一种单相五电平并网逆变器及有源功率解耦控制策略

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种单相五电平并网逆变器及功率解耦控制策略。


背景技术：

2.随着发展光伏，风能，储能等新能源发电经成为全社会关注的热点。逆变器作为光伏、储能及风力发电系统的重要组成部分，对新能源的高效利用和可靠转换起着至关重要的作用。
3.随着电力电子技术的发展，逆变器朝着高效化、高功率密度化方向发展。相比较于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有电压应力小、并网电流谐波低及滤波电感小等优点，因此被广泛应用于光伏发电、车网(v2g)等逆变场合。然而传统的多电平逆变器(如中点钳位型、飞跨电容型、级联h桥型多电平逆变器)，需要大量元器件的同时且不具备升压功能。
4.专利文献cn 109742966 a公开了一种基于开关电容的单相并网十五电平逆变器拓扑结构，该拓扑结构利用三个电容、两个反向阻断开关管、四个双向开关管和八个单向开关管组成单相并网十五电平逆变器拓扑结构，将直流电源的负极直接接到电网中性点，获得稳定的共模电压从而减少漏电流的输出，利用本拓扑结构，通过改变不同反向阻断开关管、双向开关管和单向开关管的开关状态从而实现输出端多电平输出电压波形的特性。
5.专利文献cn108141147a公开了一种高电压增益的五电平逆变器拓扑电路，该拓扑电路包括换流桥臂、逆变电路和控制器。逆变电路的正输入端口连接多电平逆变器的正输入端口，逆变电路的负输入端口连接多电平逆变器的负输入端口，逆变电路的输出端连接多电平逆变器的正输出端口。换流桥臂包括上半桥臂和下半桥臂，桥臂中点连接多电平逆变器的负输出端口。
6.此外，在单相逆变器系统中，系统固有的二倍频功率脉动将影响并网电流电能质量。为了缓存二倍频功率脉动，通常需要在直流母线侧并入较大的电解电容或额外加入有源解耦电路，但该方式会增加系统成本，同时降低了系统效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了实现逆变器多电平输出及升压功能，同时降低系统的成本以及提高其可靠性。
8.为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种单相五电平并网逆变器及其有源功率解耦控制策略，具体技术方案如下：
9.第一方面，本发明实施例提供了一种单相五电平并网逆变器，其拓扑包括输入直流源、第一半桥升压电路、母线电容、第二半桥电路、h桥电路及滤波电路。
10.h桥电路包括第一半桥换向电路和第二半桥换向电路，所述第一半桥换向电路包括第一上桥臂开关管和第一下桥臂开关管，所述第一半桥换向电路的中点与所述滤波电路
一端相连，所述滤波电路的另一端与电网正极相连。
11.所述第二半桥换向电路包括第二上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，所述第二半桥换向电路的中点与电网的负极相连。
12.所述第一半桥升压电路包括第三上桥臂开关管和第三下桥臂开关管，所述第三上桥臂开关管的集电极与母线电容正极相连，第三上桥臂开关管的射极与所述第三下桥臂开关管的集电极相连，所述第三下桥臂开关管集电极的连接点为第一半桥升压电路的中点，同时中点与直流滤波电感一端相连，所述直流滤波电感的另一端与输入直流源正极相连；第三下桥臂开关管的射极与母线电容的负极及输入直流源负极相连。
13.第二半桥电路包括第四上桥臂开关管和第四下桥臂开关管，所述第四上桥臂开关管集电极与第三上桥臂开关管集电极及母线电容正极相连，第四上桥臂开关管射极与第四下桥臂开关管的集电极相连，所述第四下桥臂开关管集电极的连接点为第二半桥电路的中点，同时中点与h桥上端相连；第四下桥臂开关管的射极与输入直流源正极相连。
14.该单相五电平逆变器拓扑在一个工频周期内可输出五种电平，具体为：
15.当导通第一上桥臂开关管，第二上桥臂开关管或导通第一下桥臂开关管，第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为0。
16.当导通第四下桥臂开关管，第一上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为直流输入电压。
17.当导通第四上桥臂开关管，第一上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为母线电压。
18.当导通第四下桥臂开关管，第一下桥臂开关管和第二上桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为负直流输入电压。
19.当导通第四上桥臂开关管，第一下桥臂开关管和第二上桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为负母线电压。
20.第二方面，本发明实施例提供了一种有源功率解耦控制策略，应用于第一方面所述的单相五电平并网逆变器，控制方法为：
21.由第二半桥电路和h桥电路共同完成的逆变功能，以及由第一半桥升压电路及输入滤波电感完成的升压及有源功率解耦功能。
22.其中，所述逆变功能的控制实现步骤如下：
23.步骤11、设置母线电容的参考电压为恒定，将所述参考电压与经过二倍频陷波器处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值。
24.步骤12、电流参考幅值与锁相环锁出角度的余弦值相乘得到电流环参考，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器。
25.步骤13、电流环控制器输出为调制波，将调制波与层叠载波或移相载波比较后生成脉宽调制波，来驱动第二半桥电路和h桥电路中各桥臂开关管执行开关动作。
26.其中，所述升压及有源功率解耦功能的控制实现步骤如下：
27.步骤21、设置第一半桥升压电路输入侧的参考电压，将所述参考电压与反馈电压作差后送入电压环控制器，并基于所述电压环控制器的输出为电流环参考。
28.步骤22、将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器，电流环控制器输出为
射极与第四下桥臂开关管s8的集电极相连，该第四下桥臂开关管s7集电极的连接点为第二半桥电路2的中点，同时中点与h桥上端相连，第四下桥臂开关管s8的射极与输入直流源c
in
正极相连。
48.滤波电路4可选用l型滤波器，lc或lcl型滤波器。
49.需要说明的是，所有开关管均由带反并联二极管的开关管组成。
50.如图2所示，为本实施例提供的单相五电平逆变器的调制波形图。
51.如图3所示，为本实施例提供的单相五电平逆变器的工作原理图：
52.如图3中的(a)和(b)所示，当第一上桥臂开关管s1，第二上桥臂开关管s3导通或第一下桥臂开关管s2，第二下桥臂开关管s4导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为0电平。如图3图中的(c)所示，当第四下桥臂开关管s8，第一上桥臂开关管s1和第二下桥臂开关管s4导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为v
in
。如图3图中(d)所示，当第四下桥臂开关管s8，第一下桥臂开关管s2和第二上桥臂开关管s3导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为-v
in
。如图3图中(e)所示，当第四上桥臂开关管s7，第一上桥臂开关管s1和第二下桥臂开关管s4导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为v
dc
。如图3图中(f)所示，当第四上桥臂开关管s7，第一下桥臂开关管s2和第二上桥臂开关管s3导通，其他开关管均关断时，变换器输出电压为-v
dc
。
53.基于本实施例提供的单相五电平逆变器，本发明实施例提供了一种针对此电路的有源功率解耦控制策略，其控制结构示意图如图4所示。其中，系统的控制包含逆变部分和升压解耦电路部分。
54.逆变部分的控制实现步骤如下：
55.步骤11：设置母线电容电压参考恒定为v
dcref
，将母线电容参考电压与经过二倍频陷波器g
noth
(s)处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器g
iv
(s)，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值im；其中二倍频陷波器的传递函数为：
[0056][0057]
式中，ξ为带宽系数，ωn＝4πf0为基波角频率，f0为基波频率，s为频域算子。
[0058]
步骤12：电流参考幅值im与锁相环锁出角度的正弦值相乘得到电流环参考i
gref
，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器g
ii
(s)。
[0059]
步骤13：电流环控制器输出为调制波v
ref
，如图2所示，将调制波与移相载波或层叠载波v
cr
比较后生成pwm波，来驱动开关管s1，s2，s3，s4，s7和s8。
[0060]
需要强调的是，步骤11中电压环控制器可采用比例积分及滑模等控制器，步骤12中电流环控制器可采用比例谐振、重复控制、滑模控制、滞环控制等控制器，实现高电能质量的电流并网。
[0061]
升压及功率解耦部分的控制实现步骤如下：
[0062]
步骤21：设置输入直流源参考电压为v
inref
，将参考与反馈电压作差后送入电压环控制器g
bv
(s)，电压环控制器输出为电流环参考i
lref
。
[0063]
步骤22：将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器g
bi
(s)，电流环控制器输出为调制波vb。
[0064]
步骤23：如图2所示，将调制波与载波v
cr3
比较后生成pwm波来驱动开关管s5和s6。
[0065]
需要强调的是，步骤21和22中电压环控制器g
bv
(s)和电流环控制器g
bi
(s)需采用具有基频，2次，3次、5次、7次等谐波抑制能力的多谐振控制或重复控制或滑模控制等控制器来实现直流源输入侧与逆变输出侧的功率解耦。
[0066]
为了验证所提拓扑结构及解耦控制策略的优越性及有效性，搭建了图1中所示的单相五电平并网逆变器仿真平台，其中输入直流源为光伏电池，系统参数如下表1所示。
[0067]
表1系统参数
[0068][0069]
图5中的(a)为稳态下仿真波形图,图中可以看出输入电压中几乎不包含低频纹波且并网电流谐波畸变率低。
[0070]
图5中的(b)为光照突变时系统的动态仿真波形图，从图中可以看出系统具有良好的动态性能。从图5中可以看出，本发明所提逆变器具有升压和五电平输出的同时实现了良好的功率解耦，因此所提逆变器拓扑及解耦控制策略非常适合于光伏发电，v2g，交直流微电网等应用场合。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种单相五电平并网逆变器，其特征在于，所述单相五电平并网逆变器包括输入直流源、第一半桥升压电路、母线电容、第二半桥电路、h桥电路及滤波电路；h桥电路包括第一半桥换向电路和第二半桥换向电路，所述第一半桥换向电路包括第一上桥臂开关管和第一下桥臂开关管，所述第一半桥换向电路的中点与所述滤波电路一端相连，所述滤波电路的另一端与电网正极相连；所述第二半桥换向电路包括第二上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，所述第二半桥换向电路的中点与电网的负极相连；所述第一半桥升压电路包括第三上桥臂开关管和第三下桥臂开关管，所述第三上桥臂开关管的集电极与母线电容正极相连，第三上桥臂开关管的射极与所述第三下桥臂开关管的集电极相连，所述第三下桥臂开关管集电极的连接点为第一半桥升压电路的中点，同时中点与直流滤波电感一端相连，所述直流滤波电感的另一端与输入直流源正极相连；第三下桥臂开关管的射极与母线电容的负极及输入直流源负极相连；第二半桥电路包括第四上桥臂开关管和第四下桥臂开关管，所述第四上桥臂开关管集电极与第三上桥臂开关管集电极及母线电容正极相连，第四上桥臂开关管射极与第四下桥臂开关管的集电极相连，所述第四下桥臂开关管集电极的连接点为第二半桥电路的中点，同时中点与h桥上端相连；第四下桥臂开关管的射极与输入直流源正极相连。2.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，所述单相五电平并网逆变器中各桥臂开关管均为带反并联二极管的开关管。3.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，导通第一上桥臂开关管，第二上桥臂开关管或导通第一下桥臂开关管，第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为0。4.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，导通第四下桥臂开关管，第一上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为直流输入电压。5.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，导通第四上桥臂开关管，第一上桥臂开关管和第二下桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为母线电压。6.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，导通第四下桥臂开关管，第一下桥臂开关管和第二上桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为负直流输入电压。7.根据权利要求1所述的单相五电平并网逆变器，其特征在于，导通第四上桥臂开关管，第一下桥臂开关管和第二上桥臂开关管，同时其他开关管均关断，则单相五电平并网逆变器输出电压为负母线电压。8.一种针对所提单相五电平并网逆变器的有源功率解耦控制策略，其特征在于，采用权利要求1～7所述的单相五电平并网逆变器，所述有源功率解耦控制策略包括由第二半桥电路和h桥电路共同完成的逆变功能，以及由第一半桥升压电路及输入滤波电感完成的升压及有源功率解耦功能；所述逆变功能的控制实现步骤如下：步骤11、设置母线电容的参考电压为恒定，将所述参考电压与经过二倍频陷波器处理
后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压外环控制器，电压环控制器输出为电流内环参考的幅值；步骤12、电流参考幅值与锁相环锁出角度的余弦值相乘得到电流环参考，电流环参考与并网反馈电流作差后送入电流环控制器；步骤13、电流环控制器输出为调制波，将调制波与层叠载波或移相载波比较后生成脉宽调制波，来驱动第二半桥电路和h桥电路中各桥臂开关管执行开关动作；所述升压及有源功率解耦功能的控制实现步骤如下：步骤21、设置第一半桥升压电路输入侧的参考电压，将所述参考电压与反馈电压作差后送入电压环控制器，并基于所述电压环控制器的输出为电流环参考；步骤22、将电流参考与反馈电流作差后送入电流环控制器，电流环控制器输出为调制波；步骤23、将调制波与载波比较后生成脉宽调制波来驱动第三上桥臂开关管和第三下桥臂开关管执行开关动作。9.根据权利要求8所述的有源功率解耦控制策略，其特征在于，在步骤21和步骤22中的电压环和电流环控制器均采用具有谐波抑制能力的控制器，实现直流源输入侧与逆变输出侧的功率解耦；所述控制器包括多谐振控制器，重复控制器和滑模控制器。

技术总结
本发明公开了一种单相五电平并网逆变器，包括由输入直流源、第一半桥升压电路、母线电容、第二半桥电路、H桥逆变电路及滤波电路组成，其中第二半桥电路与H桥逆变电路组成五电平逆变电路，与电网相连实现并网；直流源与第一半桥升压电路及母线电容组成升压及解耦电路。本发明还提供了一种有源功率解耦控制策略。本发明通过设计逆变电路部分及升压电路部分的控制器，可自动实现所提五电平逆变器的功率解耦，所述五电平逆变器拓扑及控制策略在实现多电平输出及升压的同时，实现了有源功率解耦，从而可减小逆变器直流母线电容，提高系统的可靠性。的可靠性。的可靠性。


技术研发人员：郭斌 张欣 马皓 葛小海 金思聪
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/9/6