调制控制单相电流型并网逆变器，适用于将不稳定的直流电压变换成所需大小、稳定、高质量的并网电流，具有单级功率变换、变换效率高、并网电流谐波小、动态响应快、负载过载时可靠性高、成本低等优点，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的可再生能源供电系统中的并网逆变器，如光伏电池40-60VDC/220V50HzAC、10kw质子交换膜燃料电池85-120V/220V50HzAC、中小型户用风力发电24-36-48VDC/220V50HzAC等。