（电力电子与电力传动专业论文）并网独立双模式双降压式半桥逆变器的研究.pdf

并网独立般模式双降压式半桥逆变器的研究 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t so fr e n e w a b l ee n e r g ya n dd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o nh a v e b e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sb e c a u s eo ft h el a c ko fe n e r g y ，p o l l u t i o na n d s h o r t a g eo fc o n c e n t r a t i v ep o w e rg e n e r a t i o n t h ei n v e r t e rs y s t e mi s a i li m p o r t a n tp a r t o fd i s t r i b u t e dp o w e rg e n e r a t i o n g r i d c o n n e c t i o na n ds t a n d - a l o n et w o o p e r a t i o nm o d e i n v e r t e rw h i c hh a st h em e r i t so ff l e x i b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n de c o n o m yh a sb e e n t h o u g h tm u c h o f ad u a lb u c ki n v e r t e r ( d i n ) b a s e do nh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o li s p r o p o s e d ， w h i c hh a sc o n c i s em a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o n ，f r e e d o mf r o ms h o o t - t h o u g hp r o b l e m s a n dc a p a c i t yt or e a l i z et h eo p t i m a i l l d e s i g no fa l lp o w e rd e v i s e s t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e o fd b ii n v o l t a g em o d ea n dc u r r e n tm o d e a r e a n a l y s e d t h ev o l t a g e c o n t r o l l e di n v e r t e ri sa p p l i e dt os t a n d - n o n em o d ea n dt h ec u r r e n tc o n t r o l l e di n v e r t e r i s a p p l i e d t o g r i d c o n n e c t i o nm o d e t oi m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y o fi n v e g e gt h e s w i t c h i n gp r o c e s s b e t w e e ns t a n d - - a l o n ea n d g r i d - c o l m e c t i o n i s a n a l y s i s e d a n d c o m p a r e t h em e r i t so rs h o r t a g e so fd i f f e r e n tm e t h o d s s o m es o l u t i o n sa l ep r o p o s e d a n dak i n do fc o n t r o la l g o r i t h mf o rs e a m l e s st r a n s f e ro fd b ib e t w e e ns t a n d - a l o n ea n d g r i d c o n n e c t i o nm o d e i sp r e s e n t e d t h es c h e m ei s a d o p t e dt od e s i g nad u a lm o d ei n v e r t e l a5 0 0 v ap r o t o t y p e c o n v e r t e ri sb u i l tt o v e i l f y t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l a l g o r i t h m ，a n d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea l s oi n c l u d e d i nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d u a lb u c ki n v e r t e r , h y s t e r e s i sc o n t r o l ，g r i d - c o n n e c t i o n ，s e a m l e s st r a n s f e r d u a lo p e r a t i o nm o d e si n v e r t e r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 南京航空航天人学硕士学位论文 d b i d s p r e l i 、l ， c f i l l “g u v f 凰f k p 墨 z o 尺 x u o t h d z i “g 注释表 双降压式半桥逆变器 数字信号处理器 逆变器输出电流 阻性负载 双降压式半桥逆变器的滤波电感 双降压式半桥逆变器滤波电容 电感l 。电流 电感l 2 电流 直流母线电压 逆变器输出电压 电流断续模态 电流连续模态 开关管开通时间内电感电流变化值 开关管关断时间内电感电流变化值 丌关管开通时间 丌关管关断h , j 间 开关管关断后电流持续时间 临界电感电流的最大值 电流基准 电流反馈系数的倒数 滞环环宽 滤波电容c r 与负载并联的传递函数 脉宽调制 电压基准 反馈电压 电压反馈系数 p i 调节器的比例系数 p i 调节器的积分系数 逆变器等效输出阻抗 等效输出电阻 等效输出电抗 逆变器输出电压 总谐波含量 等效理想电流源 电网电压 u饥眦吣k k咯臣。瓯m 并网独立暇模式双降压式半桥逆变器的研究 2 b 也 s l s 2 p l l 电网线路阻抗 负载上的电流 并网开关 模式开关 锁相环 电网电压角速度 逆变器等效电压源 比例积分 并网时电感电流给定 独立运行时逆变器电感电流给定 逆变器独立工作时的输出电压 电感电流滞后电网电压的角度 p i 调节器输出的饱和值 基准正弦表格的指针 c s 的变化量 功率管承受最大电压 滤波电感的瞬时电流最大值 电容电流瞬时最大值 可编程逻辑器件 高速存储器 模数转换器 滞环比较器的上比较点 滞环比较器的下比较点 比较器输出电压上限 比较器输出电压下限 基准给定频率 输出基准正弦电压幅值系数 d s p 捕获口1 s “l j 山a c h l 一 hbb魄口k心k k 姒嘴队u u 磊n 叫 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 能源危机与环境污染“1 全球电能耗电量在以后的二十五年内预计将会加倍。根据美国e n e r g y i n f o r m a t i o na d m i n i s t r a t i o n 的预测【l ，全球对电能的需求以每年2 3 速度增长， 预计到2 0 2 5 年全球耗电量将从2 0 0 1 年的1 3 0 ，2 9 0 4 l 千瓦时增长到2 3 0 ，7 2 0 亿千瓦 时，如图1 1 所示。从不同国家电能消耗量来看，发达国家的电能消耗量将趋向 于平稳，预计每年增长1 6 ；而主要的增长点将在发展中国家，预计每年增长 3 5 。随着经济的发展，中国的电能需求增长更大，在过去的五年内每年电能 需求增长达到了惊人的7 2 ，预计未来2 0 年内电能需求每年平均增长在1 0 左 右。 哟n dh 乱e le c t t i c i t 7c 刘曲t i 矸e te 1e e t l e c i t rc o 匝l s m p t i o ni n d 打e l o p i 珥c 。u n 玎 图ii 未来全球电能需求预测图 图】2 皿洲地区未来电能需求预测图 然而，目前使用的发电能量来源主要为煤、石油、天然气等不可再生能源， 如图13 所示，煤，石油，天然气占发电能源来源的6 0 以上。如果不发展新的 p u e ls l u r e $ o fm r lde 1e e tr ic 1 1 7g e n e r a t i o n 圈i 3 不同发电燃料消耗量图 并网独立双模式般降压式半桥逆变器的研究 能源来代替它们的话，i 盐界上的煤、石油、天然气将在几十年内耗光。同时， 燃烧这些不可再生能源将产生环境污染。燃烧煤、石油和天然气会排放出大量 的废气而导致温室效应，而酸雨酸雾更是常见，所有的这些使人们把目光投向 绿色可再生能源。 1 2 可再生能源 可再生能源包括风能、水能、太阳能、地热能、生物能和潮汐能等，这些 可再生能源的容量可从毫瓦级至兆瓦级不等。风能与太阳能均具有较成熟的技 术，这使得近年来这些能源的成本越来越低，各国的装机容量也不断上升。 绿色，可再生是上述可再生能源的最大特点，除此之外，这些可再生能源 还具备以下特点： 1 ) 分布广泛，可就地取材，无需电能传输。 2 ) 适应力强，发展潜力大。这些既可以组成大型的集中控制发电的发电站，又 可以小规模为小范围供电。其中它们作为分布式能源具有很大发展潜力。 3 ) 输出功率受环境因素影响较大，若要输出稳定的功率一般需要能量存储系统。 输出电压均较低，而且一般为直流，无法直接供给交流负载。 1 3 分布式能源系统 图】4 分布式能源系统 由上述可再生能源的特点可见，这些可再生能源比较适合构成分布式能源系 南京航空航天大学硕+ 学位论文 统【3 2 】。图1 , 4 为使用太阳能与燃料电池的分布式能源图。太阳能电池板、燃料电 池和电池堆一起接入同一个直流母线，而逆变器则负责将直流变为交流给负载 供电，也可向正常时的电网提供能量以供给远程负载使用。 1 4 电力电子在分布式能源系统中的应用与现状2 ，1 2 对于太阳能，燃料电池等可再生能源输出均为一个电压较小、变化较大的直 流电压，无法直接给普通交流负载提供一个稳定的电压，或者是无法稳定的供 给电网能量。因此，需要使用电力电子技术将这些直流输出进行逆变以获得所 需要的电压或者电流，由于太阳能，燃料电池等输出电压低，因此升压拓扑得 到了比较多的应用。从目前的发展来看，依照逆变器的级数可以将这些逆变器 划分为单级式逆变器和多级式逆变器，而这些单双级逆变器又可以分为隔离型 和非隔离型。从逆变器的功能来看，又可将其分为独立工作型逆变器、并网逆 变器和混合型逆变器。相应的控制方式电是多种多样。 1 4 1 单级式逆变器 如图1 5 所示的为一种单级式双b o o s t 逆变器，该逆变器由两个共输入的 b o o s t 电路构成，其中一路b o o s t 输出带偏置的正弦波，另外路则与第一路相 差1 8 0 。相角的方式输出，每一路的输出电压均大于输入电压，从而在接两个b o o s t 输出端的负载上获得一个正弦波。 图1 5 单级式双b o o s t 逆变器幽1 6 烈b u c k - b o o s t 逆变器 图1 6 所示的双b u c k b o o s t 逆变器工作原理，和上述的双b o o s t 逆变器类似， 均为两个反向的带偏置的正弦波输出而在负载端获得一个正弦波。与双b o o s t 不同的是，双b u c k - b o o s t 的每一路输出电压可以高于或者低于输出电压。而双 b o o s t 逆变器每一路输出只能高于输出电压，这是由本身的电路特性所决定的。 并网独立双模式双降压式、| 桥逆变器的研究 反激变换器为隔离的b u c k b o o s t 变换器，双b u c k b o o s t 逆变器也可以演变 成双反激逆变器，如图1 7 所示， 图1 7 双反激逆变器 图1 8 双级式非隔离逆变器 单级式逆变器结构简单，成本较低，但是单级式非隔离型升压的程度有限。 其升压是靠电感的储能实现的，因此传输功率有限，仅适用于较小功率场合。 对于以上几种拓扑，目前只用作独立工作模式，而未用于并网运行。 1 4 2 多级式逆变器 多级式逆变器一般是在前级加了一个d c d c 变换器，这样使前后级既可以 独立工作也可以相互协调工作。如图1 8 所示的两级式b o o s t 逆变器由一个b o o s t d c d c 变换器和一个电压型全桥逆变器所组成，实现的方式为d c d c a c 。前 后可以分别独立控制，控制比较容易。 酶：吖站叫 图1 , 9 多级式隔离型逆变器 若要前后有隔离，将非隔离的d c d c 变换器改为隔离的d c d c 变换器即 可获得隔离型多级逆变器，如图1 9 所示，该拓扑前级使用了一个全桥d c d c 变换器实现了输入输出的隔离，该逆变器的实现方式为d c a c d c a c 。 南京航空航天大学硕士学位论文 黼誉池串叫 图11 0 多级式逆变器 除上述之外，图1 1 0 所示逆变器也是经常使用在分布式能源变换系统中的 一种拓扑。该变换器后级为电流源型逆变器控制方法与上面两种不同，前级开 关管高频斩波使在电感上的电流为半正弦，而后级以低频方式作开关动作，将 电感电流调理成为正弦输出。该逆变器只能作为并网逆变器使用，而前两种多 级逆变器既可独立运行，又可并网运行。 1 4 3 并网逆变器的控制方式 逆变器并网研究至今已有二十几年的历史，其并网控制技术主要有以下几 种_ “： ( 1 ) 、电压锁相环p l l ( p h a s e - l o c k - l o o p ) 控制 该技术主要通过检测电网电压，与基准电压的相位与幅值相比较，来调整逆 变器的电压和相位，当两者相位差1 h z 时，控制逆变器与电网脱离。 主要优点有：当电网与逆变器的频率相差1 h z 时，能脱离电网。 缺点有：不能保证电流与电压同相，p f 不高。 ( 2 ) 、补偿负载对电网电流产生的谐波，具有p f c 功能 当并网逆变器功率不够时，由电网向负载供电，并网逆变器仅作p f c 的功能 ( 即向电网注入无功功率，抵消非线性负载对电网的影响) ；工作正常时，该并网 逆变器向负载或电网提供功率，同时对负载兼起u p s 的功能。 实现：通过计算负载的功率，将其分为有功与无功，将无功分量由并网逆 交器提供，有功分量由并网逆变器提供或电网提供。 主要优点有：功率因数近似为1 ；补偿谐波电流；具有平衡负载的能力( 当 逆变器的功率不够时，电网提供功率给一部分功率给负载；其他情况为逆变器向 电网提供功率。) 并网独立双模式双降压式、p 桥逆变器的研究 缺点有：当电嘲有故障时，不能脱离电网；只考虑了电网电压正常的情况。 ( 3 ) 、电流锁相环控制 该技术以电流为参考，通过p l l 调节电流的相位与电网电压的相位同相， 来实现输出的功率因数近似为】。 主要优点：在电网电压不畸变时，功率因数近似为1 ，具有平衡负载的能力。 缺点有：不能保证电压畸变叫仍有高的功率因数。 ( 4 ) 、快速零相位检测 该技术主要通过正交理论与泰勒级数展开实现地，对检测的电网电压波形 用上述方法进行分解，得出基波的相位，从而调节电网电压的基波与参考电流 同相位，使得输出无功分量为零。 主要优点有：电网电压畸变时仍能保持功率因数近似为l ；补偿谐波电流； 平衡电网功率。 缺点有：基波相位差必须保证在3 0 度以内，该算法才准确；算法太复杂， 对硬件要求比较高。 ( 5 ) 、非线性控制 该技术在利用d q 模型体现并网逆变器非线性特征基础上，应用状态反馈线 性化方法设计了一种非线性控制器，以抵消其d q 模型的非线性。这种方法解耦 了线电流中的有功和无功分量，从而实现了并网逆变器有功、无功分量的独立 控制。 主要优点：实现了并网逆变器有功、无功分量的独立控制；改善了并网逆 变器的动态性能；保证输出无功功率为零，实现p f = i 。 缺点：没有考虑并网或断网瞬问对负载的影响。 ( 6 ) 、模糊控制 该控制方案应用模糊控制方法，对并网逆变器进行控制，使得并网逆变器 的输出电流与电网的电压同相。 实现：以并网逆变器电感电流的变化量和电网电压为输入量，经过定的 模糊推理，得出控制信号( 即占空比的变化) ，再将这个控制信号给p w m 发生 器，产生p w m 脉冲波形，控制电路的开关，达到高质量的正弦电流输出。 主要优点：能实现输出电流较高的正弦度。 缺点有：功率因数随并网逆变器负载的变化而变化：没有考虑并网或断网 瞬间对负载的影响。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 4 目前并网逆变器的发展趋势 从上述可以看出，目前的逆变器基本上是单一用途的：或作并网运行，或 作独立工作运行。仅作并网运行的逆变器能够充分利用设备，一般以最大的功 率将电能注入电网，而一旦电网发生故障即关闭，很难实现对本地重要负载不 间断的供电。独立工作运行的逆变器则是无法高效地利用设备，当负载较小的 时候则不能将多余的电能供给其他远程负载使用【1 3 】。 变换器的高效率、高功率密度、高可靠性和低成本仍然是现代电源变换器 的要求与目标，同时，还要求提高可再生能源利用率。其中高可靠性与提高可 再生能源利用率可以通过独立工作并网双模式运行来实现：当电网正常时逆变 器并网运行，逆变器可以将多余的电能送入电网从而实现较高的电能与设备利 用率。而在电网不正常时可以自行从电网断开，逆变器以独立模式工作，为负 载提供可靠的电能，该功能类似于u p s 的功能【引，能够保障本地负载的可靠运 行。另外，安全性也必须满足，一般要求逆变器隔离输出。 1 5 双降压式半桥逆变器 在多级式逆变器中，后级逆变器大多采用传统的半桥或者全桥逆变器，这 些逆变器存在着如下缺点【4 】： i 由于是桥式逆变，存在着桥臂上下功率管直通现象，所以在上下开关管驱 动下必须加上死区。在死区时间内，输出电压取决于负载电流的方向，造 成了输出电压波形的畸变。 2 使用m o s f e t 的传统半桥或全桥逆变桥的续流二极管是一个与功率开关管反 并联的二极管，通常为功率开关管的体二极管，这个二极管很难得到优化 设计，性能较差，带来很大损耗。 一种高可靠性的逆变电路称为双降压式半桥逆变器【4 , 5 , 2 7 , 2 8 , 2 9 】( d u a lb u c k i n v e r t e r d b i ) ，如图1 1 l 所示。这两种变换器可以归类到基于d c d c 变换器 的范畴。它们的共同特点是克服了传统逆变桥的直通问题，尤其适用对可靠性 要求高的应用场合。 并网独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 图1 1 1 双降压式半桥逆变器 d b i 的开关管的体二极管不工作，续流电流流过与开关管同一桥臂上的二极 管，因此功率开关管和功率二极管可以分别得到最优设计。这个特点使之能发 挥新器件的最大优势，实现低的开关损耗。而且主回路不需附加辅助电路，结 构简单可靠。 1 6 本文研究的内容与意义 基于以上分析，本文提出了应用于多级式逆变器后级中的一种并网独立双 工作模式滞环控制双降压式半桥逆变器。选用双降压式半桥逆变器提高了变换 器的可靠性和效率，可以获得更高的功率密度。为了使d b i 能够并网工作，使用 数字控制芯片d s p 来实现对电网的同步跟踪输出与电网同步的基准，并可以很方 便的调整输出电压和频率大小，实现电流环锁相控制。为了实现在并网与脱网 过程中双模式切换过程可能带来的负载电压畸变，本文提出了一种无缝并网、 脱网逻辑，从而保证切换过程中负载电压不畸变，实现了系统的商可靠性。 本文全文共分六章，其主要内容如下： 第一章论述了发展可再生能源的重大意义，说明了现阶段分布式能源系统 的概念和特点。介绍了并网逆变器研究现状和发展趋势，提出了本文主要研究 的内容。 第二章详细介绍了本文所用的电路拓扑双降压式半桥逆变器的工作方 式，进而提出了使用电流滞环控制来实现d b i 的无偏置电流运行。对单电流滞 环控制和电压电流双环控制的d b i 进行建模分析，分析了两种模式下的内阻抗。 第三章分析了d b 并网时的状态，阐述了逆变器能够稳定并网运行的条件， 并依此对逆变器的主电路拓扑、滤波器和控制器进行了比较和选择。 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章对并网脱网过程中可能出现的模态进行了分析，并依此进行了并网 脱网过程的分析。提出了几种减少电压畸变的方法，提出了基于d b i 逆变器的 无缝并网脱网过程逻辑。 第五章介绍了逆变器系统的硬件和软件实现。 第六章对本文的主要研究工作和结论进行了回顾和总结，并提出了进一步 研究的设想。 并网，独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 第二章双降压式半桥逆变器分析 本章介绍了双降压式半桥逆变器的工作方式，进而提出了使用电流滞环控 制来实现d b i 的无偏置电流模式。对单电流滞环控制和电压电流双环控制的d b i 进行建模分析，分析了两种模式下的内阻抗。 2 1 双降压式半桥逆变器主电路的构成与特点 2 1 1 双降压式半桥逆变器主电路的构成 如图2 1 为双降压式半桥逆变器的主电路，它可以看成是两个类似b u c k 桥臂变换器构成，分别由q l 、d i 、l l 、c t 平t jq 2 、d 2 、l 2 、c f 构成。 稳态工作时，桥臂q l & d i ( q 2 & d 2 ) 正弦p w m 调制，在a ( b ) 点获得双极性的 p w m 波，经过l l ( l 2 ) c f 构成的滤波器滤去高次谐波后，就可以得到低谐波含量 的正弦电压或电流。两只桥臂只能出单向的电流，桥臂q i & d 1 只能输出给c f 充 电的电流，而桥臂q 2 & d 2 只能输出给c f 放电的电流，输出电流j o 为两桥臂输出 电流之和。两桥臂既可以同时工作也可以分别动作，由此可以分为有偏置电流 工作模式和无偏置电流工作模式，详细情况见2 2 与2 3 节。 图2 1d r 主电路图 8 2 1 2 双降压式半桥逆变器的主要特点 1 作为半桥逆变器的一种特殊形式。d b i 具有若干传统半桥逆变器的特点：只 需两只功率开关管，主电路结构简单；需要带中点的直流输入电压，直流电压 南京航空航天大学硕士学位论文 利用率低。 2 因其独特的电路结构，d b i 有其独有的特点： a ) 由于两只功率管之间串联着两只较大的滤波电感，因此没有传统逆变桥的直 通问题，系统的抗干扰能力强，可靠性高； b ) 续流电流流过独立的续流二极管，功率开关管和续流二极管可分别得到最优 设计，开关损耗低，从而带来较高的开关频率和较小的无源元件，可以实现较 高的功率密度： c ) 不需设置死区时间，消除了死区引起的电路非线性及波形畸变问题； 3 d b i 也存在一些不足之处： 1 ) 存在电感电流断续情况，输出电压或电流过零处会产生畸变； 2 ) 需要两只单独的续流二极管； 3 ) 需要两只滤波电感，会增加滤波器的体积重量和成本。 4 ) 控制较半桥式逆变器复杂。 2 2d b i 有偏置电流工作模式 在这种工组模式下，d b i 的q i & d i ( q z & d 2 ) 同时正弦p w m 调制 q l & d t ( q 2 & d 2 ) 始终工作在连续模式下，输出电流i o 为两电感电流之和( f l + 么) 其关键的电压电流波形如图2 2 所示。 l ，厂 一 ： 、八! 厂，； 图2 2d b i 有偏置电流模式主要波形图 根据电流i 。纹波情况可以分为以下四个模态： 并网，独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 表2 1d b i 有偏置电流 作方式模态分析表 模态 q d ， q 。d 。 a 点电位b 点电位 + 1 态 10ol + u d+ u d 一1 态 ol10 u du d 0 态 olol - u d+ u d 0 态 l01o + u du d ( a ) 模态1 ( c ) 模态3 ( b ) 模态2 ( d ) 模态4 图2 3d b l 有偏置电流模式模态图 a ) 模态l ( + l 态) 参见图2 3 ( a ) ，此时q i 开通，q 2 关断，d 1 截止d 2 导通。l 卜k 上的电 流i l j 、i l 2 有下式关系 6 】： 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 纽西 堕衍 乞 ； 嚣 l u u 一 一 南京航空航天大学硕士学位论文 义相： i o = i l l + i l 2 ( 2 3 ) 取l l = l 2 = l ，联立( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 可得： u d - u l = i l i d i o ( 2 - 4 ) 可见输出电流i o 的上升斜率为2 ，( u d u l ) l 。 b ) 模态2 ( 1 态) 参见图2 3 ( b ) 此时q 1 关断，q 2 开通，d 2 截止d l 导通。此时l 1 上的电流屯，有下式关系： 一u a - u l = l t 百d i l l ( 2 - 5 ) 一u a - u r = l 2 百d i l 2 ( 2 - 6 ) 联立( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 3 ) 可得： 也也= 考百d i o ( 2 - 7 ) 可见输出电流i 。的上升斜率为2 + ( - u d u l ) l 。 c ) 模态3 ( 0 态) 参加图2 3 ( c ) 此时q 1 、q 2 开通，d 1 、d 2 截止。联立式( 2 1 ) ( 2 6 ) ( 2 3 ) 可得： 一巩= 兰一d i o ( 2 - 8 2d t 、 ， 从式( 2 - 8 ) 可以看出输出电流是由负载电压所决定的，与母线电压无关。 d ) 模态4 ( o 态)参见图2 3 ( d ) 此时q 1 、q 2 关闭，d 1 、d 2 导通。联立式( 2 2 ) ( 2 5 ) ( 2 3 ) 可得： 一巩= 兰一d i o ( 2 - 9 ) 2d t l 同模态3 ，输出电流是由负载电压所决定的，与母线电压无关。 2 3d b i 无偏置电流模式 并阿，独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 传统半桥逆变器的电感电流可以在逆交桥和电感之间双向流动，在电感电 流较小时，电流可以变负，因此不存在d c m 模态。而d b i 由于主电路结构的 特殊性，苦的运行与传统逆变器不同。d b i 具有b u c k 电路的运行特点，电感 电流只能是单向的，电感电流较小时会断续。 在d b i 无偏置电流模式运行时，q ，& d ( q ，d ，) 在输出电流的上( 下) 半周时 正弦p w m 调制，并不同时工作，其关键波形如图2 4 所示。l l ( l 2 ) 的电流等于 输出电流的上( 下) 半周，园此存在电感电流较小的情况，电感电流将出现断续， 此时d b i 工作在无偏置电流电感电流断续工作模态；而当电感电流较大时，电 感电流连续，d b i 工作在无偏置电流电感电流连续工作模态。 l i 八j 厂 l 乙 j 一、八厂一 u 广 八 图2 4d b i 无偏置电流控制主要波形图 2 3 1d b i 无偏置电流电感电流连续模态分析 在电感电流连续时，无偏置电流模式运行的d b i 有四个工作模态： 表2 2d b i 无偏置电流电感电流连续模态表 模态 q ，d jq ， d i l l1 l 2a 点电位b 点电位 + 1 态 1001 o= 0 + u d 一1 态 ollo o= 0 u d + 1 态 o1o1= 0 电压型模式独立工作时的讯，并 网时电感电流给定如。 独立运行时逆变器电感电流给定i g 。 5 ) 逆变器以电流型模式运行时，电压p i 调节器输出值为与以电压型模式运行时 的电流给定同极性的一个饱和值。 4 3 1 模式控制开关与并网开关同时闭合( 断开) 在这种情况下，逆变器将直接在电压型模式运行与切换至电流型模式运行 进行切换。 ，_ 厂、“蚝 ，y i ，g 一f l 代。，；。 n 。； r 7 。矿弋。 。么f a 0 州t 。 。，仓k 一。l 图4 2 并网负载电压与电流环给定图图4 , 3 脱网时负载电压与电流给定图 如图4 2 所示，其中为电网电压，札为负载电压，“。为逆变器独立工作 时的输出电压；噜为实际的电流环给定，心为并网时的电感电流给定，f ”为独 立工作时的电感电流给定。t l 时刻前，逆变器处于电压型控制模式独立带负载运 行状态，u l - - z s ，毛= f g - s 。在t z 时刻并网开关和模式开关同时闭合，逆变器从电 南京航空航天大学硕士学位论文 压型控制模式切换到电流型控制模式并输出同时并上电网， 将突变为电网电压，其突变值为： a u l = u g s i n ( c o t 1 ) 一u s s i n ( ) 则在并网瞬间引起的电流冲击为： 这时负载上的电压 ( 4 9 ) 瓴= 坐= 堕坐( 4 - 1 0 ) zz u gg 同时逆变器的电流给定也将发生突变，在n 时刻由p i 输出的电压型模式给 定值突变至并网给定电流，其变化量为： g = i g 一。s i n ( c o r l 一口) 一i g 一，s i n ( c o t l 一回f 4 - 1 1 ) 其中目为电感电流滞后电网电压的角度。在开关合上之后，如上述分析，由 于输出电压变为电网电压，电压p i 调节器输出将饱和输出。 上述为逆变器在并网时开关同时切换所发生的情况。在脱网过程中情况类 似，如图4 3 所示，t l 时刻前，逆变器处于电流型控制模式并网运行状态，研= “o ，l g 一- - - i 。在f l 时刻并网开关和模式开关同时断开，在可以看出，脱网过程中 札从i , g 跳变至“s ，其突变值的绝对值与并网时候突变值相同，而引起的电流冲 击则不同，主要是由于在脱网时电压p i 调节器输出f 。饱和输出，数值上大于 正常工作时的i g 。这时切换中将电流环从f g 。跳至饱和值k ，然后由变换器自 动调整至期望的电流环给定。这个过程会引起一个比较大的电流给定冲击，严 重时会导致负载上电压的畸变，其值为： 缸g2 一j 。r j g 一。s i n ( c 0 1 t 1 )f 4 - 1 2 1 4 3 2 先闭合( 断开) 模式控制开关后闭合( 断开) 并网开关 在这种情况下，并网( 脱网) 过程中系统将较上述两开关同时闭合( 断开) 多出一个中间过渡模态。如图4 4 所示，其中 is 为逆变器在电流型模式独立工 作下的输出电压。在t l 时刻前，逆变器处于电压型控制模式独立带负载运行状 态，札= “。，i g = - i 。：在r l 时刻，模式控制开关闭合，此时并网开关处于断开状 态，中间过渡状态为逆变器电流型模式独立运行，所以在f l 至t 2 时刻负载上的 电压由并网电感电流给定f g 。和负载决定，其大小为： - 4 3 并网，独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 卢、“6 一 f 、澎 吞t 。文。 ： 一 t g 一5 叫 磁 一 i 七i 仑； 1 9 、；t l ：t2 k i 一， 寸化一。 图4 4 并网负载电压与电流环给定图 u i s = ig c z l 在t t 时刻的实际电流给定奄跳变为： a i g = i s 一。s i n ( o j f i 一臼) 一，g 一， 则在，l 时刻的负载电压跳变为： 图4 5 脱网时负载电压与电流给定图 ( 4 1 3 ) s i n ( w t i 一国 ( 4 1 4 ) u 矿压k 。z 小s i n ( c or f l ) _ u 1 ，s i n ( c o f i ) ( 4 - 1 5 ) 在t 2 时刻并网开关闭合，系统转为电流输出控制并网模式运行，这时电流 给定保持不变，而同样由于电网电压特性比较硬，负载上电压被箝制为电网电 压，其变换量为： a u 2 = s i n ( c o r 1 ) 一2 l ，z f s i n ( 国，t )( 4 - 1 6 ) 而在脱网过程中先切换模式开关，后关断并网开关出现的中间状态为逆变 器电压型控制模式并网运行。如图4 5 所示，t l 时刻前，逆变器处于电流型控制 模式并网运行状态，“l = u g ，t g = i g 。在t l 时刻，模式开关断开，逆变器由电流 型控制模式切换至电压型控制模式，由于此时逆变器输出电压被电网电压箝制 住，因此负载上电压保持不变，而电压p i 调节器输出为饱和值。在t 2 时刻并网 开关断开，逆变器开始独立工作，这时逆变器电压p i 调节器输出开始退出饱和 状态，负载电压变回电压型控制模式时所设置的电压输出值。其变化值为： = u s i n ( c o 一u g s i n ( c o ，1 ) f 4 17 、 南京航空航天大学硕二e 学位论文 4 3 3 先闭合( 关断) 并网开关后闭合( 关断) 模式控制开关 如图4 , 6 所示，并网时在f l 时刻，并网开关先闭合，此时模式控制开关处于 断开状态，逆变器以电压型模式运行，中间过渡状态为逆变器电压型模式并网 运行。并网时引起得电网电压突变同式( 4 9 ) ，同上述逆变器的p i 调节器输出将 饱和输出逆变器电感电流输出接近方波。其给定电流突变同式( 4 一1 1 1 在t 2 时刻，闭合模式开关，逆变器切换为电流型模式，负载电压不变，逆 变器电流给定突变为： 甜g = i g 一。s i n ( c o t 2 ) + ，。( 4 1 8 、 z 。 穴l 。 f g c j 乒。 、一作0 l _ 上一 l ? ，一s p 、 饿 l 、= = 队“。 气、| t 】| l 。 t ，谳一。f 图4 6 并网负载电压与电流环给定图 图4 7 脱网时负载电压与电流给定图 而在脱网过程中先关断并网开关，后关断模式开关出现的中间状态为逆变 器电流型控制模式并网运行，在t t 时刻，逆变器开始独立工作，负载上的电压 由负载和逆变器电流给定所决定。在t 2 时刻模式开关切换，逆变器由电流型控 制模式切换至电压型控制模式，输出电压变回电压型控制模式时所没置的电压 输出值，电压p i 调节器输出的电流给定由负载电压与负载大小所决定。 4 3 4 三种切换过程的比较 第一种同时切换方法引起的状态变换最少，而且产生的电压电流突变较小， 所以这种方法在三种中是最优的。但是在实际中由于器件和寄生参数的影响很 难做到两个开关同时切换，实现起来比较困难。 第二种先切换模式控制开关后切换并网开关在并网过程中开关切换均会引 并网独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 起电压的突变，但是电流只变化一次；而在脱网过程中开关的切换引起了两次 电流突变，负载电压只突变一次。第三种先切换并网开关后切换模式控制开关 则与第二种方法刚好相反，在并网过程中输出电压只引起了一次突变而电流给 定突变两次，而在脱网过程中开关的切换引起两次电压突变，一次电流突变。 从上述分析可以看出，以电压型逆变器并网状态作为中间过程的并网过程 出现的负载电压突变次数较小，但是其电感电流给定变化量较大，且在并网时， 电流给定为电压p i 调节器的饱和输出，对逆变器的冲击比较大。如果逆变器容 量较大时还会对电网产生冲击。也有可能出现电流给定与电网电压相位不一致 情况，有可能导致能量倒流，那么就必须对输入母线电压进行控制，否则会造 成直流母线电容过压。而以逆变器电流型模式独立工作为中间状态虽然电压突 变次数多，但可采取措施减少突变，而且作为并网中间过程逆变器工作稳定， 不会出现造成破坏变换器的情况。因此，本文并网( 脱网) 过程采用以电流型 模式独立工作为中间过渡。需要注意的是，逆变器在单电流环工作时如果给定 电流过小( 幅值接近环宽) 有可能会发生不稳定情况，并且输出电流畸变加大， 所以以电流型模式作为中间状态较适合带载情况下的切换，而在空载或者极轻 载情况下不适合无缝切换，需要专门处理。 4 4 减小负载电压突变的措施 在并网过程中，由于逆变器连接至电网上的阻抗z 0 很小，逆变器输出与电 网电压存在很小的电压差也会引起比较大的冲击电流。为了减少冲击电流，必 须采取措施减小并网时的电压突变或电流突变。 4 4 1 输出电压跟踪 引起电压突变的原因在于逆变器输出的幅值与电网电压幅值存在差值，所 以在并网之前，先将输出电压跟踪电网电压，尽量减少两者的幅值差，那么在 并网瞬间引起的电流冲击就可以大大减少。 4 4 2 开关切换点的选择 如果选择在并网开关切换动作时为逆变器与电网电压过零点处，那么由于 在过零点处两者电压幅值本身就比较小，那么在切换过程中引起的电压突变也 就比较小，而且电压过零点检测相对比较容易，该方法实施比较容易。 南京航空航天大学硕士学位论文 4 4 3 电流缓启动 对于以电流型模式控制独立运行状态为中间过渡状态的并网过程，引起电 压突变的原因在于并网电流给定不等于原来的电压p i 输出电流给定，如果在t t 至t 2 时刻电流型模式控制给定等于原来的电压p i 输出电流给定，然后在t 2 时刻 并网后，输出电压被筘制为电网电压，这时缓慢改变输出电流至所期望值即可 减小电压突变。同理，在以电流型模式控制独立运行状态为中间过渡状态的脱 网过程，先减小电流给定至独立工作模式所期望的p i 输出电流给定，然后再切 断并网开关即可，这种脱网方法对于采用固态开关继电器比较有效，也可以用 于其他类型的开关。 4 5 逆变器并网无缝切换的提出 假设初始情况下逆变器的初始工作状态为独立工作模式，电网出现故障， s 1 断开。电网故障清除后，电网上重新恢复正常，逆变器此时应该重新并上电 网，这时逆变器输出的电压、频率、相位大小就有可能与电网电压不一致，所 以逆变器在并网之前首先必须进行电压、频率、相位跟踪以减小在并网时候的 冲击电流。 在逆变器的电压、频率、相位都跟踪好后，这时可以合上开关s 1 ，同时要 将逆变器的电压型控制模式切换为电流型控制模式。同样，为了减少逆变器和 电网的冲击，注入电网的电流最好是逐渐改变的缓启动过程：即开始电流给 定为负载电流，然后在并网后的几个周期内逐渐增加电流基准的幅值至所期望 的输出电流幅值。 可以将上述并网逻辑过程总结为以下几步： 1 ) 检测电网电压是否满足并网要求； 2 ) 调整逆变器输出电压幅值、频率、相位与电网一致； 3 ) 一旦逆变器调整好之后，合上s 1 。同时将逆变器从电压型控制模式切换为电 流型控制模式。电流给定等于负载上电流； 4 ) 缓慢增大电流基准幅值至给定值同时调整输出电流与电网电压同相。 4 6 逆变器脱网无缝切换的提出 并网独立双模式双降压式半桥逆变器的研究 假设逆变器的初始工作状态为并网工作模式，这时逆变器为电流型逆变器， 向电网注入高频调制电流。当电网发生故障时，d s p 将检测出电网电网电压的 大小和频率的变化并在某一预设点响应关闭s 1 。由于采用的是继电器或者i g b t 双向开关，关断是强行关断的，流向电网的电流将突变为零。这时如果先改变 电流基准大小至负载电流大小，同时切换逆变器并网开关，那么负载上的电压 将基本保持不变。待并网开关完全关断时即可切换逆变器至电压型模式。 可以将上述脱网逻辑过程总结为以下几步： 1 ) 检测电网故障并在故障发生； 2 ) 将电感电流给定变为输出负载电流，然后关断并网开关； 3 ) 延时等待并网开关完全关断，之后切换模式开关将逆变器从电流型模式切换 为电压型模式。 4 7 频率相位跟踪 由上述分析可知，在并网时输出电流与电网电压始终保持一定的相位是必 要的，因此必须使用锁相环来使输出基准不断跟踪电网电压的频率和相位，从 目前来看，锁相环可以采用模拟或数字实现【1 4 0 3 1 。本文采用一种简洁而又有效的 数字方法来实现锁相。 对于频率的调整，当电网电压当前频率较前次频率变化很小时，以前次频 率为准，不进行调节；当电网电压当前频率较前次频率变化较大，但又未超出 频率的最大调整量x 时，则以当前频率为准：当电网频率较前次频率变化很大， 超出了频率的最大调整量，则调整后的频率为前次频率加上减去最大调整量x 。 对于相位的调整，假设d s p 内部的正弦基准表格由n 个数据构成，设定个