逆变器设计制造方法专利技术集及调制

1、(19)中民*CCNN110033336688443333AA*(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日CN 1033684332013.10.23A(21)申请号201310330391.9(22)申请日2013.07.31(71)申请人地址 518129技术省市龙岗区坂田总部办公楼(72)发明人辛凯刘云峰郭海滨(74)专利机构 北京路浩知识产权公司 11002纪烈超有限人(51)Int.Cl.H02M H02MH02J7/483 (2007.01)7/5387 (2007.01)3/38 (2006.01)权利要求书1页 说明书5页附图4页(54) 发明名称逆变器及 PWM

2、 调制方法(57) 摘要本发明公开了一种逆变器，包括 ：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压单元和 PWM 调制单元，所述输入单元、输出单元、电网电压检测单元和交流电压单元均连接所述PWM 调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压单元。还公开了一种 PWM 调制方法。本发明实施例中，在电网电压处于低电压穿越状态时，PWM 调制方法从多电平转换为两电平调制，实现了低电压穿越时的可靠并网。CN 103368433 A权利要求书CN 103368433 A1/1 页1. 一种逆变器，其特征在于，包括 ：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压单元和 PWM 调制单元，所述输入单元、

3、输出单元、电网电压检测单元和交流电压单元均连接所述 PWM 调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压所述输入单元用于将直流电压传输至 PWM 调制单元 ；单元 ；所述电网电压检测单元用于将检测到的电网电压幅值和相位传输至交流电压元 ；单所述交流电压单元用于根据预定的并网电流指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流的目标电流值 ；指令中包括并网时所述电网电压检测单元还用于在所述电网电压幅值低于低电压穿越阈值时触发所述PWM 调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过两电平 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压 ；或者在所述

4、电网电压幅值高于等于低电压穿越阈值时触发所述 PWM 调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压 ；所述输出单元将所述第一交流电压或第二交流电压输出至电网侧。2. 如权利要求 1 所述的逆变器，其特征在于，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。3. 一种 PWM 调制方法，其特征在于，包括步骤 ：检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值 ；根据预设的并网电流指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流指令中包括并网时的目标电流值 ；电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值 ；若低

5、于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平 PWM调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压 ；若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。4. 如权利要求3 所述的PWM 调制方法，其特征在于，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的 5%。2说明书CN 103368433 A1/5 页逆变器及 PWM 调制方法技术领域0001本发明涉及计算机及通信技术领域，尤其涉及一种逆变器及 PWM 调制方法。背景技术0002图 1 为 T 型三电平逆变器拓扑，通过

6、绝缘栅双极型晶体管（Insulated GateBipolar Transistor）的开通、关断，实现从太阳能电池 DC 到电网 AC 的能量转换，是在太阳能应用中非常有应用前景的拓扑结构。0003 低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），指在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（或区域）。0004 逆变器中的 PWM 调制单元功能主要是将直流电压通过脉宽调制转换成为交流电压，交流电压是通过 PWM 产生电平与脉宽可的脉冲序列来近似模拟实现的。逆变器系统会根据

7、运行工况的需要调节逆变器的交流输出电压，PWM 单元根据交流输出电压指令值与直流电压的电压值、电平数情况输出脉宽信号，通过开关的状态，实现调节逆变器的交流输出电压的目的。逆变器晶体管或其他功率电子0005 传统的三电平 PWM（Pulse Width Modulation）调制方法如图 2 和图 3 所示。图2 为三电平 PWM 信号产生原理，通过正弦调制波 Ux（其中 x 分别表示 a、b、c 三相调制信号， 且和上图 1 对应）分别与三角载波 Tr1、Tr2 比较产生 PWM 调制信号 Qx1 和 Qx4。0006 图 3 为 PWM 开关状态表，其中 Qx1 与 Qx3 互补导通、Qx2

8、 与 Qx4（Qx1、Qx2、Qx3 和 Qx4 分别对应图 1 中 Q1、Q2、Q3 和 Q4 晶体管的开关状态，x 表示 a、b 或 c 三相）互补导通，同时 Qx1与 Qx4 分别代表正弦调制波 Ux 在其上下半周的 PWM 调制信号。0007 实现并网逆变器低电压穿越 LVRT 时，在逆变器并网点电压跌落过程中，特别是跌落电压接近 0 的零电压穿越场景，逆变器能够保持可靠并网，按标准要求输出有功 / 无功电流。0008如图 1 中 T 型三电平拓扑，PWM 调制信号 Q1 和 Q3 互补，Q2 和 Q4 互补。任何电力电子开关器件都有一定的固有开通时间和关断时间，在具有直流母线的桥式逆

9、变器中，一个 开关器件没有完全关断之前另一个开关器件已经导通，这样就相当于两个开关器件同时导通而造成直流母线短路，因此必须保证有一定时间的延迟，该延迟时间即称为死区时间。0009实际工作中，为防止 Q1 和 Q3、Q2 和 Q4 同时导通，需要设置互补导通信号死区，如图 4 所示，死区的存在导致逆变器桥臂输出电压存在偏差 u，在开关占空比较大的情况下，此偏差所占比例 u/u 较小，但当调制系数（Modulation Index）较小，即开关占空比很小的情况下，偏差所占比例 u/u 将比较大，从而加深了输出电压矢量偏离参考电压矢量的程度，导致输出电压波形发生畸变，增大输出电压谐波。如图 5 所示

10、，在低电压穿越时，由于电网电压可能会跌到 5% 以下，这时候逆变器输出电压很低（逆变器输出电压为图 5 中上面波形中近似平坦的正弦波，即参考电压），调制系数较小，PWM 将产生很多窄脉冲，逆变器输出电压波形畸变非常严重（PWM 调制后的逆变器输出电压波形如图 5 中下面的波形所示，已3说明书CN 103368433 A2/5 页发生严重变形），将导致并网电流畸变或者震荡，以及中点不平衡问题，从而无法实现可靠并网。发明内容0010本发明实施例提供逆变器及 PWM 调制方法，以解决现有技术中在低电压穿越时， 采用三电平 PWM 调制将产生很多窄脉冲，逆变器输出电压波形畸变非常严重，无法实现可靠并网

11、的问题。0011为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案 ：0012第一方面，提供包括 ：输入单元、输出单元、电网电压检测单元、交流电压单元和 PWM 调制单元，所述输入单元、输出单元、电网电压检测单元和交流电压单元均连接所述 PWM 调制单元，电网电压检测单元连接所述交流电压单元 ；0013所述输入单元用于将直流电压传输至 PWM 调制单元 ；0014所述电网电压检测单元用于将检测到的电网电压幅值和相位传输至交流电压控制单元 ；0015所述交流电压单元用于根据预定的并网电流指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流网时的目标电流值 ；指

12、令中包括并0016 所述电网电压检测单元还用于在所述电网电压幅值低于低电压穿越阈值时触发所述 PWM 调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过两电平 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压 ；或者在所述电网电压幅值高于低电压穿越阈值时触发所述 PWM 调制单元根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压 ；0017所述输出单元将所述第一交流电压或第二交流电压输出至电网侧。0018在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。0019第二方面，提供一种 PWM 调制方法，包括

13、步骤 ：0020检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值 ；0021根据预设的并网电流指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位，所述并网电流指令中包括并网时的目标电流值 ；电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值 ；00220023若低于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压 ；0024若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。0025在第二方面的第一种可能的实现方式中

14、，所述低电压穿越阈值为正常电网电压的5%。0026本发明实施例中，在电网电压处于低电压穿越状态时，PWM 调制产生两电平 PWM波，此时 PWM 波形的占空比接近 1:1（如图 8 所示），无窄脉冲出现，死区时间对开关管导通时间和关断时间的影响被大大的消弱了，输出波形畸变小，提高了穿越过程中的输出波形4说明书CN 103368433 A3/5 页质量，避免了三电平调制时中点不平衡问题，提高了 LVRT 能力。附图说明0027为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通

15、技术据这些附图获得其他的附图。来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根0028图 1 是现有的一种 T 型三电平逆变器电路拓扑结构图 ；0029图 2 是现有技术中的三电平 PWM 调制示意图 ；0030图 3 是是现有技术中的三电平 PWM 开关状态表，与图 2 对应 ； 0031图 4 是现有技术中的三电平 PWM 调制方法中信号死区效应图 ； 0032图 5 是设置互补导通信号死区后三电平 5% 指令电压调制示意图 ；0033图 6 是本发明实施例的一种逆变器结构示意图 ；0034图 7 是采用图 6 中逆变器进行 PWM 调制时的调制方式切换时序图 ；0035图 8 是采用图 6 中

16、逆变器在电网电压进行低电压穿越时两电平 PWM 调制示意图 ；0036图 9 是本发明实施例的一种 PWM 调制方法流程图。具体实施方式0037为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在没有0038下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。0039本发明实施例的逆变器如图 6 所

17、示，包括 ：输入单元 610、电网电压检测单元 620、PWM 调制单元 630、输出单元 640 和交流电压单元 650。输入单元 610、输出单元 640、电网电压检测单元620 和交流电压单元650 均连接PWM 调制单元630，电网电压检测单元620 连接交流电压单元 650。逆变器的输出单元 640 通过并网滤波器与电网连接。0040输入单元 610 将逆变器的输入，即直流电压输入至 PWM 调制单元 630。电网电压检测单元 620 检测电网电压的幅值是否低于低电压穿越阈值。本实施例中为正常电压的 5%。若低于低电压穿越阈值，则说明电网电压处于低电压穿越状态。电网电压检测单元 62

18、0 还提供电网电压幅值与相位给交流电压检测单元 620 的输入、预设的并网电流单元 650，交流电压单元 650 根据电网电压指令（通常由逆变器的器下发）及当前的电网电流值计算输出交流电压幅值与相位。其中并网电流值，通过 PWM 调制使逆变器输出电压至电网侧的方式来目标电流值。指令中包括并网时的目标电流当前的电网电流达到并网时的0041在电网电压处于低电压穿越状态时电网电压检测单元 620 触发 PWM 调制单元 630根据所述交流电压幅值和相位通过两电平 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电压（即两电平 PWM 调制），第一交流电压的幅值和相位分别为交流电5说明书

19、CN 103368433 A4/5 页压单元 650 计算出的所述交流电压幅值和相位。其中第一交流电压使得在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网，即使得电网电流能够达到并网时的目标电流值。若高于等于低电压穿越阈值，则触发所述 PWM 调制单元 630 根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压（三电平以上 PWM 调制），即在电网电压不处于低电压穿越阶段时，可按现有的 PWM 调制方式调制。0042 本实施例中，电网电压检测单元 620 触发 PWM 调制单元 630 进行调制可通过设置低电压穿越标志位实现。电网电压

20、检测单元 620 检测到电网电压的幅值低于低电压穿越阀值时认为此时电网处于低电压穿越状态，将低电压穿越标志位置1，否则置0。PWM 调制单元 630 检测低电压穿越标志位的值，然后进行相应的调制。PWM 调制单元630 的切换过程如图7 所示，通过电网电压检测单元610 检查电网电LVRT（低电压穿越）是否发生。在 t<t1 时间区域，电网电压 Vgrid 正常，低电压0043压 Vgrid穿越标志为 0，逆变器采用正常的多电平（三电平以上）调制 ；t1<t<t2 时间区域，电网电压 Vgrid 跌落小于阈值，LVRT 发生，低电压穿越标志为 1，逆变器采用两电平调制 ；t&

21、gt;t2 时间区域，LVRT 已恢复，电网电压 Vgrid 跌落大于阈值，低电压穿越标志为 0，逆变器采用多电平（三电平以上）调制。0044 以图 1 中的三电平逆变器电路为例，在 PWM 调制单元 630 中，两电平 PWM 调制是通过 PWM 波如图 1 中的 Q1 和 Q2 开通或关断，即需要两个电平就能Q1 和 Q2 的开通或关断，Q3 和 Q4 默认为关断状态，因此其输出为 1 和 1 两个状态电平。三电平 PWM 调制是通过 PWM 波如图 1 中的 4 个开关管 Q1、Q2、Q3、Q4 开通或关断，其输出为 1、0 和 1三个状态电平。其中 Q1 开通或关断信号Qx1 由调制波

22、 Ux 与载波 Tr1 比较产生产生，Q4 开通或关断信号 Qx4 由调制波 Ux 与载波 Tr2 比较产生产生，如图 2 所示。开关管 Q2 开通关断状态与 Q4 互补，开关管 Q3 开通关断状态与 Q1 互补，如图 3 所示。0045如图 8 所示，由于在低电压穿越发生的时候，逆变器采用两电平 PWM 调制方式，使得在参考电压（图 8 上面波形中的平坦正弦波）很低情况下，也能输出 PWM 波（即第一交流电压）占空比接近 1:1，如图 8 中下面的波形所示，无窄脉冲。此时死区对开关管的导通和关断时间的影响被大大削弱了，易于实现死区补偿，减小死区对并网电流波形的影响，输出电流波形畸变小，且两电

23、平调制无中点平衡问题，有利于实现低电压穿越时的可靠并网。0046本发明还提供一种 PWM 调制方法，如图 9 所示，包括 ：0047步骤 S910，检测逆变器通过并网滤波器连接的电网电压幅值。0048步骤 S920，根据预设的并网电流指令、当前的电网电流值、所述电网电压幅值及相位计算输出交流电压幅值和相位。所述并网电流值。指令中包括并网时的目标电流0049步骤 S930电网电压幅值是否低于低电压穿越阈值。0050 步骤 S940，若低于低电压穿越阈值，如 ：为正常电网电压的 5%，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过两电平 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第一交流电

24、压。该第一交流电压的幅值和相位分别为步骤 S920 中计算出的所述交流电压幅值和相位。其中第一交流电压使得在逆变器并网点电压跌落的时候，逆变器能够保持并网。6说明书CN 103368433 A5/5 页0051步骤 S950，若高于等于低电压穿越阈值，则触发逆变器根据所述交流电压幅值和相位通过三电平以上的 PWM 调制方式将所述直流电压调制成为所述逆变器输出的第二交流电压。0052本发明的逆变器可以为单相 T 型、I 型三电平逆变器、三相 T 型、I 型三电平逆变器、单、三相多电平逆变器。这些逆变器均可采用上述 PWM 调制方法实现低电压穿越时的可靠并网。0053本领域普通技术将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采