發(fā)明專(zhuān)利｜適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)

2017-10-20 13:17:19 北極星智能電網(wǎng)在線(xiàn)整理　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

編者按：本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)，包括直流電源電路、電容串聯(lián)電路、變壓器、第一開(kāi)關(guān)管橋臂、第二開(kāi)關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;電容串聯(lián)電路的C1和C2中間連接點(diǎn)分別

將變壓器變比設(shè)為1，得到：

由(5)、(6)、(7)式得到：

上電容C1電壓與下電容C2電壓之差為二極管D1的導(dǎo)通壓降與開(kāi)關(guān)管T4導(dǎo)通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N2線(xiàn)圈吸收后傳遞給N1線(xiàn)圈，然后由N1線(xiàn)圈通過(guò)二極管D1不斷向上電容C1充電;這個(gè)過(guò)程中，C2放電，C1充電，不斷減小，不斷增加，二者電壓差減少;

(4)所述④ 狀態(tài)為③ 狀態(tài)的續(xù)流階段，該狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管T1、T2、T3、T4關(guān)斷，該狀態(tài)下電流流向如圖5所示。電流從N2線(xiàn)圈的非同名端流出，經(jīng)過(guò)與開(kāi)關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、上電容C1后流回N2線(xiàn)圈的同名端，該電流不斷減小，直到為0。

(二)當(dāng)上電容C1上的電容電壓大于下電容C2上的電容電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1和T3輪流導(dǎo)通，變壓器N1線(xiàn)圈和N2線(xiàn)圈交替作為變壓器原邊，把上電容C1的能量傳遞到下電容C2上，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電容電壓的均衡;此模式下開(kāi)關(guān)管T2和T4一直保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài);

此時(shí)微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)的工作狀態(tài)依次為：(1)T1導(dǎo)通，T2、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T3導(dǎo)通，T1、T2、T4關(guān)斷;(4)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;將這四種工作狀態(tài)分別命名為⑤狀態(tài)，⑥ 狀態(tài)，⑦ 狀態(tài)和⑧ 狀態(tài);

(1)⑤ 狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通，T2、T3、T4關(guān)斷，電路中的電流方向如圖6所示。電流從

上電容C1的正端流出，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管T1、N1線(xiàn)圈后流回上電容C1的負(fù)端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：

公式中

為N1線(xiàn)圈兩端的電壓，

為開(kāi)關(guān)管T1的導(dǎo)通壓降;

與此同時(shí)，在變壓器的N2線(xiàn)圈產(chǎn)生電流回路，電流從N2線(xiàn)圈的同名端流出，經(jīng)過(guò)下

電容C2、與開(kāi)關(guān)管T4反并聯(lián)的二極管D4后回到N2線(xiàn)圈的非同名端;此時(shí)：

為N2線(xiàn)圈兩端的電壓，

為二極管D4的導(dǎo)通壓降;

變壓器變比設(shè)為1，得到：

結(jié)合公式(9)、(10)、(11)，得到：

上電容C1的電壓值與下電容C2的電壓值之差為開(kāi)關(guān)管T1的導(dǎo)通壓降與二極管D4的導(dǎo)通壓降之和;上電容C1在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線(xiàn)圈吸收后傳遞給N2線(xiàn)圈，然后由N2線(xiàn)圈通過(guò)二極管D4不斷向下電容C2充電;在這個(gè)過(guò)程中，上電容C1放電，下電容C2充電，不斷減小，不斷增加，二者電壓差減少;

(2)⑤ 狀態(tài)后是⑥ 狀態(tài)，該狀態(tài)下電流所有開(kāi)關(guān)管全部關(guān)斷，該階段為⑤ 狀態(tài)的續(xù)

流階段，電路中的電流方向如圖7所示。電流從N1線(xiàn)圈的非同名端流出，經(jīng)過(guò)下電容C2、二極管D2后流回繞組N1線(xiàn)圈的同名端，該電流大小不斷減小，最終為0;

(3)⑦ 狀態(tài)在⑥ 狀態(tài)的續(xù)流完成后開(kāi)始，該狀態(tài)下開(kāi)關(guān)管T3導(dǎo)通，T1，T2，T4關(guān)斷，電路中的電流方向如圖8所示。電流從上電容C1正端流出，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管T3、N2線(xiàn)圈后流回上電容C1的負(fù)端，此時(shí)：

變壓器副邊N1線(xiàn)圈產(chǎn)生電流回路，電流從N1線(xiàn)圈的非同名端流出，經(jīng)過(guò)下電容C2、與開(kāi)關(guān)管T2反并聯(lián)的二極管D2后流回N1線(xiàn)圈的同名端，此時(shí)：

將變壓器變比設(shè)為1，則

根據(jù)公式(13)、(14)、(15)得到：

上電容C1在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N2線(xiàn)圈吸收后傳遞給N1線(xiàn)圈，然后由N1線(xiàn)圈通過(guò)二極管D2不斷向下電容C2充電;在此過(guò)程中，上電容C1放電，下電容C2充電，不斷減小，不斷增加，二者電壓差減少;

(4)⑦ 狀態(tài)后緊接著是⑧ 狀態(tài)，該狀態(tài)下T1、T2、T3、T4關(guān)斷;該狀態(tài)為⑦ 狀態(tài)的續(xù)流階段，電路中的電流方向如圖9所示。電流從N2線(xiàn)圈的同名端流出，經(jīng)過(guò)下電容C2、二極管D4后流回到N2線(xiàn)圈的非同名端，該回路的電流不斷減小，直到為0。

經(jīng)過(guò)對(duì)以上兩種中性點(diǎn)電壓的波動(dòng)情況進(jìn)行分析可知，上下電容的電壓差被限制在一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降之和以?xún)?nèi)，該電路拓?fù)淠軌蛴行Ы档蜕舷码娙莸碾妷翰睢?/span>

本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了四個(gè)開(kāi)關(guān)管，由電路的模態(tài)分析，通過(guò)變壓器的繞組交替作為原邊繞組，最終設(shè)計(jì)的控制電路如圖10所示。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成模塊包括減法運(yùn)算單元，絕對(duì)值運(yùn)算單元、限幅單元、三角波載波信號(hào)發(fā)生單元、多個(gè)比較器、數(shù)字邏輯運(yùn)算單元、0V電壓給定單元;

電壓傳感器檢測(cè)到的電容C2兩端的電壓和直流電源電路的中性點(diǎn)電壓分別輸入減法運(yùn)算單元;減法運(yùn)算單元的一路輸出信號(hào)依次通過(guò)絕對(duì)值運(yùn)算單元和限幅單元后作為比較器A的一路輸入信號(hào)，比較器A的另一路輸入信號(hào)為三角載波信號(hào)發(fā)聲單元產(chǎn)生的三角載波信號(hào);

減法運(yùn)算器的另一路輸出信號(hào)和0V電壓給定單元給定的0V電壓分別輸入比較器B;

比較器A和比較器B的輸出信號(hào)分別輸入數(shù)字邏輯運(yùn)算單元，數(shù)字邏輯運(yùn)算單元生成的控制信號(hào)G1、G2、G3和G4分別與開(kāi)關(guān)管T1、T2、T3、T4的柵極相連接。

圖10中，VC2指的是下電容C2的電壓值，反映中性點(diǎn)對(duì)負(fù)直流母線(xiàn)端的電壓值;Vref指的是直流母線(xiàn)電壓的一半即中性點(diǎn)電壓的給定值。而0V電壓的給定與偏差信號(hào)進(jìn)行比較，是為了判斷中性點(diǎn)電壓的漂移方向，也是為了判斷上下電容電壓的大小關(guān)系。數(shù)字邏輯運(yùn)算模塊的功能是對(duì)各個(gè)信號(hào)的綜合，從而得到四個(gè)開(kāi)關(guān)管T1、T2、T3、T4的柵極控制信號(hào)。

中性點(diǎn)電壓與給定進(jìn)行減法運(yùn)算，偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)絕對(duì)值運(yùn)算、限幅之后與三角波載波信號(hào)進(jìn)行比較，得到控制四個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的原始PWM信號(hào)。另一方面，給定信號(hào)和反饋采樣信號(hào)之差作為偏差信號(hào)，偏差信號(hào)與0V進(jìn)行比較，比較值作為符號(hào)位來(lái)判斷上下電容電壓值的大小關(guān)系。符號(hào)位來(lái)決定兩個(gè)橋臂的上開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通還是下開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，比如，當(dāng)符號(hào)位為低電平信號(hào)時(shí)，上電容電壓大于下電容電壓則讓開(kāi)關(guān)管T1和T3交替導(dǎo)通，T2和T4保持關(guān)斷;反之，下電容電壓大于上電容電壓則讓開(kāi)關(guān)管T2和T4交替導(dǎo)通，T1和T3保持關(guān)斷。因?yàn)樵陔娙葑跃鶋壕W(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，需要控制上橋臂或者下橋臂交替開(kāi)通，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)PWM進(jìn)行二分頻，用二分頻信號(hào)來(lái)確定選擇兩個(gè)上橋臂的T1或者T3開(kāi)通，用二分頻信號(hào)來(lái)選擇兩個(gè)下橋臂的T2或者T4開(kāi)通。

為了防止同一個(gè)橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管在切換導(dǎo)通時(shí)刻橋臂的直通，一般需要加入一段上下開(kāi)關(guān)管都不導(dǎo)通的死區(qū)時(shí)間，因此在設(shè)計(jì)中用不同的二分頻控制信號(hào)來(lái)分別決定同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。以符號(hào)位A，二分頻信號(hào)B和PWM信號(hào)C作為輸入量，以四個(gè)開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)G1、G2、G3和G4為輸出信號(hào)的真值表，如表1所示。

表1

由真值表可以得出所述數(shù)字邏輯運(yùn)算單元生成控制信號(hào)的邏輯信號(hào)表達(dá)式：

式中，A表示符號(hào)位，即為比較器B的輸出信號(hào);B表示二分頻信號(hào);C表示原始的PWM

信號(hào)，即比較器A的輸出信號(hào)。根據(jù)式(17)繪制的輸出信號(hào)邏輯運(yùn)算框圖如圖11所示。

原始PWM信號(hào)先通過(guò)二分頻，二分頻的輸出及其取反信號(hào)用于控制兩個(gè)上開(kāi)關(guān)管還是兩個(gè)下開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，符號(hào)位及其取反信號(hào)用于控制兩個(gè)上開(kāi)關(guān)管的使能還是下開(kāi)關(guān)管的使能。最終通過(guò)四個(gè)三輸入與門(mén)進(jìn)行信號(hào)的耦合，來(lái)分別控制四個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷。

下面通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)的工作性能。

按照上述理論分析和控制方法，將逆變器三相電壓參考值設(shè)置為為所帶的ABC三相負(fù)載分別為3Ω、10Ω、100Ω。

圖12為傳統(tǒng)逆變器輸出電壓波形，圖12表明，0.81s到0.87s時(shí)可以發(fā)現(xiàn)B相電壓波形發(fā)生了比較明顯的畸變和不對(duì)稱(chēng)。

對(duì)0.38s-0.40s進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖13所示。ABC三相電壓輸出基波幅值基本與56.6V相差不大，B相的三次諧波分量與直流分量比較大，C相的直流分量比較大。

上下電容電壓波形如圖14所示。可以看出，最后上電容電壓和下電容電壓的波動(dòng)范圍基本相同，最終上電容電壓和下電容電壓的波動(dòng)范圍都是32V-78V，波動(dòng)頻率為50Hz。

傳統(tǒng)逆變器電路的中性線(xiàn)流入分裂電容中點(diǎn)的電流如圖15所示，可以看出中性線(xiàn)電流不是正弦波形，但電流的正半周和負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，所以一個(gè)周期內(nèi)的平均值為0，上下電容電壓的平均值因而相等。

加入分裂電容自均壓電路(即本發(fā)明的變壓器、四個(gè)開(kāi)關(guān)管及其相關(guān)電路)后，按照本發(fā)明的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)，得到的輸出電壓波形如圖16所示，從圖16可以看出，輸出電壓得到了很明顯的改善。輸出電壓的傅里葉分析如圖17所示，從圖17可以看出輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近。諧波分量很小，B相電壓波形畸變的情況不再發(fā)生。上下電容電壓波形如圖18所示，波動(dòng)區(qū)間約為45V到55V。對(duì)分裂電容電壓(即電容C1和C2)進(jìn)行FFT分析結(jié)果如圖19所示。從圖19可以看出電容電壓除了直流分量、基波分量還有部分諧波分量，其中7次和9次比較大。經(jīng)過(guò)分裂電容自均壓控制后，中性線(xiàn)電壓波動(dòng)更小。輸出電壓因而更加對(duì)稱(chēng)。

以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改、替換和改變，因此本發(fā)明不應(yīng)由上述事例來(lái)限定。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。