專利名稱：Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法，屬于電能變換領(lǐng)域，用于光伏發(fā)電源等具有波動性的較低直流電源轉(zhuǎn)化為幅值和頻率恒定的交流電源，為負載供電。
背景技術(shù)：
目前，能源的短缺以及環(huán)境污染問題日益嚴重，以風力發(fā)電、光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電技術(shù)因其不消耗地球化石能源、對環(huán)境零排放等優(yōu)點，成為最有競爭力的解決能源和環(huán)境問題的途徑，獲得了廣泛關(guān)注，成為了當前的研究熱點。由于可再生發(fā)電源輸出的電能形式對環(huán)境變化更加敏感，波動較大，難以直接為負載供電，為此需要結(jié)合相應的電能變換技術(shù)來獲得滿足獨立供電要求的電能形式。在目 前的解決方案中，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，其輸出為直流形式，一種方案是采用直流-直流-交流的兩級式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平穩(wěn)的交流電能輸出。這種結(jié)構(gòu)中直流側(cè)增加的開關(guān)變換器造成系統(tǒng)損耗增加，效率和可靠性均有所下降。另一種方案是采用Z源型逆變器，在直流發(fā)電源和傳統(tǒng)逆變器中間串接由兩個電感和電容組成的交叉阻抗網(wǎng)絡(luò)，利用逆變器的直通狀態(tài)對電感進行儲能，在非直通狀態(tài)釋放，進而間接實現(xiàn)直流電壓的升壓控制。在現(xiàn)有方案中，對于單相系統(tǒng)，采用兩個橋臂，即四個功率器件，造成損耗較大，成本較高，有待進一步進行性能優(yōu)化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Z源型兩開關(guān)交流逆變電源，用于將可再生發(fā)電源輸出的具有波動特性的較低直流電能形式轉(zhuǎn)化為具有較高額定電壓的幅值和頻率恒定的交流電壓，解決現(xiàn)有用于可再生發(fā)電源的交流逆變電源的結(jié)構(gòu)復雜、效率較低等問題。一種Z源型兩開關(guān)交流逆變電源，其組成包括直流正極輸入端的二極管(1)，電感LI (2)，電容Cl (3)，電容C2 (4)，電容C3 (5)，電感Z2 (6)，單相橋臂(7)，濾波電感Z8
(8)，交流濾波電容C4 (9)，交流電壓檢測電路(10)，偏置電路(11)，主控制器(12)，直流電壓檢測電路(13)，以及隔離驅(qū)動電路(14);
所述的二極管(I)的正極與外部直流電源的正極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的正極輸入端，二極管(I)的電感Zl (2)的一端以及電容Cl (3)的一端相連，電感Zl (2)的另一端與電容C2 (4)的一端以及單相橋臂(7)的正極輸入端相連，電容Cl (3)的另一端與單相橋臂(7)的負極輸入端以及電感Z2 (6)的一端相連，電容C2 (4)的另一端與電容C3 (5)的一端，交流濾波電容以(9)的一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的一個交流輸出端與負載相連，電容C3 (5)的另一端與電感Z2 (6)的另一端以及外部直流電源的負極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的負極輸入端，單相橋臂(7)的交流輸出端與濾波電感Z8 (8)的一端相連，濾波電感Z8 (8)的另一端與交流濾波電容以(9)的另一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的另一個交流輸出端與負載相連；
交流電壓檢測電路(10)的輸入端與交流濾波電容以(9)的兩端相連，用于檢測交流輸出電壓，交流電壓檢測電路(10)的輸出端與偏置電路(11)的輸入端相連，將采集到的交流輸出電壓信號提高到始終大于零，偏置電路(11)的輸出端與主控制器(12)的第一輸入端相連，直流電壓檢測電路(13)的輸入端與電容Cl (3)的兩端相連，用于檢測電容Cl
(3)的直流電壓，直流電壓檢測電路(13)的輸出端與主控制器(12)的第二輸入端相連，主控制器(12)的輸出端與隔離驅(qū)動電路(14)的輸入端相連，隔離驅(qū)動電路(14)的輸出端與單相橋臂(7)的信號輸入端相連，用于驅(qū)動單相橋臂(7)的兩個功率器件工作。所述的單相橋臂(7)由第一開關(guān)管Vl和第二開關(guān)管V2串聯(lián)構(gòu)成，第一開關(guān)管Vl和第二開關(guān)管V2的連接點作為所述的單相橋臂(7)的交流輸出端。所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法，其步驟是，
步驟一、設(shè)置電容Cl兩端電壓的給定值，用電容電壓檢測電路檢測電容Cl兩端電壓，用所述的電壓給定值減去所述的電容Cl兩端電壓的檢測值，取得的差值通過直流電壓調(diào)節(jié)器獲得單相橋臂的直通占空比，以實現(xiàn)對電容Cl兩端電壓的恒定控制；
步驟二、用交流電壓檢測電路采集交流輸出電壓，獲得和實際的交流電壓成比例的較低的交流電壓信號；
步驟三、設(shè)置交流輸出電壓幅值的給定值，同時設(shè)置標準正弦波，所述的標準正弦波的頻率和期望輸出的交流輸出電壓的頻率相同，幅值為1，將所述的交流輸出電壓幅值的給定值與所述的標準正弦波相乘，獲得交流輸出電壓的瞬時給定值，將交流輸出電壓的瞬時給定值與步驟二中獲得的交流電壓相減，獲得的差值輸入到交流電壓調(diào)節(jié)器，獲得單相橋臂的輸出交流電壓的給定值；
步驟四、將步驟一獲得的直通占空比以及步驟三獲得的單相橋臂的輸出交流電壓的給定值輸入到加入直通狀態(tài)的正弦波脈寬調(diào)制算法模塊產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，控制單相橋臂中的兩個功率開關(guān)器件工作，從而實現(xiàn)直流電壓和交流電壓的閉環(huán)控制。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點本發(fā)明通過將原有方案中的一個直流電容更改為兩個電容串聯(lián)，并將其及連接點作為交流輸出點，進而省去了一個功率橋臂，與現(xiàn)有方案相比，其優(yōu)點為(1)只需兩個功率開關(guān)，采用一級電路結(jié)構(gòu)即同時實現(xiàn)了直流電壓的升壓、穩(wěn)壓控制以及將直流形式的電能轉(zhuǎn)化為幅值和頻率固定的交流電源，實現(xiàn)為負載提供穩(wěn)定可靠的交流電能，結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本顯著降低，開關(guān)器件的損耗更低意味著獲得了更高的效率；
(2)利用橋臂的直通狀態(tài)來控制直流電壓的大小，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)逆變器中存在的因橋臂直通而使直流電源短路的問題，具有更高的可靠性。
圖I是本發(fā)明的原理 圖2是本發(fā)明的控制方法的原理結(jié)構(gòu) 圖3是本發(fā)明的控制流程 圖4是本發(fā)明的產(chǎn)生直通狀態(tài)的正弦波脈寬調(diào)制算法的原理具體實施例方式下面結(jié)合圖I至圖4具體說明本實施方式。圖I為Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的原理圖，其組成包括直流正極輸入端的二極管(1)，電感(2)，電容Cl (3)，電容C2 (4)，電容C3 (5)，電感Z2 (6)，單相橋臂(7)，濾波電感Z8 (8)，交流濾波電容C4，交流電壓檢測電路(10)，偏置電路(11)，主控制器(12)，直流電壓檢測電路(13)，以及隔離驅(qū)動電路(14);
所述的二極管(I)的正極與外部直流電源的正極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的正極輸入端，二極管(I)的 電感Zl (2)的一端以及電容Cl (3)的一端相連，電感Zl (2)的另一端與電容C2 (4)的一端以及單相橋臂(7)的正極輸入端相連，電容Cl (3)的另一端與單相橋臂(7)的負極輸入端以及電感Z2 (6)的一端相連，電容C2 (4)的另一端與電容C3 (5)的一端，交流濾波電容以(9)的一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的一個交流輸出端與負載相連，電容C3 (5)的另一端與電感Z2 (6)的另一端以及外部直流電源的負極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的負極輸入端，單相橋臂(7)的交流輸出端與濾波電感Z8 (8)的一端相連，濾波電感Z8 (8)的另一端與交流濾波電容以(9)的另一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的另一個交流輸出端與負載相連；
交流電壓檢測電路(10)的輸入端與交流濾波電容以(9)的兩端相連，用于檢測交流輸出電壓，交流電壓檢測電路(10)的輸出端與偏置電路(11)的輸入端相連，將采集到的交流輸出電壓信號提高到始終大于零，偏置電路(11)的輸出端與主控制器(12)的第一輸入端相連，直流電壓檢測電路(13)的輸入端與電容Cl (3)的兩端相連，用于檢測電容Cl (3)的直流電壓，直流電壓檢測電路(13)的輸出端與主控制器(12)的第二輸入端相連，主控制器(12)的輸出端與隔離驅(qū)動電路(14)的輸入端相連，隔離驅(qū)動電路(14)的輸出端與單相橋臂(7)的信號輸入端相連，用于驅(qū)動單相橋臂(7)的兩個功率器件工作。所述的單相橋臂(7)由由第一開關(guān)管Vl和第二開關(guān)管V2串聯(lián)構(gòu)成，第一開關(guān)管Vl和第二開關(guān)管V2的連接點作為所述的單相橋臂(7)的交流輸出端。下面簡要分析其工作原理。由Z源變換器的工作原理可知，在逆變器的橋臂直通時，能量存儲在電感中，在橋臂恢復到正常狀態(tài)時，存儲的能量一方面向電容充電，另一方面向負載供電，進而實現(xiàn)電容的升壓變換和直流到交流的變換。本發(fā)明在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上，將直流側(cè)交叉阻抗網(wǎng)絡(luò)(由電感和電容組成)中的一個電容更換為兩個容值相同的相互串聯(lián)的電容，這樣兩個串聯(lián)的電容的連接點處的電壓值即為整個直流電壓的一半，另外，現(xiàn)有方案中，對于單相系統(tǒng)，采用了兩個橋臂，四個功率開關(guān)器件，本發(fā)明將上述兩個串聯(lián)電容的連接點作為一個交流輸出端，這樣省去了一個橋臂，只需要一個橋臂即可實現(xiàn)交流電壓的輸出。為了獲得幅值和頻率恒定的交流電壓，要求逆變器的輸入電壓一方面要大于交流電機額定電壓的幅值，另一方面要求逆變器的輸入電壓盡量保持穩(wěn)定，因此需要引入直流輸出電壓的閉環(huán)控制，另外還要引入相應的交流電壓閉環(huán)控制算法。所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法，其步驟是，
步驟一、設(shè)置電容Cl兩端電壓的給定值，用電容電壓檢測電路檢測電容Cl兩端電壓，用所述的電壓給定值減去所述的電容Cl兩端電壓的檢測值，取得的差值通過直流電壓調(diào)節(jié)器獲得單相橋臂的直通占空比，以實現(xiàn)對電容Cl兩端電壓的恒定控制；
步驟二、用交流電壓檢測電路采集交流輸出電壓，獲得和實際的交流電壓成比例的較低的交流電壓信號；步驟三、設(shè)置交流輸出電壓幅值的給定值，同時設(shè)置標準正弦波，所述的標準正弦波的頻率和期望輸出的交流輸出電壓的頻率相同，幅值為1，將所述的交流輸出電壓幅值的給定值與所述的標準正弦波相乘，獲得交流輸出電壓的瞬時給定值，將交流輸出電壓的瞬時給定值與步驟二中獲得的交流電壓相減，獲得的差值輸入到交流電壓調(diào)節(jié)器，獲得單相橋臂的輸出交流電壓的給定值；
步驟四、將步驟一獲得的直通占空比以及步驟三獲得的單相橋臂的輸出交流電壓的給定值輸入到加入直通狀態(tài)的正弦波脈寬調(diào)制算法模塊產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，控制單相橋臂中的兩個功率開關(guān)器件工作，從而實現(xiàn)直流電壓和交流電壓的閉環(huán)控制。其中，步驟一中和直流電壓調(diào)節(jié)器和步驟三中的交流電壓調(diào)節(jié)器均采用比例-積分控制方式。本發(fā)明中，需要同時實現(xiàn)逆變器各個功率開關(guān)器件的正常逆變控制和產(chǎn)生直通狀態(tài)，本實施方式以現(xiàn)有方案中的正弦波脈寬調(diào)制策略(SPWM)為基礎(chǔ)，由于SPWM方法中的橋臂的兩個功率開關(guān)器件處于互補導通模式，在每一個載波周期里均會切換兩次開關(guān)狀態(tài)， 因此在單相橋臂的兩個功率開關(guān)器件的狀態(tài)發(fā)生切換時，強制讓兩個功率開關(guān)器件同時導通，其導通時間等于直通占空比與載波周期的乘積。其具體工作原理為，設(shè)置一個三角波，用逆變電壓給定和三角波比較，若逆變電壓給定大于三角波，輸出“1”，若正弦波小于或等于三角波，則輸出“0”，形成第一路方波信號，將所述的第一路方波信號進行邏輯取反，獲得第二路方波信號，對所獲得的第一路方波信號進行判斷，若由“I”跳變到“0”，或由“O”跳變到“1”，則以所獲得的第一路方波信號的電平跳變點為起點，在所獲得的兩路方波信號中，同時加入一段時間的全“I”狀態(tài)，這段全“I”狀態(tài)的時間等于直通占空比與所設(shè)定的三角波周期的乘積，由此獲得的兩路方波信號，第一路用于控制第一個橋臂的上管和第二個橋臂的下管，第二路用于控制第一個橋臂的下管和第二個橋臂的上管。圖3給出了控制過程產(chǎn)生的控制信號的原理圖，其中兩路信號的全“ I”狀態(tài)會使同一個橋臂的兩個開關(guān)管均導通，即產(chǎn)生直通狀態(tài)。上述的電容電壓閉環(huán)控制算法、交流輸出電壓控制算法以及用于控制逆變器帶有直通狀態(tài)的SPWM方法均在主控制器中通過軟件加以實現(xiàn)，主控制器需為帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，脈寬調(diào)制模塊等外設(shè)的單片機，數(shù)字信號處理器等控制器。通過上述系統(tǒng)及其控制方法，即可實現(xiàn)利用具有波動特性的低壓直流電源獲得具有較高電壓幅值的幅值和頻率固定的交流電源，例如在一些無大電網(wǎng)供電的偏遠地區(qū)或者便攜式供電系統(tǒng)中，利用本系統(tǒng)可以將低壓光伏電池的發(fā)電電能轉(zhuǎn)化為和單相大電網(wǎng)相同規(guī)格的交流電能，進而起到替代公共大電網(wǎng)為家用電器、照明以及取暖設(shè)備等負載供電的作用。由于本系統(tǒng)無需外加額外的功率開關(guān)器件，因此結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，效率較高，另夕卜，只需較小的直通占空比即可獲得較高的直流升壓比，因此電壓利用率比較高，具有重要的推廣應用價值。
權(quán)利要求
1.一種Z源型兩開關(guān)交流逆變電源，其組成包括直流正極輸入端的二極管(1)，電感LI (2)，電容Cl (3)，電容C2 (4)，電容C3 (5)，電感Z2 (6)，單相橋臂(7)，濾波電感Z8(8)，交流濾波電容C4 (9)，交流電壓檢測電路(10)，偏置電路(11)，主控制器(12)，直流電壓檢測電路(13)，以及隔離驅(qū)動電路(14); 所述的二極管(I)的正極與外部直流電源的正極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的正極輸入端，二極管(I)的電感Zl (2)的一端以及電容Cl (3)的一端相連，電感Zl (2)的另一端與電容C2 (4)的一端以及單相橋臂(7)的正極輸入端相連，電容Cl (3)的另一端與單相橋臂(7)的負極輸入端以及電感Z2 (6)的一端相連，電容C2 (4)的另一端與電容C3 (5)的一端，交流濾波電容以(9)的一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的一個交流輸出端與負載相連，電容C3 (5)的另一端與電感Z2 (6)的另一端以及外部直流電源的負極輸出端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的負極輸入端，單相橋臂(7)的交流輸出端與濾波電感Z8 (8)的一端相連，濾波電感Z8 (8)的另一端與交流濾波電容以(9)的另一端相連，作為所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的另一個交流輸出端與負載相連； 所述的電容Cl (1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容C3 (11)構(gòu)成一個多電平橋臂，所述的V9 (12)和VlO (13)構(gòu)成一個兩電平橋臂； 交流電壓檢測電路(10)的輸入端與交流濾波電容以(9)的兩端相連，用于檢測交流輸出電壓，交流電壓檢測電路(10)的輸出端與偏置電路(11)的輸入端相連，將采集到的交流輸出電壓信號提高到始終大于零，偏置電路(11)的輸出端與主控制器(12)的第一輸入端相連，直流電壓檢測電路(13)的輸入端與電容Cl (3)的兩端相連，用于檢測電容Cl (3)的直流電壓，直流電壓檢測電路(13)的輸出端與主控制器(12)的第二輸入端相連，主控制器(12)的輸出端與隔離驅(qū)動電路(14)的輸入端相連，隔離驅(qū)動電路(14)的輸出端與單相橋臂(7)的信號輸入端相連，用于驅(qū)動單相橋臂(7)的兩個功率器件工作； 所述的Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法，其特征在于，其步驟是， 步驟一、設(shè)置電容Cl兩端電壓的給定值，用電容電壓檢測電路檢測電容Cl兩端電壓，用所述的電壓給定值減去所述的電容Cl兩端電壓的檢測值，取得的差值通過直流電壓調(diào)節(jié)器獲得單相橋臂的直通占空比，以實現(xiàn)對電容Cl兩端電壓的恒定控制； 步驟二、用交流電壓檢測電路采集交流輸出電壓，獲得和實際的交流電壓成比例的較低的交流電壓信號； 步驟三、設(shè)置交流輸出電壓幅值的給定值，同時設(shè)置標準正弦波，所述的標準正弦波的頻率和期望輸出的交流輸出電壓的頻率相同，幅值為1，將所述的交流輸出電壓幅值的給定值與所述的標準正弦波相乘，獲得交流輸出電壓的瞬時給定值，將交流輸出電壓的瞬時給定值與步驟二中獲得的交流電壓相減，獲得的差值輸入到交流電壓調(diào)節(jié)器，獲得單相橋臂的輸出交流電壓的給定值； 步驟四、將步驟一獲得的直通占空比以及步驟三獲得的單相橋臂的輸出交流電壓的給定值輸入到加入直通狀態(tài)的正弦波脈寬調(diào)制算法模塊產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，控制單相橋臂中的兩個功率開關(guān)器件工作，從而實現(xiàn)直流電壓和交流電壓的閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Z源型兩開關(guān)交流逆變電源的控制方法，屬于電能變換領(lǐng)域，用于將具有波動特性較低的直流電壓轉(zhuǎn)化為較高額定電壓的幅值和頻率恒定的交流電壓。將Z源逆變器的阻抗網(wǎng)絡(luò)的一個直流電容替換為兩個串聯(lián)的電容，兩個串聯(lián)電容的連接點作為交流電壓的一個輸出端，進而省去一個橋臂，只需一個橋臂的兩個開關(guān)器件，利用逆變器的直通狀態(tài)，同時采用直流電壓和交流電壓雙閉環(huán)的控制策略，同時實現(xiàn)直流電壓和交流電壓幅值恒定控制，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低以及效率高、可靠性高等優(yōu)點。
文檔編號H02M7/537GK102931865SQ20121040980
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者李宣南, 樸順善, 毛飛 申請人:哈爾濱東方報警設(shè)備開發(fā)有限公司