一种升压型并网逆变器及其控制方法

1.本发明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。


背景技术：

2.一些储能及并网装置，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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.实现本发明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cf、一个储能电感lf、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lf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cf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lf和储能电容cf；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。
6.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：
7.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；
8.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；
9.步骤3，基于零矢量控制策略，重新分配非零矢量作用时间；
10.步骤4，确定升压型并网逆变器的各开关管的导通时间；
11.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；
12.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。
13.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：
14.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；
15.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lf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lf通过上桥臂的通路给储能电容cf充电；
16.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；
17.根据开关函数，确定电网侧三相相电压，计算公式为：
18.式中ua、ub、uc为电网侧三相相电压，sa、sb、sc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)；
19.表1基本电压矢量表
[0020][0021]
表中uk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
6 (101)对应其六边形顶点，两个零矢量幅值为零，位于原点；
[0025]
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；
[0026]
表2 旋转电压矢量扇区分配原则
[0027][0028]
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；
[0029]
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；
[0030]
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；
[0031]
表3 各扇区基本矢量作用次序
[0032][0033]
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)。
[0034]
根据表4确定各扇区基本矢量的作用时间；
[0035]
表4六扇区基本矢量作用时间
[0036][0037]
表中ts为采样周期，u
dc
为逆变器直流输入电压，t
x
为非零矢量v
n1
作用时间，ty为非零矢量v
n2
作用时间。
[0038]
进一步的，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：
[0039]
将基本电压矢量u7(111)的矢量作用时间t
x
设定为零矢量u7(111)、u0(000)共同作用时间tz的最小值t
zmin
，表示为：
[0040][0041]
式中m为调制度，，v
*
为电压旋转电压矢量，u
dc
为逆变器侧直流电压；
[0042]
将除u7(111)外剩余的零矢量u0(000)作用时间设置为t
z-t
zmin
，非零矢量总作用时间不变，各扇区非零矢量u
n1
、u
n2
总作用时间仍为t
x
+ty，则不同扇区对应各矢量分配时间如表5所示；
[0043]
表5零矢量控制方法各矢量作用时间
[0044][0045]
表中t
1-t6对应电压矢量u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、u6(101)的作用时间；i扇区对应非零矢量总作用时间t1+t2=t
x
+ty,ii扇区对应非零矢量总作用时间t2+t3=t
x
+ty,iii扇区对应非零矢量总作用时间t3+t4=t
x
+ty,iv扇区对应非零矢量总作用时间t4+t5=t
x
+ty,v扇区对应非零矢量总作用时间t5+t6=t
x
+ty,vi扇区对应非零矢量总作用时间t1+t6=t
x
+ty。
[0046]
进一步的，步骤4，确定升压型并网逆变器的各开关管的导通时间，具体方法为：
[0047]
将同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间简称为开关管导通时间，根据表6确定不同扇区的开关管导通时间：
[0048]
表6不同扇区的开关管导通时间
[0049][0050]
表中，t
a =(t-t
x-t
y-t
x
)/2；t
b =(t-t
y-t
x
)/2；tc=(t
‑ꢀ
t
x
)/2；
[0051]
在一个开关周期内，同一桥臂的上桥臂两个功率开关管关断并且下桥臂两个功率开关管导通的时间与同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间互补。
[0052]
进一步的，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，具体方法为：
[0053]
采用pwm 技术，将开关管导通时间与周期为采样周期，幅值为采样周期的一半的等腰三角形波进行调制，结合基本矢量的作用顺序，即可得到6 路 pwm 脉冲，该脉冲信号分别作用于6路igbt功率开关管。
[0054]
进一步的，步骤6，根据输出的三相电流、电压进行升压逆变器并网控制，通过内环电流控制，外环功率控制，实现有功功率与无功功率的跟随控制，具体方法为：
[0055]
电网侧三相电压ua、ub、uc、电网侧三相电流ia、ib、ic，经clarke、park计算变换后，得到dq坐标系下的电流值和电压值id、iq、ud、uq；
[0056]
电流内环控制：将电流i
dq
分别与dq轴电流参考值i
d*
和i
q*
作差，输入内环电流pi调节器，输出dq轴电压参考值u
d*
和u
q*
，关系如下式所示：
[0057][0058]
式中k
ip
、k
ii
为电流内环比例调节增益和积分调节增益，本发明中设定k
ip
=25，k
ii
=100，d-q坐标系下电压参考值u
dq*
经过park逆变换得到α-β坐标系下电压参考值； l为负载电感值，ω为系统角频率，ω=2πf，其中并网系统为工频，f=50hz。
[0059]
功率外环控制：电流值和电压值id、iq、ud、uq经过下式计算得到有功功率p、无功功率q：
[0060][0061]
将电网电压的d轴分量通过锁相环固定到d-q坐标系的d轴上，此时q轴分量为0即uq=0，电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
与有功功率参考值p
*
和无功功率参考值q
*
为线性关系，关系如下式：
[0062][0063]
给定有功功率参考值p
*
和无功功率参考值q
*
，线性输出电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
，完成内环电流控制，外环功率控制。
[0064]
一种升压型并网逆变器的并网控制系统，实施所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，实现升压型并网逆变器的并网控制。
[0065]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）升压型并网逆变器拓扑为单级式升压拓扑，该拓扑仅利用两个无源元件，简化了传统升压逆变器的拓扑结构，降低了系统的尺寸、成本、重量以及复杂性。2）提出零矢量控制策略，该策略能在不改变低频分量前提下重新分配零矢量作用时间，由此通过给定所需升压比进行控制达到跟随升压控制目标。3）采用电流内环，功率外环的双闭环控制策略，控制升压逆变器的功率按照给定功率参考值跟随运行，实现与网侧能量双向流动的同时，输出三相电流总谐波含量满足并网要求。
附图说明
[0066]
图1为本发明的升压型并网逆变器拓扑。
[0067]
图2为本发明升压型并网逆变器的并网控制框图。
[0068]
图3(a)-图3(g)为电感充电时的电流流向示意图；图3(h)为电感放电时的电流流向示意图。
[0069]
图4为电压α、β两相静止坐标系中的基本空间电压矢量图。
[0070]
图5为放大两个周期后的svpwm的参考信号与调制信号的等效图。
[0071]
图6（a）为升压逆变器直流侧输入电压u
dc
的波形图，图6（b）为大升压比电压源输入电压u
in
与直流侧逆变器电压u
dc
的波形图。
[0072]
图7（a）、图7（b）为功率设定值与实际功率仿真图，黑色线条为有功功率设定值、无功功率设定值，灰色线条为实际功率值；图7（c）为直流侧电容电压uc；图7（d）为当无功功率不为0时，网侧相电压与网侧相电流。
[0073]
图8（a）为并网运行时网侧三相电流；图8（b）为网侧三相电流谐波分析；图8（c）为当有功功率p＞0，无功功率q=0时的a相网侧相电压与网侧相电流。
具体实施方式
[0074]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0075]
图1是升压型并网逆变器拓扑。d1、d2、d3为二极管；lf为储能电感；cf为储能电容；s1~s6为igbt功率开关管；u
in
是外部输入直流电源；u
dc
是直流侧逆变器电压；r为网侧负载电阻；l、c为网侧滤波器，直接连接电网。
[0076]
直流电源u
in
、电储能容cf、储能电感lf、三个二极管d1、d2、d3及六个功率开关管s1~s6的全桥式逆变器组成升压逆变器；电感lf一端通过三个二极管d1、d2、d3分别连接到a、b、c
三相中点处，另一端连接直流电源u
in
负极；电容cf的负极连接直流电源u
in
，正极连接桥式逆变器三相桥臂a相、b相、c相的上桥臂；直流电源u
in
负极连接三相桥臂a相、b相、c相的下桥臂。
[0077]
升压型并网逆变器运行时，满足电感磁通守恒定律和电容电荷守恒定律。
[0078]
如图2所示，升压型并网逆变器的并网控制方法，基于零矢量控制策略进行三相六开关svpwm调制，将直流电源u
dc
电压等级提升至逆变器侧直流电压uin所需的电压值，包括如下步骤：
[0079]
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；
[0080]
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；
[0081]
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lf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lf通过上桥臂的通路给储能电容cf充电。图3(a)-图3(g)为电感充电时的电流流向示意图；图3(h)为电感放电时的电流流向示意图。经由以上八种开关状态，在pwm的一个方波采样周期ts内储能电感lf的平均电压和储能电容cf的平均电流均为零。
[0082]
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；
[0083]
根据开关函数，确定负载侧三相相电压，计算公式为：
[0084]
式中ua、ub、uc为负载侧三相相电压，sa、sb、sc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)。
[0085]
表1基本电压矢量表
[0086][0087]
表中uk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。
[0088]
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；
[0089]
步骤2.1，对基本电压矢量进行六扇区划分，具体方法为：
[0090]
图4为电压α、β两相静止坐标系中的基本空间电压矢量图，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。
[0091]
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。
[0092]
表2 旋转电压矢量扇区分配原则
[0093][0094]
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。
[0095]
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；
[0096]
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。
[0097]
表3 各扇区基本矢量作用次序
[0098][0099]
从基本电压矢量中选择作用矢量，并确定对应的作用时间，具体方法为根据表4确定各扇区基本矢量的作用时间。
[0100]
表4六扇区基本矢量作用时间
[0101][0102]
表中ts为采样周期，u
dc
为逆变器直流输入电压，t
x
为非零矢量v
n1
作用时间，ty为非零矢量v
n2
作用时间；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)。
[0103]
步骤3，根据所需升压比和非零矢量作用时间，基于零矢量控制策略，重新分配非零矢量作用时间；
[0104]
升压比与零矢量作用时间的关系：
[0105][0106]
式中u
dc
为逆变器侧输入直流电压，u
in
为直流电源电压， t
x
为基本电压矢量u7(111)的矢量作用时间，即储能电感lf的放电时间。
[0107]
将t
x
设置为零矢量u
7 (111)、u0(000)共同作用时间tz的最小值(t
zmin
)，关系为：
[0108][0109]
式中m为调制度，，v
*
为三相电压旋转电压矢量，u
dc
为逆变器侧输入直流电压；
[0110]
将t
x
即电压矢量u
7 (111)的作用时间固定为t
zmin
，将剩余的零矢量u0(000)的作用时间修改为t
z-t
zmin
，非零矢量作用时间不变，根据六扇区划分方法，不同扇区对应各矢量分配时间如表5所示；
[0111]
表5 零矢量控制方法各矢量作用时间
[0112][0113]
表中t
1-t6对应电压矢量u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、u6(101)的作用时间； i 扇区对应非零矢量总作用时间t1+t2=t
x
+ty, ii 扇区对应非零矢量总作用时间t2+t3=t
x
+ty, iii 扇区对应非零矢量总作用时间t3+t4=t
x
+ty, iv 扇区对应非零矢量总作用时间t4+t5=t
x
+ty, v 扇区对应非零矢量总作用时间t5+t6=t
x
+ty, vi 扇区对应非零矢量总作用时间t1+t6=t
x
+ty。
[0114]
步骤4，确定升压型并网逆变器的各开关管的导通时间；
[0115]
a 相桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间计算公式为：
[0116]
t
a =(t-t
x-t
y-t
x
)/2；
[0117]
b 相桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间
计算公式为：
[0118]
tb=(t-t
y-t
x
)/2；
[0119]
c相桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间计算公式为：
[0120]
tc=(t-t
x
)/2；
[0121]
将同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间简称为开关管导通时间，根据表6确定不同扇区的开关管导通时间：
[0122]
表6不同扇区的开关管导通时间
[0123][0124]
在一个开关周期内，同一桥臂的上桥臂两个功率开关管关断并且下桥臂两个功率开关管导通的时间与同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间互补。
[0125]
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；
[0126]
采用pwm技术，将开关管导通时间与周期为采样周期，幅值为采样周期的一半的等腰三角形波进行调制，如图5所示。结合基本矢量的作用顺序，即可得到6路pwm脉冲，该脉冲信号分别作用于6路igbt功率开关管。
[0127]
步骤6，根据输出的三相电流、电压进行升压逆变器并网控制，通过内环电流控制，外环功率控制，实现有功功率与无功功率的跟随控制。
[0128]
图2是升压型并网逆变器并网控制框图。三相电网电压和电流ua、ub、uc、ia、ib、ic，经clarke、park计算变换后，得到dq坐标系下的电流值和电压值id、iq、ud、uq；
[0129]
电流内环控制：将电流i
dq
分别与dq轴电流参考值i
d*
和i
q*
作差，输入内环电流pi调节器，输出d-q坐标系下的电压参考值u
d*
和u
q*
，关系如下式所示：
[0130][0131]
式中k
ip
、k
ii
为电流内环比例调节增益和积分调节增益，发明中设定k
ip
=25，k
ii
=100，d-q坐标系下电压参考值u
dq*
经过park逆变换得到α-β坐标系下电压参考值；l为负载电感值，ω为系统角频率，ω=2πf，其中并网系统为工频，f=50hz。
[0132]
功率外环控制：电流值和电压值id、iq、ud、uq经过下式计算得到有功功率p、无功功率q：
[0133][0134]
将电网电压的d轴分量通过锁相环(pll)固定到d-q旋转坐标系的d轴上，此时q轴分量为0即uq=0，电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
与有功功率参考值p
*
和无功功率参考值q
*
为线性关系，关系如下式：
[0135][0136]
给定有功功率参考值p
*
和无功功率参考值q
*
，线性输出电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
，完成内环电流控制，外环功率控制。
[0137]
综上所述，本发明的升压型并网逆变器的电能传输是双向的，当设定有功功率参考值p*＞0时，升压型并网逆变器工作于整流模式，电能从电网注入逆变器直流侧，当p*＜0时，升压逆变器工作于逆变模式，电能从直流侧注入电网，该有功控制算法配合升压逆变器拓扑可以实现两种工作模式下的自动切换，而无需任何额外的测量，即可以实现与电网能量交互的双向流动。
[0138]
无功功率设定值跟随控制的作用是，当电网调度要求发电系统向电网输送可控的无功功率，用以支撑电网电压时，可以设定无功功率值q
*
＞0，当无需无功功率输送时，设定无功功率值q
*
=0。
[0139]
此外，本发明设计的升压型并网逆变器硬件拓扑以及控制算法能实现跟随升压控制，且该方法可以达到高电能质量与低谐波电流的并网运行。
[0140]
实施例
[0141]
为了验证本发明方案的有效性，实施例对升压型并网逆变器及其控制方法进行了仿真验证。
[0142]
图6（a）为逆变器直流侧输入电压u
dc
的波形图，直流电源输入电压u
in
设置为125v，u
dc
参考值设定为128v，1s后u
dc
参考值设定为256v，通过零矢量控制方法，u
dc
实际值波形稳定后跟随u
dc
参考值变化，且波形较为稳定，达到升压跟随控制目标。图6（b）为电压源输入电压u
in
与直流侧逆变器电压u
dc
，从图中可以看出，直流电源输入电压u
in
设定为55v，经过升压拓扑升压后，直流侧逆变器电压u
dc
为750v，验证该逆变器可以达到13.6倍以上的较大升压比。
[0143]
图7（a）、图7（b）为功率设定值与实际功率仿真图，黑色线条为有功功率设定值、无功功率设定值，灰色线条为实际功率值。图7（a）可以看出有功功率设定值为500w，0.5s之后阶跃变化为1000w，此时电能从电网注入逆变器直流侧，逆变器工作于整流模式，无功功率设定值为0var，1s之后阶跃变化为500var，搭建的升压逆变器仿真能有效跟随给定有功功率和无功功率的变化，输出实际功率值跟随给定值变化。图7（b）有功功率设定值为-500w，无功功率设定值为0var，此时电能从直流侧注入电网，逆变器工作于逆变模式，输出实际功
率值跟随给定值变化。图7（c）为直流侧电容电压uc，可以看出在功率跟随过程中，电容电压稳定；图7（d）为当无功功率不为0时，网侧相电压与网侧相电流，可以看出有相位差，系统无功控制稳定，从而验证本发明的控制算法可以同时实现有功功率、无功功率分别跟随控制，系统较为稳定。
[0144]
图8（a）为并网运行时网侧三相电流；图8（b）为网侧三相电流谐波分析；图8（c）为当有功功率p＞0，无功功率q=0时的a相网侧相电压与网侧相电流。通过图8（a）和图8（b）可以验证，双闭环并网控制效果良好，网侧三相电流谐波（thd）含量低于5%，达到并网谐波含量要求；图8（c）验证了并网相电压与相电流同相位，达到并网相位要求。
[0145]
从结果可以看出，本发明提出的升压逆变器拓扑结合零矢量算法能实现升压比跟随控制，并达到以较高升压比进行升压，输出电压连续。经过并网双闭环控制环后，可以实现稳定的功率跟随控制，此时通过功率设定值验证了拓扑与电网的能量是双向流动的，拓扑实现整流器和逆变器两种工作模式。且输出三相电流及电压波形较稳定，谐波含量少，达到并网要求，能够实现高电能质量的并网运行，增强了系统的可靠性。
[0146]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0147]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
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：将基本电压矢量u7(111)的矢量作用时间t
x
设定为零矢量u7(111)、u0(000)共同作用时间t
z
的最小值t
zmin
，表示为：；式中m为调制度，，v
*
为三相电压旋转电压矢量，u
dc
为逆变器侧输入直流电压；将除u7(111)外剩余的零矢量u0(000)作用时间设定为t
z-t
zmin
，零矢量控制策略前后非零矢量总作用时间不变，各扇区非零矢量u
n1
、u
n2
总作用时间仍为t
x
+t
y
，则不同扇区对应各矢量分配时间如表5所示；表5零矢量控制方法各矢量作用时间表中t
1-t6对应电压矢量u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)、u6(101)的作用时间；i扇区对应非零矢量总作用时间t1+t2=t
x
+t
y
,ii扇区对应非零矢量总作用时间t2+t3=t
x
+t
y
,iii扇区对应非零矢量总作用时间t3+t4=t
x
+t
y
,iv扇区对应非零矢量总作用时间t4+t5=t
x
+t
y
,v扇区对应非零矢量总作用时间t5+t6=t
x
+t
y
,vi扇区对应非零矢量总作用时间t1+t6=t
x
+t
y
。6.根据权利要求5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4，确定升压型逆变器的各开关管的导通时间，具体方法为：将同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间简称为开关管导通时间，根据表6确定不同扇区的开关管导通时间：表6不同扇区的开关管导通时间
表中，t
a =(t-t
x-t
y-t
x
)/2；t
b =(t-t
y-t
x
)/2；t
c
=(t
‑ꢀ
t
x
)/2；在一个开关周期内，同一桥臂的上桥臂两个功率开关管关断并且下桥臂两个功率开关管导通的时间与同一桥臂的上桥臂两个功率开关管导通并且下桥臂两个功率开关管关断的时间互补。7.根据权利要求6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，具体方法为：采用 pwm 技术，将开关管导通时间与周期为采样周期，幅值为采样周期的一半的等腰三角形波进行调制，结合基本矢量的作用顺序，即可得到6 路 pwm 脉冲，该脉冲信号分别作用于6路igbt功率开关管。8.根据权利要求7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6，根据输出的三相电流、电压进行升压并网逆变器的并网控制，通过内环电流控制，外环功率控制，实现有功功率与无功功率的跟随控制，具体方法为：电网侧三相电压u
a
、u
b
、u
c
、电网侧三相电流i
a
、i
b
、i
c
，经clarke、park计算变换后，得到d-q坐标系下的电流值和电压值i
d
、i
q
、u
d
、u
q
；电流内环控制：将电流i
d
、i
q
分别与d-q坐标系下的电流参考值i
d*
和i
q*
作差，输入电流内环pi调节器，输出d-q坐标系下的电压参考值u
d*
和u
q*
，关系如下式所示：；式中k
ip
、k
ii
为电流内环比例调节增益和积分调节增益，本发明中设定k
ip
=25，k
ii
=100，d-q轴电压参考值u
dq*
经过park逆变换得到α-β坐标系下电压参考值，l为负载电感值，ω为系统角频率，ω=2πf，其中并网系统为工频，f=50hz；功率外环控制：电流值和电压值i
d
、i
q
、u
d
、u
q
经过下式计算得到有功功率p、无功功率q：；将电网电压的d轴分量通过锁相环(pll)固定到d-q坐标系的d轴上，此时电网电压的q轴分量为0即u
q
=0；电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
分别与有功功率参考值p
*
、无功功率参考值
q
*
呈线性关系，关系如下式：；给定有功功率参考值p
*
和无功功率参考值q
*
，线性输出电流内环的参考电流i
d*
和i
q*
，完成内环电流控制，外环功率控制。9.一种升压型并网逆变器的并网控制系统，其特征在于，实施权利要求2-8任一项所述的升压型并网逆变器的并网控制方法，实现升压型并网逆变器的并网控制。

技术总结
本发明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


技术研发人员：冯延晖 丁书凝 邱颖宁
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/8/24