Z源型两开关并网逆变器的控制方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102938566 A (43)申请公布日 2013.02.20 C N 1 0 2 9 3 8 5 6 6 A *CN102938566A* (21)申请号 201210406950.5 (22)申请日 2012.12.13 H02J 3/38(2006.01) H02M 7/5395(2006.01) (71)申请人哈尔滨东方报警设备开发有限公司 地址 150090 黑龙江省哈尔滨市南岗区富水 路119号 (72)发明人李宣南 朴顺善 毛飞 (54) 发明名称 Z源型两开关并网逆变器的控制方法 (57) 摘要 本发明涉及一种Z源型两开关并网逆变器的 控制方法，属于

2、电能变换领域，用于光伏发电等可 再生能源的并网发电。由直流侧的输入侧二极管， 阻抗网络，单相桥臂，输出侧的滤波器，主控制器， 交流电压检测电路，偏置电路，直流电压检测电路 以及隔离驱动电路等组成。其中阻抗网络中的一 个直流电容用两个串联的电容替代，两个串联的 电容的连接点作为交流侧的一个输出端，进而省 去了一个桥臂，只需一个桥臂的两个开关器件，利 用逆变器的直通状态，结合直流电压闭环控制和 并网电流的瞬时波形控制的双闭环控制策略，同 时实现直流电压的恒定控制和交流侧并网电流的 正弦波形控制，本发明具有结构紧凑、成本低以及 效率高、可靠性高等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书

3、5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/1页 2 1.一种Z源型两开关并网逆变器，其组成包括直流正极输入端的二极管，电感L1，电容 C1，电容C2，电容C3，电感L2，单相桥臂，滤波器； 所述的二极管的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并 网逆变器的正极输入端，二极管与电感L1的一端以及电容C1的一端相连，电感L1的另一 端与电容C2的一端以及单相桥臂的正极输入端相连，电容C1的另一端与单相桥臂的负极 输入端以及电感L2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，作为所述的Z

4、源型 两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相连，电容C3的另一端与电感L2的另 一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负 极输入端，单相桥臂的交流输出端与滤波器的一端相连，滤波器的另一端作为所述的Z源 型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连； 电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电 路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波 信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测 电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与

5、电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电 路（11）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与 电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输 出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的 输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单 相桥臂（7）的两个功率器件工作； 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法，其特征在于，采用直流电压采样模块采 集单相桥臂的直流输入电压，采用直流电压调节器控制电容C1的直流电压，采用并网电流 检测模块

6、采集并网电流，采用电网电压检测模块采集电网电压，采用锁相环模块计算电网 电压相位，采用正弦值计算模块计算电网电压相位的正弦值，使用电流闭环控制模块对并 网电流进行控制，采用加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号控制逆变器 中的各个开关管工作； 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法的步骤是， 步骤一、设置电容C1的直流电压的给定值，与直流电压采样模块采集的电容C1的直流 电压信号相减，获得的差值通过直流电压调节器获得单相桥臂的直通占空比，以实现对电 容C1的直流电压的恒定控制； 步骤二、采用电网电压检测模块采集电网电压，将较高的电网电压转换为较低的电压 信号，将采集的电网电压信号输入

7、到锁相环模块，获得电网电压的实时相位，再将所述的电 网电压的实时相位输入正弦值计算模块，获得电网电压的实时相位的正弦值； 步骤三、设置并网电流幅值的给定值，与步骤二获得的电网电压的实时相位的正弦值 相乘，获得并网电流的瞬时给定值； 步骤四、采用并网电流检测模块采集并网电流，将采集到的并网电流与步骤三获得的 并网电流的瞬时给定值输入到电流闭环控制模块，获得单相桥臂的输出电压的给定值； 步骤五、将步骤一获得的直通占空比以及步骤四获得的逆变器的输出电压的给定值输 入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号控制单相桥臂中的各个开关 管工作，从而实现并网电流的闭环控制。 权 利 要 求 书CN

8、 102938566 A 1/5页 3 Z 源型两开关并网逆变器的控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种Z源型两开关并网逆变器的控制方法，属于电能变换领域，用于 光伏发电等可再生能源的并网发电。 背景技术 0002 目前，能源的短缺以及环境污染问题日益严重，以风力发电、光伏发电为代表的可 再生能源发电技术因其不消耗地球化石能源、对环境零排放等优点，成为最有竞争力的解 决能源和环境问题的途径，获得了广泛关注，成为了当前的研究热点。 0003 由于可再生发电源输出的电能形式对环境变化更加敏感，波动较大，为此需要结 合相应的电能变换技术来获得满足并网运行条件的直流电压水平。在目前的解决方案中，

9、 对于光伏发电系统，其输出为直流形式，一种方案是采用直流-直流-交流的两级式结构实 现平稳的交流电能输出。这种结构中直流侧增加的开关变换器造成系统损耗增加，效率和 可靠性均有所下降。 0004 另一种方案是采用Z源型逆变器，在直流发电源和传统逆变器中间串接由两个电 感和电容组成的交叉阻抗网络，利用逆变器的直通状态对电感进行储能，在非直通状态释 放，进而间接实现直流电压的升压控制。在现有方案中，对于单相系统，采用两个桥臂，即四 个功率器件，造成损耗较大，成本较高，有待进一步进行性能优化。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种Z源型两开关并网逆变器的控制方法，用于光伏发电 等可再生能源的并

10、网发电，解决现有可再生能源并网发电系统中的并网逆变器的效率低、 结构复杂等问题。 0006 一种Z源型两开关并网逆变器，其组成包括直流正极输入端的二极管，电感L1，电 容C1，电容C2，电容C3，电感L2，单相桥臂，滤波器； 所述的二极管的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并 网逆变器的正极输入端，二极管与电感L1的一端以及电容C1的一端相连，电感L1的另一 端与电容C2的一端以及单相桥臂的正极输入端相连，电容C1的另一端与单相桥臂的负极 输入端以及电感L2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，作为所述的Z源型 两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相

11、连，电容C3的另一端与电感L2的另 一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负 极输入端，单相桥臂的交流输出端与滤波器的一端相连，滤波器的另一端作为所述的Z源 型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连； 电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电 路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波 信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测 电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电 说 明

12、书CN 102938566 A 2/5页 4 路（11）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与 电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输 出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的 输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单 相桥臂（7）的两个功率器件工作； 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法采用直流电压采样模块采集单相桥臂的 直流输入电压，采用直流电压调节器控制电容C1的直流电压，采用并网电流检测模块采集 并网电流

13、，采用电网电压检测模块采集电网电压，采用锁相环模块计算电网电压相位，采 用正弦值计算模块计算电网电压相位的正弦值，使用电流闭环控制模块对并网电流进行控 制，采用加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号控制逆变器中的各个开关 管工作； 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法的步骤是， 步骤一、设置电容C1的直流电压的给定值，与直流电压采样模块采集的电容C1的直流 电压信号相减，获得的差值通过直流电压调节器获得单相桥臂的直通占空比，以实现对电 容C1的直流电压的恒定控制； 步骤二、采用电网电压检测模块采集电网电压，将较高的电网电压转换为较低的电压 信号，将采集的电网电压信号输入到锁相环模块

14、，获得电网电压的实时相位，再将所述的电 网电压的实时相位输入正弦值计算模块，获得电网电压的实时相位的正弦值； 步骤三、设置并网电流幅值的给定值，与步骤二获得的电网电压的实时相位的正弦值 相乘，获得并网电流的瞬时给定值； 步骤四、采用并网电流检测模块采集并网电流，将采集到的并网电流与步骤三获得的 并网电流的瞬时给定值输入到电流闭环控制模块，获得单相桥臂的输出电压的给定值； 步骤五、将步骤一获得的直通占空比以及步骤四获得的逆变器的输出电压的给定值输 入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号控制单相桥臂中的各个开关 管工作，从而实现并网电流的闭环控制。 0007 本发明所具有的优点：本发

15、明通过在将Z源逆变器中的阻抗网络的一个直流电容替换 为两个串联的直流电容，并将其连接点作为交流侧的一个输出端，进而省去了一个桥臂。由 于本发明只采用一个桥臂，即两个功率开关器件并结合直流电压闭环控制算法以及并网电 流的闭环控制算法就同时实现了直流电压的升压、稳压控制以及将发电源的发电能量以单 位功率因数输送到电网中，因此与现有方案相比具有结构紧凑、效率高、可靠性高等优点。 附图说明 0008 图1是本发明所述的Z源型两开关并网逆变器的原理图； 图2是本发明的控制方法的原理图； 图3是本发明的控制方法的流程图； 图4是本发明的产生直通状态的SPWM的原理图。 0009 说 明 书CN 10293

16、8566 A 3/5页 5 具体实施方式 0010 下面结合图1至图4具体说明本实施方式。一种Z源型两开关并网逆变器，其组 成包括直流正极输入端的二极管，电感L1，电容C1，电容C2，电容C3，电感L2，单相桥臂，滤 波器； 所述的二极管的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并 网逆变器的正极输入端，二极管与电感L1的一端以及电容C1的一端相连，电感L1的另一 端与电容C2的一端以及单相桥臂的正极输入端相连，电容C1的另一端与单相桥臂的负极 输入端以及电感L2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，作为所述的Z源型 两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相

17、连，电容C3的另一端与电感L2的另 一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负 极输入端，单相桥臂的交流输出端与滤波器的一端相连，滤波器的另一端作为所述的Z源 型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连； 电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电 路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波 信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测 电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电 路（11

18、）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与 电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输 出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的 输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单 相桥臂（7）的两个功率器件工作。其中滤波器可以是滤波电感，也可以是电感和电容的组 合形式。 0011 图1是本发明所述的Z源型两开关并网逆变器的原理图，下面简要分析其工作原 理。由Z源变换器的工作原理可知，在逆变器的桥臂直通时，能量存储在电感中，在桥臂

19、恢 复到正常状态时，存储的能量一方面向电容充电，另一方面向交流侧供电，进而实现电容的 升压变换和直流到交流的变换。直流电容电压和直流输入电压的比值，即直流升压比与直 通时间和整个开关周期的比值，即直通占空比之间为单调关系，即直通占空比越大，直流升 压比越大，因此通过控制直通占空比就可以控制电容电压。 0012 由上述分析可知，通过控制逆变器桥臂的直通占空比即可控制直流输出电压，即 逆变器的输入电压。本发明在现有方案的基础上，将直流侧交叉阻抗网络（由电感和电容组 成）中的一个电容更换为两个容值相同的相互串联的电容，这样两个串联的电容的连接点 处的电压值即为整个直流电压的一半，另外，现有方案中，对

20、于单相系统，采用了两个桥臂， 四个功率开关器件，本发明将上述两个串联电容的连接点作为一个交流输出端，这样省去 了一个桥臂，只需要一个桥臂即可实现交流电压的输出。考虑到本装置应用于可再生能源 并网发电系统中，例如直流供电电源是光伏电池，由于光伏电池的输出电压波动较大，若不 对其进行控制，一方面对并网电流波形质量造成影响，另一方面在光伏电池电压较低时，将 不满足并网的电压约束条件，无法将光伏电池发出的电能输送到公共电网上去。因此本发 明在Z源型两开关并网逆变器中，采用直流电压闭环控制和并网电流闭环控制的双闭环控 制方法，并网逆变器的并网电流的控制主要实现两个功能，一个是将并网电流控制成正弦 说 明

21、 书CN 102938566 A 4/5页 6 波，以降低对电网的谐波污染，另一个功能是将并网电流控制成与电网电压同相位，以使并 网电流中不包含无功电流，提高系统的运行效率。其控制原理图如图2所示，控制流程分析 如下。 0013 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法采用直流电压采样模块采集单相桥 臂的直流输入电压，采用直流电压调节器控制电容C1的直流电压，采用并网电流检测模块 采集并网电流，采用电网电压检测模块采集电网电压，采用锁相环模块计算电网电压相位， 采用正弦值计算模块计算电网电压相位的正弦值，使用电流闭环控制模块对并网电流进行 控制，采用加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信

22、号控制逆变器中的各个开 关管工作； 所述的Z源型两开关并网逆变器的控制方法的步骤是， 步骤一、设置电容C1的直流电压的给定值，与直流电压采样模块采集的电容C1的直流 电压信号相减，获得的差值通过直流电压调节器获得单相桥臂的直通占空比，以实现对电 容C1的直流电压的恒定控制； 步骤二、采用电网电压检测模块采集电网电压，将较高的电网电压转换为较低的电压 信号，将采集的电网电压信号输入到锁相环模块，获得电网电压的实时相位，再将所述的电 网电压的实时相位输入正弦值计算模块，获得电网电压的实时相位的正弦值； 步骤三、设置并网电流幅值的给定值，与步骤二获得的电网电压的实时相位的正弦值 相乘，获得并网电流的

23、瞬时给定值； 步骤四、采用并网电流检测模块采集并网电流，将采集到的并网电流与步骤三获得的 并网电流的瞬时给定值输入到电流闭环控制模块，获得单相桥臂的输出电压的给定值； 步骤五、将步骤一获得的直通占空比以及步骤四获得的逆变器的输出电压的给定值输 入到加入直通状态的正弦波脉宽调制算法产生脉宽调制信号控制单相桥臂中的各个开关 管工作，从而实现并网电流的闭环控制。 0014 其中，步骤一中的直流电压调节器和步骤四中的电流闭环控制模块均采用比 例-积分控制算法，步骤二中锁相环模块采用现有方案的软件锁相环算法即可，通过采集 电网电压的瞬时值即可获得电网电压的相位，例如瞬时无功功率理论，虚拟旋转坐标系法，

24、构造正交信号算法等。 0015 本发明中，需要同时实现逆变器各个功率开关器件的正常逆变控制和产生直通状 态，本实施方式以现有方案中的正弦波脉宽调制策略（SPWM）为基础，由于SPWM方法中的桥 臂的两个功率开关器件处于互补导通模式，在每一个载波周期里均会切换两次开关状态， 因此在桥臂的两个功率开关器件的状态发生切换时，强制让两个功率开关器件同时导通， 其导通时间等于直通占空比与载波周期的乘积。其具体工作原理为，设置一个三角波，用逆 变电压给定和三角波比较，若逆变电压给定大于三角波，输出“1”，若正弦波小于或等于三 角波，则输出“0”，形成第一路方波信号，将所述的第一路方波信号进行逻辑取反，获得

25、第二 路方波信号，对所获得的第一路方波信号进行判断，若由“1”跳变到“0”，或由“0”跳变到 “1”，则以所获得的第一路方波信号的电平跳变点为起点，在所获得的两路方波信号中，同 时加入一段时间的全“1”状态，这段全“1”状态的时间等于直通占空比与所设定的三角波 周期的乘积，由此获得的两路方波信号，第一路用于控制第一个桥臂的上管和第二个桥臂 的下管，第二路用于控制第一个桥臂的下管和第二个桥臂的上管。图3给出了控制过程产 说 明 书CN 102938566 A 5/5页 7 生的控制信号的原理图，其中两路信号的全“1”状态会使同一个桥臂的两个开关管均导通， 即产生直通状态。 0016 上述所有算法，包括直流输出电压的闭环控制，并网电流的控制以及包含直通状 态的SPWM算法均在主控制器（12）中实现，将各个电量信号输入到主控制器（12）中，通过相 应的算法产生逆变器的控制信号，再经过隔离驱动电路（14）用于控制逆变器的各个开关器 件。主控制器（12）需要选择为带有模数转换器，脉宽调制模块等外设的单片机，数字信号 处理器等控制器。 说 明 书CN 102938566 A 1/3页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102938566 A 2/3页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102938566 A 3/3页 10 图4 说 明 书 附 图CN 102938566 A 10