具有容错控制的O-Z源并网逆变器

具有容错控制的o-z源并网逆变器
技术领域
1.本发明涉及一种并网逆变器，具体涉及一种具有容错控制的o-z源并网逆变器。


背景技术：

2.由于人类活动对能源的需求量不断增长以及日益的开采已导致地下存储的化石能源即将走向枯竭。同时,传统能源利用过程产生的温室气体及有害气体所引起的一系列的环境问题也越来越严重。因此,寻找资源丰富的清洁绿色能源是各国面临的重大问题,能源的储量与否直接关系着未来国家能否继续实现快速的发展。目前逐步进入人们视野的太阳能资源丰富并且使用过程无污染,得到了各国能源研究者的青睐。太阳能要实现大规模的使用必须将其转换为电能,因此实现太阳能利用的基本的也是主要的形式就是光伏发电。而逆变器是使光伏输出电能获得大范围使用的关键器件。
3.典型的光伏发电系统的功率调整系统分为单级控制结构和两级控制结构，由于光伏电池最大功率点电压随着环境变化波动较大，单级逆变器无直流升压环节，为了能够满足各最大功率点电压时的并网要求，逆变器直流母线电压需要跟踪光伏电池最大功率点电压在较大范围内波动，导致逆变器的功率容量较大，而两级逆变器会导致功率级数增多，总效率下降，且硬件电路较多，可靠性较差，总成本较高。
4.z源逆变器的出现为光伏并网系统提供了一种新的解决方案，它综合了单级电路和级联boost电路的优点，不仅具有升压功能，且增加了逆变器的可靠性，同时z源逆变器从本质上讲是单级系统，具有单级逆变器的结构简单、效率高等优点。从而得到业界的重视。在光伏并网发电系统中采用z源型逆变器代替传统的电压源型逆变器可以充分适应光伏阵列输出电压大范围波动的特点。采用z源型逆变器的光伏并网发电系统在太阳能电池输出电压出现阶跃激增或突降时系统能保持良好的鲁棒性，并网电流谐波小，满足光伏并网发电的要求。
5.然而z源逆变器也存在着发生短路故障或开路故障的可能，从而对逆变的可靠性和效率产生了较大的影响。现有的z源逆变器的容错控制技术还未能高效可靠地实现z源逆变器发生故障后输出正常的三相电流。


技术实现要素：

6.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有容错控制的o-z源并网逆变器。
7.本发明提供了一种具有容错控制的o-z源并网逆变器，具有这样的特征，包括：逆变桥模块，包括三个并联的桥臂、两个电容和三个连接开关，两个电容串联作为串联电容并与三个桥臂并联，三个连接开关的一端均与串联电容的中点相连接，三个连接开关的另一端分别与三个桥臂的输出端相连接，桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂与下桥臂串联，上桥臂包括一个反并联续流二极管的igbt和一个与igbt串联的快速熔断器，下桥臂包括另一个反并联续流二极管的igbt和另一个与igbt串联的快速熔断器；信号采集模块，包括三个电
压传感器，三个电压传感器分别与三个桥臂的输出端相连，分别采集三个桥臂的输出电压；容错控制模块，根据各个输出电压计算对应的预测输出电流，根据各个预测输出电流计算代价函数，输出控制各个桥臂的igbt导通或关断的控制信号，控制igbt导通或关断，其中，正常工作时，三个连接开关所在线路的电流接近于0，使得三个连接开关为关断状态，当单个桥臂发生短路故障时，桥臂中电流通过的快速熔断器熔断使得桥臂断开，桥臂对应的连接开关所在的线路中电流增大，使连接开关导通，使电流通过线路流向发生短路故障的桥臂的输出端，容错控制模块根据未发生故障的两个桥臂的输出电压，控制两个桥臂的四个igbt导通或关断，从而输出正常三相电流，当单个桥臂发生断路故障时，桥臂对应的连接开关所在的线路中电流增大，使连接开关导通，使电流通过线路流向发生断路故障的桥臂的输出端，容错控制模块根据未发生故障的两个桥臂的输出电压，控制两个桥臂的四个igbt导通或关断，从而输出正常三相电流。
8.在本发明提供的具有容错控制的o-z源并网逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，连接开关为双向晶闸管或双向二极管。
9.在本发明提供的具有容错控制的o-z源并网逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，逆变桥模块的输出端与滤波模块相连，滤波模块包括三个电感和三个电容，三个电感的一端分别与三个桥臂的输出端相连接，三个电感的另一端分别与三个电容的一端相连接，三个电容的另一端为星形连接。
10.在本发明提供的具有容错控制的o-z源并网逆变器中，还可以具有这样的特征：其中，逆变桥模块的输入端与o-z源网络和电网相连，
11.电网，作为电源，包括正极和负极；
12.o-z源网络包括耦合电感线圈、电力二极管、储能电容、激磁电感和整流电感，
13.电网的正极与电力二极管的阳极相连，电力二极管的阴极与耦合电感线圈的n1侧线圈的同名端相连，n1侧线圈的异名端与整流电感的一端相连，整流电感的另一端与串联电容的一端相连，串联电容的另一端与电网的阴极相连，储能电容的阳极与电网的正极相连，储能电容的阴极与耦合电感线圈的n2侧线圈的同名端相连，n2侧线圈的异名端与整流电感的一端相连，激磁电感与n2侧线圈并联。
14.发明的作用与效果
15.根据本发明所涉及的具有容错控制的o-z源并网逆变器，因为通过桥臂串联快速熔断器，将桥臂的短路问题转化为断路问题，利用连接开关变更电流通过断路故障桥臂的路径，再通过容错控制模块控制正常工作的桥臂的igbt导通与关断，从而实现输出正常的三相交流电。所以本发明的具有容错控制的o-z源并网逆变器能够提高o-z源并网逆变器的可靠性。
附图说明
16.图1是本发明的实施例中具有容错控制的o-z源并网逆变电路的拓扑示意图；
17.图2是本发明的实施例中具有容错控制的o-z源并网逆变器的框架示意图；
18.图3是本发明的实施例中单个桥臂断路时的替代电路的示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明具有容错控制的o-z源并网逆变器作具体阐述。
20.图1是本发明的实施例中具有容错控制的o-z源并网逆变电路的拓扑示意图。
21.如图1所示，本发明的实施例中具有容错控制的o-z源并网逆变电路，包括电网v
in
、o-z源并网逆变器10、o-z源网络20、滤波模块30和并网模块ug。
22.图2是本发明的实施例中o-z源并网逆变器的框架示意图。
23.如图2所示，o-z源并网逆变器10，包括：逆变桥模块101、信号采集模块102、容错控制模块103。
24.逆变桥模块101，包括三个并联的桥臂a、b、c，两个电容c2、c3，以及三个连接开关tr1、tr2、tr3，电容c2和电容c3串联作为串联电容并与三个桥臂a、b、c并联，三个连接开关tr1、tr2、tr3的一端均与串联电容的中点即电容c2和电容c3串联的中点相连接，三个连接开关tr1、tr2、tr3的另一端分别与三个桥臂a、b、c的输出端相连接。连接开关tr1的另一端与桥臂a的输出端相连接，连接开关tr2的另一端与桥臂b的输出端相连接，连接开关tr3的另一端与桥臂c的输出端相连接。
25.桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂与下桥臂串联，上桥臂包括一个反并联续流二极管的igbt和一个与igbt串联的快速熔断器，下桥臂包括另一个反并联续流二极管的igbt和另一个与igbt串联的快速熔断器。
26.本实施例中，桥臂a包括反并联续流二极管的igbt器件v1、反并联续流二极管的igbt器件v2、快速熔断器f1和快速熔断器f2，反并联续流二极管的igbt器件v1和快速熔断器f1串联构成桥臂a的上桥臂，反并联续流二极管的igbt器件v2和快速熔断器f2串联构成桥臂a的下桥臂，桥臂a的上桥臂和桥臂a的下桥臂串联构成桥臂a。
27.桥臂b包括反并联续流二极管的igbt器件v3、反并联续流二极管的igbt器件v4、快速熔断器f3和快速熔断器f4，反并联续流二极管的igbt器件v3和快速熔断器f3串联构成桥臂b的上桥臂，反并联续流二极管的igbt器件v4和快速熔断器f4串联构成桥臂b的下桥臂，桥臂b的上桥臂和桥臂b的下桥臂串联构成桥臂b。
28.桥臂c包括反并联续流二极管的igbt器件v5、反并联续流二极管的igbt器件v6、快速熔断器f5和快速熔断器f6，反并联续流二极管的igbt器件v5和快速熔断器f5串联构成桥臂c的上桥臂，反并联续流二极管的igbt器件v6和快速熔断器f6串联构成桥臂c的下桥臂，桥臂c的上桥臂和桥臂c的下桥臂串联构成桥臂c。
29.信号采集模块102，包括三个电压传感器，三个电压传感器分别与三个桥臂a、b、c的输出端相连，分别采集三个桥臂a、b、c的输出电压。
30.容错控制模块103，根据各个输出电压计算对应的预测输出电流，根据各个预测输出电流计算代价函数，输出控制各个桥臂的igbt导通或关断的控制信号，控制igbt导通或关断。
31.o-z源网络20包括耦合电感线圈t1、电力二极管k1、储能电容c1、激磁电感lm和整流电感l1。
32.电网v
in
的正极与电力二极管k1的阳极相连，电力二极管k1的阴极与耦合电感线圈t1的n1侧线圈的同名端相连，n1侧线圈的异名端与整流电感l1的一端相连，整流电感l1的
另一端为o-z源网络20的一个输出端，储能电容c1的阳极与电网v
in
的正极相连，储能电容c1的阴极与耦合电感线圈t1的n2侧线圈的同名端相连，n2侧线圈的异名端与整流电感l1的一端相连，激磁电感lm与n2侧线圈并联。激磁电感lm与耦合电感线圈t1的并联等效为变压器，激磁电感lm的电感量等于n2侧线圈自感。
33.滤波模块30包括三个电感l2、l3、l4和三个电容c4、c5、c6，电感l2的一端与桥臂a的输出端相连接，电感l3的一端与桥臂b的输出端相连接，电感l4的一端与桥臂c的输出端相连接，电容c4的一端与电感l2的另一端相连，电容c5的一端与电感l3的另一端相连，电容c6的一端与电感l4的另一端相连，电容c4、c5、c6的另一端为星形连接。每个电感与对应连接的电容组成一个滤波器，o-z源并网逆变器10输出的三相电流分别经过对应的滤波器滤波，输出至并网模块ug的u、v、w三相。
34.正常工作时，三个连接开关tr1、tr2、tr3所在线路的电流接近于0，使得三个连接开关tr1、tr2、tr3为关断状态，使三个连接开关tr1、tr2、tr3所在线路为断路状态。
35.当耦合电感线圈t1在o-z源并网逆变器10一侧短路时，将提高电压并超过电网v
in
的电压，使电力二极管k1关断，从而保护电路，同时储能电容c1吸收电能，并在o-z源并网逆变器10一侧工作时释放电能。
36.当o-z源并网逆变器10同一桥臂的上下igbt器件同时导通时，o-z源并网逆变器10工作于直通零矢量状态，此时输出零电平。同时，变压器承受正电压，其压差叠加电容c1的电压会向电力二极管k1施加反压并使其关断，电网v
in
向电容c1和激磁电感lm充电，为母线升压蓄能，此时igbt器件v1、v2、v3、v4、v5、v6全部导通，连接开关tr1、tr2、tr3均为关断状态，电路保持直通，无论是否有故障，都将正常工作。
37.当o-z源并网逆变器10工作于非直通零矢量状态或非零矢量即有效矢量的状态时，激磁电感lm将承受反压实现复位，变压器也因此承受反压，此时o-z源网络20随电力二极管k1导通而闭合，母线电压也因电网v
in
电压与n1侧线圈的电压叠加而升压。
38.当单个桥臂发生短路故障时，桥臂中电流通过的快速熔断器熔断使得桥臂断开，桥臂对应的连接开关所在的线路中电流增大，使连接开关导通，使电流通过线路流向发生短路故障的桥臂的输出端，容错控制模块103根据未发生故障的两个桥臂的输出电压，控制这两个桥臂的四个igbt导通或关断，从而输出正常三相电流。
39.当单个桥臂发生断路故障时，桥臂对应的连接开关所在的线路中电流增大，使连接开关导通，使电流通过线路流向发生断路故障的桥臂的输出端，容错控制模块103根据未发生故障的两个桥臂的输出电压，控制这两个桥臂的四个igbt导通或关断，从而输出正常三相电流。
40.图3是本发明的实施例中单个桥臂断路时的替代电路的示意图。
41.如图3所示，当桥臂a的工作中的igbt器件v1发生短路故障时，经过快速熔断器f1的电流增大，使快速熔断器f1断开，使桥臂a进入断路状态，则桥臂a对应的连接开关tr1所在的线路中电流增大，使连接开关tr1导通，使原本通过桥臂a的电流通过连接开关tr1所在的线路流向电感l2，从而使电容c2和电容c3串联的支路替代发生短路故障的桥臂a。容错控制模块103根据信号采集模块102采集的桥臂b和桥臂c的输出电压，分别计算两个输出电压对应的预测输出电流，根据两个预测输出电流计算代价函数，结合桥臂b和桥臂c在四个igbt器件v3、v4、v5、v6不同导通或关断状态下的输出电压，得到代价函数最小时的igbt器
件v3、v4、v5、v6的导通和关断顺序，根据顺序依次输出控制桥臂b和桥臂c中的igbt器件v3、v4、v5和v6的控制信号，通过控制igbt器件v3、v4、v5和v6的导通或关断，使o-z源并网逆变器10输出正常的三相交流电。
42.实施例的作用与效果
43.根据本实施例所涉及的具有容错控制的o-z源并网逆变器，通过桥臂串联快速熔断器，将桥臂的短路问题转化为断路问题，利用连接开关变更电流通过断路故障桥臂的路径，再通过容错控制模块控制正常工作的桥臂的igbt导通与关断，从而实现输出正常的三相交流电。总之，本方法能够提高o-z源并网逆变器的可靠性。
44.上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种具有容错控制的o-z源并网逆变器，其特征在于，包括：逆变桥模块，包括三个并联的桥臂、两个电容和三个连接开关，所述两个电容串联作为串联电容并与所述三个桥臂并联，所述三个连接开关的一端均与所述串联电容的中点相连接，所述三个连接开关的另一端分别与所述三个桥臂的输出端相连接，所述桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂与所述下桥臂串联，所述上桥臂包括一个反并联续流二极管的igbt和一个与所述igbt串联的快速熔断器，所述下桥臂包括另一个反并联续流二极管的所述igbt和另一个与所述igbt串联的所述快速熔断器；信号采集模块，包括三个电压传感器，所述三个电压传感器分别与所述三个桥臂的输出端相连，分别采集所述三个桥臂的输出电压；容错控制模块，根据各个所述输出电压计算对应的预测输出电流，根据各个所述预测输出电流计算代价函数，输出控制各个所述桥臂的所述igbt导通或关断的控制信号，控制所述igbt导通或关断，其中，正常工作时，所述三个连接开关所在线路的电流接近于0，使得所述三个连接开关为关断状态，当单个所述桥臂发生短路故障时，所述桥臂中电流通过的所述快速熔断器熔断使得所述桥臂断开，所述桥臂对应的所述连接开关所在的线路中电流增大，使所述连接开关导通，使所述电流通过所述线路流向发生短路故障的所述桥臂的输出端，所述容错控制模块根据未发生故障的两个所述桥臂的所述输出电压，控制所述两个桥臂的四个所述igbt导通或关断，从而输出正常三相电流，当单个所述桥臂发生断路故障时，所述桥臂对应的所述连接开关所在的线路中电流增大，使所述连接开关导通，使所述电流通过所述线路流向发生断路故障的所述桥臂的输出端，所述容错控制模块根据未发生故障的两个所述桥臂的所述输出电压，控制所述两个桥臂的四个所述igbt导通或关断，从而输出正常三相电流。2.根据权利要求1所述的具有容错控制的o-z源并网逆变器，其特征在于：其中，所述连接开关为双向晶闸管或双向二极管。3.根据权利要求1所述的具有容错控制的o-z源并网逆变器，其特征在于：其中，所述逆变桥模块的输出端与滤波模块相连，所述滤波模块包括三个电感和三个电容，所述三个电感的一端分别与所述三个桥臂的输出端相连接，所述三个电感的另一端分别与所述三个电容的一端相连接，所述三个电容的另一端为星形连接。4.根据权利要求1所述的具有容错控制的o-z源并网逆变器，其特征在于：其中，所述逆变桥模块的输入端与o-z源网络和电网相连，所述电网，作为电源，包括正极和负极；所述o-z源网络包括耦合电感线圈、电力二极管、储能电容、激磁电感和整流电感，所述电网的正极与所述电力二极管的阳极相连，所述电力二极管的阴极与所述耦合电感线圈的n1侧线圈的同名端相连，所述n1侧线圈的异名端与所述整流电感的一端相连，所述整流电感的另一端与所述串联电容的一端相连，所述串联电容的另一端与所述电网的阴极相连，所述储能电容的阳极与所述电网的正极相连，所述储能电容的阴极与所述耦合电感线圈的n2侧线圈的同名端相连，所述n2侧线圈的异名端与所述整流电感的一端相连，所述激磁电感与所述n2侧线圈并联。

技术总结
本发明提供了一种具有容错控制的O-Z源并网逆变器，具有这样的特征，包括逆变桥模块，包括三个并联的桥臂、两个电容和三个连接开关，桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括一个反并联续流二极管的IGBT和一个与IGBT串联的快速熔断器；信号采集模块，包括三个电压传感器，三个电压传感器分别与三个桥臂的输出端相连，分别采集三个桥臂的输出电压；容错控制模块，根据各个输出电压计算对应的预测输出电流，根据各个预测输出电流计算代价函数，输出控制各个桥臂的IGBT导通或关断的控制信号，控制IGBT导通或关断。总之，本方法能够提高O-Z源并网逆变器的可靠性。Z源并网逆变器的可靠性。Z源并网逆变器的可靠性。


技术研发人员：罗韡 王璇 张鸿一
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/8/5