專利名稱：混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法及其調(diào)制模式切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路。
背景技術(shù)：
將直流變換成交流的技術(shù)稱為逆變，為得到純正正弦波輸出，降低輸出電壓或電流中的諧波，SPWM(正弦波脈寬調(diào)制,Sinusoidal Pulse Width Modulation)調(diào)制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于逆變控制中。隨著現(xiàn)代社會對能源的需求增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源越來越少，而且在煤炭、石油的利用過程中產(chǎn)生的廢氣和廢物都嚴(yán)重污染自然環(huán)境，對人類 的健康和生活造成很大的危害。為了避免能源危機、保護環(huán)境，人們開始使用可再生能源。所以，使用可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)迅速的發(fā)展起來。而分布式發(fā)電系統(tǒng)的核心為并網(wǎng)逆變器與離網(wǎng)逆變器，并網(wǎng)逆變器將利用可再生能源產(chǎn)生的不穩(wěn)定的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電能，實現(xiàn)并網(wǎng)；離網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為負載可以利用的穩(wěn)定頻率與電壓的交流電。采取適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)，能夠使得逆變器的輸出電壓或電流波形畸變量減少，從而不影響注入電網(wǎng)電能的質(zhì)量或給負載提供更好質(zhì)量的交流電源。PWM(脈沖寬度調(diào)制，Pulse Width Modulation)技術(shù)是基于采樣控制理論中的一個重要結(jié)論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。SPWM技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，采用等腰三角波作為載波信號，正弦波作為調(diào)制信號，通過正弦波與三角波信號相比較的方法，確定各分段矩形脈沖的寬度，形成脈沖寬度正比于正弦波調(diào)制信號幅值的一系列矩形脈沖列，從而形成逆變電路中開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，控制逆變器電子開關(guān)的開通與關(guān)斷。SPWM可用數(shù)字控制芯片或硬件電路實現(xiàn)。根據(jù)三角波和正弦波相對極性的不同，SPWM調(diào)制可分為單極性SPWM和雙極性SPWM兩種方式。單極性SPWM和雙極性SPWM兩種調(diào)制方式在實際應(yīng)用的過程中，受其固有特性的限制，逆變器的輸出波形會發(fā)生不同程度的畸變，單極性調(diào)制會使逆變器輸出在正弦過零點附近產(chǎn)生畸變，而雙極性調(diào)制會使逆變器輸出在正弦峰值附近產(chǎn)生畸變，這兩種畸變都會使輸出電壓或電流的諧波增加，影響逆變輸出交流電能的質(zhì)量。附圖3(c)、(d)為單極性SPWM并網(wǎng)逆變電流的仿真波形，可見在過零點附近有明顯畸變；附圖4(c)、(d)為雙極性SPWM并網(wǎng)逆變電流的仿真波形，可見正弦峰值附近有明顯畸變。該結(jié)果為應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件在相同的載波頻率、濾波參數(shù)、死區(qū)時間下得到的。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種可使并網(wǎng)逆變器輸出電壓或電流波形諧波更少，并網(wǎng)電能質(zhì)量更高，使離網(wǎng)逆變輸出的諧波更少的混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路。技術(shù)方案本發(fā)明的混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路，包括第一與門、第二與門、或門和隔離，第一與門和第二與門的輸出端分別與或門的輸入端連接，或門的輸出端與隔離的輸入端連接?；旌向?qū)動的低諧波逆變控制方法中，雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號由控制芯片的兩個引腳分別輸出至調(diào)制模式切換電路，調(diào)制模式切換電路的隔離的輸出端與逆變系統(tǒng)開關(guān)管的輸入端連接。本發(fā)明調(diào)制模式切換電路中，單極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號與由控制芯片產(chǎn)生的第一矩形波信號作為第一與門的輸入信號，雙極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號與由控制芯片產(chǎn)生的第二矩形波信號作為第二與門的輸入信號，所述第一與門和第二與門的輸出信號作為或門的輸入信號，所述或門的輸出信號輸出至開關(guān)管；第一矩形波信號與第二矩形波信號是一對互補信號，第二矩形波信號為雙極性調(diào)制輸出的選擇信號，其作用區(qū)間在正弦波形零點前后，第一矩形波信號為單極性調(diào)制輸出的選擇信號。

有蓋效果本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制方便、便于實現(xiàn)等優(yōu)點。該電路可以實現(xiàn)雙極性調(diào)制和單極性調(diào)制的靈活切換，并且雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制的時間分配比例可以通過第一矩形波信號和第二矩形波信號靈活調(diào)整，實現(xiàn)SPWM混合調(diào)制，為逆變系統(tǒng)開關(guān)管提供混合調(diào)制的驅(qū)動信號，從而達到改善輸出波形諧波失真率，提聞并網(wǎng)電能質(zhì)量的目的?；旌向?qū)動的低諧波逆變控制方法在輸出波形過零點前后，采用雙極性調(diào)制，克服單純的采用單極性調(diào)制輸出波形過零點附近發(fā)生畸變的缺點；而在輸出波形的峰值附近，采用單極性調(diào)制，克服單純采用雙極性調(diào)制輸出波形在峰值附近發(fā)生畸變的缺點，從而達到改善輸出波形諧波失真率，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量的目的，如圖5所示。本發(fā)明采用混合調(diào)制最佳比時的并網(wǎng)電流總諧波失真比單極性SPWM調(diào)制減少28. 78%,比雙極性SPWM調(diào)制減少40. 20%，并網(wǎng)電能質(zhì)量明顯得到提高?；旌向?qū)動的低諧波逆變控制方法采用單極性與雙極性混合調(diào)制，通過控制調(diào)整輸出一個周期中雙極性與單極性調(diào)制的時間比例，來獲得更低的諧波輸出與更高的效率。如表I與圖6所示，該結(jié)果為應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件改變雙極性SPWM調(diào)制時間在一個周期內(nèi)所占的比例，得到的不同的輸出波形的THD(總諧波失真，Total HarmonicDistortion)值以及其變化曲線。由表I和圖6可以看出，在相同的仿真條件下，采用單純的單極性SPWM調(diào)制，即表中雙極性SPWM調(diào)制時間所占周期百分比為0%，逆變器并網(wǎng)電流波形的THD(總諧波失真)值為3. 3% ;采用單純的雙極性SPWM調(diào)制，即表中雙極性SPWM調(diào)制時間所占周期百分比為100%，其并網(wǎng)電流波形的THD(總諧波失真)值為3. 93%。當(dāng)雙極性SPWM調(diào)制時間占周期的百分比為8%時，逆變器采用單、雙極性混合調(diào)制可以取得最佳的并網(wǎng)電流波形，其THD (總諧波失真)值為2. 35%。混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法在一個周期中混合使用雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制驅(qū)動開關(guān)管，可以有效抑制逆變輸出正弦過零點與峰值附近波形的畸變，為負載提供諧波更少的正弦波?；旌向?qū)動的低諧波逆變控制方法在一個輸出周期中混合使用SPWM的雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制驅(qū)動開關(guān)管，可以有效降低輸出電壓或電流諧波。


圖I為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的邏輯流程圖；圖2為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的正弦波示意圖；圖3(a)為單極性調(diào)制方式下SPWM波形示意圖；圖3(b)為單極性調(diào)制方式下SPWM波形放大示意圖；圖3(c)為單極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真圖；圖3(d)為單極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真過零點附近放大圖；圖3(e)為單極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真電流諧波圖； 圖4 (a)為雙極性調(diào)制方式下SPWM波形示意圖；圖4 (b)為雙極性調(diào)制方式下SPWM波形放大示意圖；圖4(c)為雙極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真圖；圖4(d)為雙極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真過零點附近放大圖；圖4(e)為雙極性調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真電流諧波圖；圖5 (a)為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下SPWM波形示意圖；圖5 (b)為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下SPWM波形放大示意圖；圖5(c)為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink 仿真圖；圖5(d)為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下并網(wǎng)電流波形Matlab/Simulink仿真電流諧波圖；圖6為混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下不同時間比例對應(yīng)的THD值曲線；圖7(a)為本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7(b)為本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路中的單極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動信號A ；圖7(c)為本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路中的雙極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動信號B ；圖7(d)為本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路中的第一矩形波信號C1 ；圖7(e)為本發(fā)明的調(diào)制模式切換電路中的第二矩形波信號C2 ；圖8為單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)示意圖。圖中ki.第I切換點區(qū)間序號，k2.第2切換點區(qū)間序號，k3.第3切換點區(qū)間序號，k4.第4切換點區(qū)間序號，I.第一與門，2.第二與門，3.或門，4.開關(guān)管，5.隔離，A.單極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，B.雙極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動信，C1.第一矩形波信號，C2.第
二矩形波信號。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的具體說明。本發(fā)明的混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路，電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示，調(diào)制模式切換電路包括第一與門I、第二與門2、或門3和隔離5，第一與門I和第二與門2的輸出端分別與或門3的輸入端連接，或門3的輸出端與隔離5的輸入端連接，隔離5的輸出端與逆變系統(tǒng)開關(guān)管4的輸入端連接，第一與門I與第二與門2的輸出作為或門3的輸入。在混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法中，雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號由控制芯片的兩個引腳分別輸出至調(diào)制模式切換電路，調(diào)制模式切換電路中，單極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號A與由控制芯片產(chǎn)生的第一矩形波信號C1作為第一與門I的輸入信號，雙極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號B與由控制芯片產(chǎn)生的第二矩形波信號C2作為第二與門2的輸入信號，第一與門I和第二與門2的輸出信號作為或門3的輸入信號，或門3的輸出信號輸出至開關(guān)管4。在此需要說明的是，第一矩形波信號C1和第二矩形波信號C2均由控制芯片產(chǎn)生，兩者可以是由同一個控制芯片產(chǎn)生，也可以由不同的控制芯片產(chǎn)生；兩個矩形波信號可以是和單、雙極性調(diào)制信號共用同一控制芯片產(chǎn)生，也可以與單、雙極性調(diào)制信號采用不同的控制芯片產(chǎn)生，具有較大的靈活性。如圖7(d)和圖7(e)所示，第一矩形波信號C1與第二矩形波信號C2是一對互補信號，第二矩形波信號C2為雙極性調(diào)制輸出的選擇信號，其作用區(qū)間在正弦波形零點前后，第一矩形波信號C1為單極性調(diào)制輸出的選擇信號，通過調(diào)節(jié)互補矩形波Cp C2的占空比和周期可以調(diào)節(jié)輸出的雙極性正弦脈寬調(diào)制信號和單極性正弦脈寬調(diào)制信號在一個周期中·所占的比例。圖3為完全單極性調(diào)制方式下的波形，從圖3(c)、圖3(d)可以明顯看出過零點附近波形的畸變。圖4為完全雙極性調(diào)制方式下的波形，從圖4(c)、圖4(d)可以明顯看出峰值附近波形的畸變。圖5為本發(fā)明的混合調(diào)制下的波形，從“混合調(diào)制SPWM波形放大圖”中可以看出混合調(diào)制的驅(qū)動波形特點，即在過零點前后使用雙極性調(diào)制，其它部分使用單極性調(diào)制?；旌向?qū)動的低諧波逆變控制方法，包括以下步驟I)將逆變器正弦脈寬調(diào)制技術(shù)中的調(diào)制信號，即周期變化的正弦波等分，每個周期的所述正弦波在時間軸上等分為2N份，每個區(qū)間賦予一個序號，N為大于等于3的自然數(shù)，每個周期的正弦波信號即被等分成2N個計數(shù)區(qū)間；2)按照設(shè)定的各個周期里的單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制時間分配比例，確定各個周期中單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的區(qū)間個數(shù)，所述各個周期中單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的區(qū)間個數(shù)均大于0 ;3)在各個周期中，按照所述步驟2)中確定的單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的區(qū)間個數(shù)，將雙極性調(diào)制的區(qū)間連續(xù)分布在正弦波零點前后，正弦波的其余部分則為單極性調(diào)制，由此確定第一切換點的區(qū)間序號Iq、第二切換點的區(qū)間序號k2、第三切換點的區(qū)間序號k3和第四切換點的區(qū)間序號k4，其中，0 < k: < k2 < N < k3 < k4 < 2N ；4)在每個周期的起始開始對計數(shù)區(qū)間計數(shù)，同時采用雙極性調(diào)制模式，即輸出雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號作為逆變器的驅(qū)動信號，當(dāng)計數(shù)區(qū)間為h時，切換到單極性調(diào)制模式，即輸出單極性正弦波脈寬調(diào)制信號作為逆變器的驅(qū)動信號，當(dāng)計數(shù)區(qū)間為k2時，切換到雙極性調(diào)制模式，即輸出雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號作為逆變器的驅(qū)動信號，當(dāng)計數(shù)區(qū)間為k3時，切換到單極性調(diào)制模式，即輸出單極性正弦波脈寬調(diào)制信號作為逆變器的驅(qū)動信號，當(dāng)計數(shù)區(qū)間為k4時，切換到雙極性調(diào)制模式，即輸出雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號作為逆變器的驅(qū)動信號；當(dāng)一個正弦波周期結(jié)束時，即進入下一個正弦波周期的控制流程。
逆變系統(tǒng)一般由逆變電路、濾波電路、采樣電路、保護電路、控制電路等組成。雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號主要由控制電路產(chǎn)生，混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法主要作用于逆變系統(tǒng)的控制電路，控制電路中包含控制芯片及必要的外圍控制電路。在實際的應(yīng)用中，由控制電路產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號的方式主要有兩種一是通過數(shù)字式控制芯片以純軟件方式實現(xiàn)，二是通過搭建硬件調(diào)制模式切換電路的方式實現(xiàn)。本發(fā)明的混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路，正是一種搭建硬件調(diào)制模式切換電路的方式。以單相并網(wǎng)系統(tǒng)為例進一步具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案。單相并網(wǎng)系統(tǒng)的原理圖如圖7所示，通過控制圖中V1, V2，V3，V4的SPWM驅(qū)動信號來實現(xiàn)混合調(diào)制。本實施例中，在一個周期內(nèi)并網(wǎng)電流過零點前后，采用雙極性調(diào)制，其余時間采用單極性調(diào)制，仿真實驗結(jié)果如圖4所示，并網(wǎng)電流波形得到改善，總諧波失真明顯減小。通過改變單極性、雙極性在一個周期中所占的比例，得到的實驗數(shù)據(jù)如圖5和表I所示，當(dāng)雙極性調(diào)制時間所占周期百分比為8%時(在一定的載波頻率、濾波參數(shù)、死區(qū)時間等條件下)，可以獲得混合調(diào)制的最佳結(jié)果。綜上，本發(fā)明可以使并網(wǎng)電流總諧波失真明顯減少，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量。
表I混合調(diào)制方式下不同時間比例對應(yīng)的THD值
權(quán)利要求
1.一種混合驅(qū)動的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路，其特征在于，該電路包括第一與門(I)、第二與門(2)、或門(3)和隔離(5)，所述第一與門(I)和第二與門(2)的輸出端分別與或門⑶的輸入端連接，所述或門⑶的輸出端與隔離(5)的輸入端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合驅(qū)動的低諧波逆變控制方法及其調(diào)制模式切換電路，在一個正弦周期中混合使用單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制的逆變控制技術(shù)，在正弦周期過零點前后區(qū)間使用雙極性調(diào)制，在正弦周期其它區(qū)間使用單極性調(diào)制，通過設(shè)置不同的控制參數(shù)，控制一個正弦周期中單極性調(diào)制與雙極性調(diào)制的時間比例，在相同控制參數(shù)與電路參數(shù)的情況下，可以有效降低逆變器輸出的電壓或電流諧波，特別適合于可再生能源中的并網(wǎng)逆變控制。
文檔編號H02M7/48GK102710159SQ20121011594
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者吳曉玉, 吳梅月, 王念春 申請人:東南大學(xué)