專利名稱：用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制pwm控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于發(fā)電技術領域，涉及太陽能、風能等分布式可再生新能源并網發(fā)電設備，具 體涉及一種用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制PWM控制方法。
背景技術：
隨著化石能源的不斷減少，以及面臨全球氣候變暖的嚴峻形勢，綠色環(huán)保且蘊藏量極其 豐富的太陽能、風能等可再生自然能源越來越受到人們的青睞。這些可再生新能源通過適當 的媒介(例如太陽能電池、風力發(fā)電機等)都很容易轉換成電能，然后利用電力電子裝置將 該電能轉換成直流電，最后通過并網逆變器將上述電能輸送到單相電網。
單相并網逆變器一般由全橋電路實現(xiàn)，每個橋臂由兩個功率開關管串聯(lián)，中間連接處作 為輸出端。常用的脈沖寬度調制(PWM)發(fā)生方法有自然采樣法、規(guī)則采樣法和空間電壓矢 量法等。通常全橋電路的四個功率開關管都以高頻PWM的方式進行動作，開關損耗很大，導 致系統(tǒng)效率降低。為了降低開關損耗，可以采用一個橋臂的兩個功率開關管以高頻PWM的方 式進行動作，而另一個橋臂的兩個功率開關管以工頻頻率進行動作，這樣可以有效地降低開 關損耗，但是高頻PWM方式動作的兩個功率開關管的溫度高于工頻頻率動作的兩個功率開關 管，導致通風散熱要求不同，增加了系統(tǒng)的散熱設計復雜性。為了進一步提高開關頻率，降 低開關損耗，可以采用軟開關技術來達到零電壓開通或零電流關斷的目的，但是該控制方法 復雜，硬件成本高，而且負載較輕時不易實現(xiàn)軟開關。對于上述的控制方法，為了防止同一 橋臂的兩個以高頻PWM方式動作的功率開關管直通短路問題，必須在兩個功率開關管的開通 與關斷之間加入一定的死區(qū)時間，這導致了輸出電壓損失，因而還需要進行死區(qū)補償。另外 ，對于單相并網逆變器而言，上述的控制方法在一個電網電壓周期中，四個功率開關管導通 損耗一直存在，不利于系統(tǒng)效率的提高。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制PWM控制方法，克服了現(xiàn) 有技術中的開關頻率不高、開關損耗偏高、系統(tǒng)效率低的問題。
本發(fā)明所采用的技術方案是， 一種用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制PWM控制方法， 按照以下步驟實施
步驟l、計算得到單相全橋逆變器的單極性PWM波；
步驟2、將單相全橋逆變器的電網電壓檢測與過零比較器比較得到同步方波信號，再將同步方波信號二分頻得到同步方波二分頻信號；
步驟3、在單相全橋逆變器的四個功率開關管中，使得只有一個功率開關管處于高頻PWM動作狀態(tài)，與其對角線的另一個橋臂的功率開關管處于工頻頻率動作狀態(tài)，其余兩個功率開關管處于關斷狀態(tài)；四個功率開關管按照控制時序①、②、③和④的相位順序，輪流以高頻PWM方式進行動作；同時采用正在導通的功率開關管提前關斷的原則僅在電網電壓的過零點時加入死區(qū)時間，最長的死區(qū)時間為一個開關周期。
本發(fā)明的控制方法，同一時刻只有一個功率開關管具有高頻開關損耗，包括高頻功率開關管在內的兩個功率開關管具有導通損耗，提高了開關頻率，降低了開關損耗，提高了系統(tǒng)效率；在一個電網電壓周期中僅有兩次死區(qū)時間，對逆變器的輸出電壓幾乎沒有影響；四個功率開關管輪流以高頻PWM方式進行動作，功率開關管散熱均勻，提高了整個系統(tǒng)的使用壽命。
圖l是現(xiàn)有的單相并網發(fā)電電路示意圖；圖2是現(xiàn)有的一種PWM波發(fā)生方法實施例框圖；圖3是本發(fā)明的PWM波控制方法原理示意圖。
圖中，l.功率開關管Sl， 2.功率開關管S2， 3.功率開關管S3， 4.功率開關管S4， 5.直流電壓，6.濾波電感，7.濾波電容，8.單相交流電網，9.電網電壓檢測，IO.鎖相環(huán)控制，ll.同步旋轉角，12.逆變器輸出參考電流，13.逆變器實際輸出電流檢測，14.比例增益，15.絕對值運算，16.單極性三角載波比較，17.單極性PWM波，18.同步方波信號，19.同步方波二分頻信號，20.功率開關管S1的開關指令信號，21.功率開關管S2的開關指令信號，22.功率開關管S3的開關指令信號，23.功率開關管S4的開關指令信號，①.PWM波控制時序1，②.PWM波控制時序2，③.PWM波控制時序3，④.PWM波控制時序4。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
圖l為現(xiàn)有的單相并網發(fā)電電路示意圖，是本發(fā)明的硬件電路基礎，電力電子裝置將太陽能、風能等發(fā)的電轉換成直流電壓5。直流電壓5的正極分別與功率開關管S1、功率開關管S3的一端相連，直流電壓5的負極分別與功率開關管S2、功率開關管S4的一端相連，功率開關管S1和功率開關管S2組成一個橋臂，功率開關管S3和功率開關管S4組成另一個橋臂；功率開關管S1和功率開關管S2的連接點A是一個橋臂輸出，連接點A與濾波電感6連接；功率開關管S3和功率開關管S4的連接點B是另一個橋臂輸出，連接點B與濾波電容7的一端及單相交流電網8的中線連接；濾波電感6與濾波電容7的另一端以及單相交流電網8的火線相連。
現(xiàn)有的PWM波發(fā)生方法有多種，圖2是現(xiàn)有的PWM波發(fā)生方法中的一種，能夠得到本發(fā)明控制方法所需要的單極性PWM波17。電網電壓檢測9利用鎖相環(huán)控制10得出電網電壓同步旋轉角ll，再按照單位功率因數(shù)計算得到逆變器輸出參考電流12，再將逆變器輸出參考電流12與檢測逆變器實際輸出電流13進行差值比較后，經過比例增益14進行放大，并進行絕對值運算15，最后經過單極性三角載波比較16，得出單極性PWM波17即可。
圖3是本發(fā)明的PWM波控制方法示意圖。本發(fā)明的控制方法是，按照以下步驟實施步驟l 、先得出單相全橋逆變器的單極性PWM波17 。
步驟2、再將單相全橋逆變器的電網電壓檢測9與過零比較器比較得到同步方波信號18，將同步方波信號18二分頻得到同步方波二分頻信號19。
步驟3、在單相全橋逆變器的四個功率開關管中，保持只有一個功率開關管處于高頻PWM動作狀態(tài)，與其對角線的另一個橋臂的功率開關管處于工頻頻率動作狀態(tài)，其余兩個功率開關管處于關斷狀態(tài)，這樣，四個功率開關管按照控制時序①、②、③和④的相位順序，輪流以高頻PWM方式進行動作，有利于實現(xiàn)每個功率開關管基本相同的溫升，容易進行散熱設計;同一橋臂的兩個功率開關管只有在電網電壓過零點時進行一次死區(qū)時間控制，其余時間沒有死區(qū)時間，可見死區(qū)效應對逆變器的輸出電壓幾乎沒有影響，同時，由于在一個電網電壓周期中只有兩個功率開關管動作，因此只存在兩個功率開關管的導通損耗，有利于進一步降低系統(tǒng)損耗。
PWM波控制時序①的特征是電網電壓9為正，同步方波信號18和同步方波二分頻信號19都是高電平，功率開關管S1的開關指令信號20為單極性PWM波17的一部分，即以高頻PWM方式動作，功率開關管S2的開關指令信號21和功率開關管S3的開關指令信號22都是關斷，功率開關管S4的開關指令信號23是一直導通。因此，功率開關管Sl的開關指令信號20時序邏輯Slt可以表示為
Sli =(伺步方波信號18)^^同步方波二分頻信號19) and(單極性P剛波17))w(伺步方波二分頻信號l 9)a^伺步方波信號l 8))
PWM波控制時序②的特征是電網電壓9為負，同步方波信號18為低電平，同步方波二分頻信號19是高電平，功率開關管S1的開關指令信號20和功率開關管S4的開關指令信號23都是關斷，功率開關管S2的開關指令信號21是一直導通，功率開關管S3的開關指令信號22為單極性PWM波17的一部分，即以高頻PWM方式動作。因此，功率開關管S3的開關指令信號22時序邏輯S3t表示為S》=(伺步方波信號18)flW伺步方波二分頻信號19)flW(單極性PM波17))w(伺步方波二分頻信號19)fl^伺步方波信號18)) 。
PWM波控制時序③的特征是電網電壓9為正，同步方波信號18為高電平，同步方波二分頻信號19是低電平，功率開關管S1的開關指令信號20是一直導通，功率開關管S2的開關指令信號21和功率開關管S3的開關指令信號22都是關斷，功率開關管S4的開關指令信號23為單極性PWM波17的一部分，即以高頻PWM方式動作。因此，功率開關管S4的開關指令信號23時序邏輯S4t表示為
S々=(伺步方波信號l 伺步方波二分頻信號l 9> ^ (單極性P剛波17))m(伺步方波二分頻信號l 9)flW伺步方波信號l 8))
PWM波控制時序④的特征是電網電壓9為負，同步方波信號18和同步方波二分頻信號19都為低電平，功率開關管S1的開關指令信號20和功率開關管S4的開關指令信號23都是關斷，功率開關管S2的開關指令信號21為單極性PWM波17的一部分，即以高頻PWM方式動作，功率開關管S3的開關指令信號22是一直導通。因此，功率開關管S2的開關指令信號21時序邏輯S2t表示為 _ _
=(伺步方波信號l 伺步方波二分頻信號l 9> ^ (單極性P剛波17))w(伺步方波二分頻信號l 9)mj洞步方波信號l 8)) 。
由圖3可知，在每個電網電壓的過零點時同一橋臂的兩個功率開關管要進行關斷和開通切換，這要求此時必須設置死區(qū)時間，本發(fā)明采用正在導通的功率開關管提前關斷的原則僅在電網電壓的過零點時加入死區(qū)時間，最長的死區(qū)時間為一個開關周期，具體原則如下
3.1、 PWM波控制時序①和②交接處以及PWM波控制時序③和④交接處，即在負的電網電壓過零點，功率開關管S1的開關指令信號20和功率開關管S4的開關指令信號23在電壓過零點對應的最后一個開關周期都提前關斷。對于功率開關管S1而言，關斷的依據(jù)是功率開關管自身為導通狀態(tài)，且電網電壓同步旋轉角11大于等于180。，將該邏輯稱為Sloff。同理，對于功率開關管S4而言，關斷的依據(jù)也是功率開關管自身為導通狀態(tài)，且電網電壓同步旋轉角11大于等于180。，將該邏輯稱為S4off。
3.2、 PWM波控制時序②和③交接處以及PWM波控制時序④和①交接處，即在正的電網電壓過零點，功率開關管S2的開關指令信號21和功率開關管S3的開關指令信號22在電壓過零點對應的最后一個開關周期都提前關斷。對于功率開關管S2而言，關斷的依據(jù)是功率開關管自身為導通狀態(tài)，且電網電壓同步旋轉角11大于等于360。，將該邏輯稱為S2off。同理，對于功率開關管S3而言，關斷的依據(jù)也是功率開關管自身為導通狀態(tài)，且電網電壓同步旋轉角11大于等于360。，將該邏輯稱為S3off。將上述控制原則進行整理，可以得出各個功率開關管的最終開關指令信號如下Slc=Slt and Sloff and S4off; S2c=S2t and S2off and S3off;S3c=S3t and S3off and S2off; S4c=S4t and S4off and Sloff。
本發(fā)明適用于單相并網發(fā)電系統(tǒng)，特別是隨著建筑集成光伏并網發(fā)電系統(tǒng)以及小型風力發(fā)電系統(tǒng)等的快速發(fā)展，在降低開關損耗、消除死區(qū)效應以及優(yōu)化散熱設計方面具有鮮明的特點，有利于提高系統(tǒng)效率、工作可靠性和使用壽命，其良好的實用價值會越來越受到重視
權利要求
1.一種用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制PWM控制方法，其特征在于，按照以下步驟實施步驟1、計算得到單相全橋逆變器的單極性PWM波(17)；步驟2、將單相全橋逆變器的電網電壓檢測(9)與過零比較器比較得到同步方波信號(18)，再將同步方波信號(18)二分頻得到同步方波二分頻信號(19)；步驟3、在單相全橋逆變器的四個功率開關管中，使得只有一個功率開關管處于高頻PWM動作狀態(tài)，與其對角線的另一個橋臂的功率開關管處于工頻頻率動作狀態(tài)，其余兩個功率開關管處于關斷狀態(tài)；四個功率開關管按照控制時序①、②、③和④的相位順序，輪流以高頻PWM方式進行動作；同時采用正在導通的功率開關管提前關斷的原則僅在電網電壓的過零點時加入死區(qū)時間，最長的死區(qū)時間為一個開關周期。
2.根據(jù)權利要求1所述的脈沖寬度調制PWM控制方法，其特征在于 所述的步驟1中單極性PWM波(17)的確定方法是，通過電網電壓檢測(9)，利用鎖相環(huán)控 制(10)得出電網電壓同步旋轉角(11)，再按照單位功率因數(shù)計算得到逆變器輸出參考電 流(12)，再將逆變器輸出參考電流(12)與檢測逆變器實際輸出電流(13)進行差值比較 后，經過比例增益(14)進行放大，并進行絕對值運算(15)，最后經過單極性三角載波比 較(16)，得到單極性P麗波(17)。
3.根據(jù)權利要求1所述的脈沖寬度調制PWM控制方法，其特征在于所述的步驟3中，PWM波控制時序①的特征是電網電壓檢測(9)為正，同步方波信號( 18)和同步方波二分頻信號(19)都是高電平，功率開關管S1的開關指令信號(20)為單極 性PWM波(17)的一部分，即以高頻PWM方式動作，功率開關管S2的開關指令信號(21)和功 率開關管S3的開關指令信號(22)都是關斷，功率開關管S4的開關指令信號(23)是一直導 通；所述的PWM波控制時序②的特征是電網電壓檢測(9)為負，同步方波信號(18)為低 電平，同步方波二分頻信號(19)是高電平，功率開關管S1的開關指令信號(20)和功率開關管S4的開關指令信號(23)都是關斷，功率開關管S2的開關指令信號(21)是一直導通， 功率開關管S3的開關指令信號(22)為單極性PWM波(17)的一部分，即以高頻PWM方式動作所述的PWM波控制時序③的特征是電網電壓檢測(9)為正，同步方波信號(18)為高 電平，同步方波二分頻信號(19)是低電平，功率開關管S1的開關指令信號(20)是一直導 通，功率開關管S2的開關指令信號(21)和功率開關管S3的開關指令信號(22)都是關斷， 功率開關管S4的開關指令信號(23)為單極性PWM波(17)的一部分，即以高頻PWM方式動作所述的PWM波控制時序④的特征是電網電壓檢測(9)為負，同步方波信號(18)和同 步方波二分頻信號(19)都為低電平，功率開關管S1的開關指令信號(20)和功率開關管 S4的開關指令信號(23)都是關斷，功率開關管S2的開關指令信號(21)為單極性PWM波( 17)的一部分，即以高頻PWM方式動作，功率開關管S3的開關指令信號(22)是一直導通。
4.根據(jù)權利要求1所述的脈沖寬度調制PWM控制方法，其特征在于 所述的步驟3中PWM波控制過程中，加入死區(qū)時間的具體步驟如下3.1、 PWM波控制時序①和②交接處以及PWM波控制時序③和④交接處，即在負的電網電 壓過零點，功率開關管S1的開關指令信號(20)和功率開關管S4的開關指令信號(23)在電 壓過零點對應的最后一個開關周期都提前關斷，對于功率開關管S1而言，將該邏輯稱為 Sloff，對于功率開關管S4而言，將該邏輯稱為S4off;3.2、 PWM波控制時序②和③交接處以及PWM波控制時序④和①交接處，即在正的電網電 壓過零點，功率開關管S2的開關指令信號(21)和功率開關管S3的開關指令信號(22)在電 壓過零點對應的最后一個開關周期都提前關斷，對于功率開關管S2而言，將該邏輯稱為 S2off，對于功率開關管S3而言，將該邏輯稱為S3off;得到各個功率開關管的最終開關指令信號如下Slc=Slt and Sloff and S4off; S2c=S2t and S2off and S3off; S3c=S3t and S3off and S2off; S4c=S4t and S4off and Sloff。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于單相并網逆變器的脈沖寬度調制PWM控制方法，按照以下步驟實施計算得到單極性PWM波；將電網電壓檢測與過零比較器比較得到同步方波信號，再將同步方波信號二分頻得到同步方波二分頻信號；在單相全橋逆變器的四個功率開關管中，保持只有一個功率開關管處于高頻PWM動作狀態(tài)，與其對角線的另一個橋臂的功率開關管處于工頻頻率動作狀態(tài)，其余兩個功率開關管處于關斷狀態(tài)；四個功率開關管按照一定的相位順序，輪流以高頻PWM方式進行動作；同時采用正在導通的功率開關管提前關斷的原則僅在電網電壓的過零點時加入死區(qū)時間。本發(fā)明適用于單相并網發(fā)電系統(tǒng)，具有降低開關損耗、消除死區(qū)效應以及優(yōu)化散熱的特點。
文檔編號H02M7/48GK101604923SQ20091030428
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月13日 優(yōu)先權日2009年7月13日
發(fā)明者任碧瑩, 孫向東, 琦 張, 惠 楊, 王建淵 申請人:西安理工大學