CN101610038A - Boost与Buck级联的光伏并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种Boost与Buck级联的光伏并网逆变器及其控制方法，本发明所述逆变器包括由四个支路构成的主电路和由四个支路构成的开关控制电路。本发明所述方法前级DC/DC变换器以SPWM方式工作，为后级提供正弦半波电流，后级DC/AC变换器以工频切换，整机变换效率高；控制策略在Boost和Buck模式采用统一的补偿电路，Boost开关管的占空比在Buck开关管占空比的基础上减去一个固定量构成。本发明变换器中任意时刻仅一只开关管高频工作，变换器效率高；前级DC/DC变换器工作模式实现平滑切换；变换器无需电解电容，寿命长。

Description

Boost与Buck级联的光伏并网逆变器及其控制方法

技术领域

本发明的一种Boost与Buck级联的光伏并网逆变器及其控制方法，属并网逆变器和进网电流的控制方法。

背景技术

应用于光伏和风力等新能源发电的并网逆变器，其输入侧电压变化范围比较大，为了实现并网，并网逆变器需要实现升降压功能以应付宽的电压变化范围。传统的两级式并网逆变器一般由前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器构成，前级DC/DC变换器一般采用Boost变换器来提升输入电压，当输入电压较高时Boost变换器停止工作由后级DC/AC变换器来实现降压，不利于后级DC/AC变换器的优化设计。

前级DC/DC变换器可以采用Buck-Boost或Boost-Buck级联型变换器，为后级逆变器提供最优的工作条件。前级DC/DC变换器可以PWM方式工作，为后级提供稳定的直流电压或电流，这样需要后级DC/AC变换器高频工作，不利于整机效率的提高；前级DC/DC变换器也可以SPWM方式工作，为后级提供正弦半波电压或电流，这样后级DC/AC变换器只需工频切换工作即可完成正弦电流注入电网，可以降低整机的开关损耗。

为了进一步降低Buck-Boost或Boost-Buck级联型并网逆变器的开关损耗，一般根据输入电压和电网电压的大小关系来确定前级DC/DC变换器工作于Buck或Boost模式，可以使得变换器中任意时刻仅一只开关管高频工作，有利于变换器效率的进一步提高。

当前级DC/DC变换器随着电池电压和电网电压的变化切换于Buck和Boost工作模式时为了实现平滑切换需要引入切换过渡模态，此过程中一般采用使能两只高频开关工作的方式；另外，由于Buck和Boost模式变换器小信号模型有较大差异，一般需要采用两套独立的补偿电路来分别控制。这样使得前级DC/DC变换器的切换过程需要复杂的控制逻辑和补偿电路来完成。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种Boost与Buck级联的光伏并网逆变器及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明Boost与Buck级联的光伏并网逆变器，其特征在于包括由四个支路构成的主电路和由四个支路构成的开关控制电路，其中主电路结构如下：

第一支路即Boost基本单元包括第一储能电感、第一功率开关管和第一功率二极管，其中第一储能电感的一端分别与第一功率开关管的漏极和第一功率二极管的阳极连接，第一储能电感的另一端接太阳能电池板的正极，第一功率开关管的源极接太阳能电池板的负极；第二支路由中间电容构成，中间电容的正极接第一功率二极管的阴极，中间电容的负极接第一功率开关管的源极；第三支路即Buck基本单元包括第二功率开关管、第二功率二极管和第二储能电感，其中第二功率开关管的源极分别与第二功率二极管的阴极和第二储能电感的一端连接，第二功率开关管的漏极接中间电容的正极，第二功率二极管的阳极接中间电容的负极；第四支路包括四个功率开关管即第三功率开关管至第六功率开关管，其中第三功率开关管的阳极分别与第五功率开关管的阳极和第二储能电感的另一端连接，第三功率开关管的阴极分别接第四功率开关管的阳极和电网的一端，第五功率开关管的阴极分别接第六功率开关管的阳极和电网的另一端，第四功率开关管的阴极分别接第六功率开关管的阴极和第二功率二极管的阳极；

开关控制电路结构如下：

第五支路由误差放大器串接调节器构成；第六支路由三角波发生器构成；第七支路由第一比较器构成，第一比较器的正输入端接调节器的输出端，第一比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第一比较器的输出端接第二功率开关管的栅极；第八支路由减法器和第二比较器构成，减法器的正输入端接调节器的输出端，第二比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第二比较器的输出端接第一储能电感的栅极。

Boost与Buck级联的光伏并网逆变器，其特征在于包括由四个支路构成的主电路和由四个支路构成的开关控制电路，其中主电路结构如下：

第二支路由第一中间电容和第二中间电容构成，其中第一中间电容的正极接太阳能电池板的正极，第一中间电容的负极接太阳能电池板的负极；第三支路即Buck基本单元包括第二功率开关管和第二功率二极管，其中第二功率开关管的源极与第二功率二极管的阴极连接，第二功率开关管的漏极接第一中间电容的正极，第二功率二极管的阳极接第一中间电容的负极；第一支路即Boost基本单元包括第一储能电感、第一功率开关管和第一功率二极管，其中第一储能电感的一端分别与第一功率开关管的漏极和第一功率二极管的阳极连接，第一储能电感的另一端接第二功率开关管的源极，第一功率开关管的源极分别接第二中间电容的负极和第二功率二极管的阳极，第一功率二极管的阴极接第二中间电容的正极；第四支路包括四个功率开关管即第三功率开关管至第六功率开关管和第二储能电感，其中第三功率开关管的阳极分别与第五功率开关管的阳极和第二中间电容的正极连接，第三功率开关管的阴极分别接第四功率开关管的阳极和第二储能电感的一端，第二储能电感的另一端接电网的一端，第五功率开关管的阴极分别接第六功率开关管的阳极和电网的另一端，第四功率开关管的阴极分别接第六功率开关管的阴极和第二中间电容的负极；

开关控制电路结构如下：

第五支路由误差放大器串接调节器构成；第六支路由三角波发生器构成；第七支路由第一比较器构成，第一比较器的正输入端接调节器的输出端，第一比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第一比较器的输出端接第二功率开关管的栅极；第八支路由减法器和第二比较器构成，减法器的正输入端接调节器的输出端，第二比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第二比较器的输出端接第一储能电感的栅极。

所述的Boost与Buck级联的光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于将流过第二储能电感的电流i_L2与第二储能电感的基准电流i^* _L2经过误差放大器得到电流误差量i_e，将电流误差量i_e经过调节器得到调节电压，将调节电压与三角波发生器输出电压经过第一比较器得到第二功率开关管的开关信号，将调节电压与固定电压量K经过减法器得到电压差，将电压差与三角波发生器输出电压经过第二比较器得到第一功率开关管的开关信号；

当输入电压高于电网电压时，关断第一功率开关管，第二功率开关管高频工作；当输入电压低于电网电压时，第一功率开关管高频工作，保持第二功率开关管直通。

本发明前级DC/DC变换器以SPWM方式工作，为后级提供正弦半波电流，后级DC/AC变换器以工频切换，整机变换效率高；控制策略在Boost和Buck模式采用统一的补偿电路，Boost开关管的占空比在Buck开关管占空比的基础上减去一个固定量构成，可以实现平滑切换。

附图说明

附图1是本发明的主电路Boost级联Buck模式(a)和Buck级联Boost模式结构示意图；

附图2是本发明的开关控制电路结构示意图；

附图3是本发明的Buck模式(a)和Boost模式工作电路(b)；

附图4是本发明的Buck模式和Boost模式调制波(a)，Boost模式调制波的线性拟合曲线(b)；

附图5(a)～(d)是本发明的工作于满载条件下进网电流波形，(a)输入电压550V；(b)输入电压350V；(c)输入电压300V；(d)输入电压200V；

附图6(a)～(d)是本发明的工作于轻载条件下进网电流波形(a)输入电压550V；(b)输入电压350V；(c)输入电压300V；(d)输入电压200V；

上述附图的主要符号及标号名称：L₁、L₂——储能电感；S₁～S₆——功率开关管；D₁、D₂——功率二极管；C——中间电容；u_grid——电网电压；U_pv——太阳能电池板输出电压；i_L2——储能电感L₂的电流；i^* _L2——储能电感L₂的电流基准；K——固定电压量；a——Buck模式调制波；b——Boost模式调制波；d_boost——Boost模式占空比；d_buck——Buck模式占空比；d’_boost——Boost模式近似占空比；i_grid——进网电流。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1描述了本发明的两种主电路结构，如图(a)所示由第一储能电感L₁和第一功率开关管S₁及第一功率二极管D₁构成Boost基本单元1，由第二储能电感L₂和第二功率开关管S₂及第二功率二极管D₂构成Buck基本单元2。在输入电压高于电网电压最大值时，工作于单Buck模式下，此时Boost开关管处于关断状态。而当输入电压低于电网电压最大值时，逆变器周期工作于Buck模式和Boost模式。如图(b)所示为Buck级联Boost模式结构主电路。附图3分别为Buck模式和Boost模式的工作电路。

附图4为Boost-Buck变换器开关管占空比曲线和拟合近似。其中曲线a、b的函数关系分别为：

$d_{\mathrm{buck}}=\frac{U_{\mathrm{grid}\_p}}{U_{\mathrm{pv}}}\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|---\left(1\right)$

$d_{\mathrm{boost}}=1-\frac{U_{\mathrm{pv}}}{U_{\mathrm{grid}\_p}\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|}---\left(2\right)$

曲线b可以采用式(3)近似拟合，附图4(b)为式(2)和式(3)曲线在U_pv＝200V时的比较图。

$d_{\mathrm{boost}}^{\′}=\left|\sin \mathrm{\ωt}\right|-\frac{U_{\mathrm{pv}}}{U_{\mathrm{grid}\_p}}---\left(3\right)$

这样，Boost开关管的调制波曲线可以简单的由Buck开关管调制波减去一个固定偏移量得到。附图2描述了开关管占空比产生示意图，前级变换器输出电流的误差调节器输出与三角波比较即可得到Buck开关管的驱动波形，电流的误差调节器输出减去固定偏移量K后再与三角波比较就可得到Boost开关管的驱动波形，从而实现了Buck和Boost模式开关管驱动信号的统一产生。

本发明的一个具体实例如下：电池板电压U_pv＝200～550V、电网电压U_grid＝220VRMS、电网频率f_grid＝50Hz、额定功率P_N＝3kW；电感L₁＝0.2mH，L₂＝8mH；中间电容C＝5μF；开关频率f＝50kHZ。附图5、6为该实例的具体仿真波形图，其中，附图5是本发明在不同输入电压下满载工作时进网电流波形图；附图6是本发明在不同输入电压下轻载工作时进网电流波形图。

Claims (3)

1、一种Boost与Buck级联的光伏并网逆变器，其特征在于包括由四个支路构成的主电路和由四个支路构成的开关控制电路，其中主电路结构如下：

第一支路(1)即Boost基本单元包括第一储能电感(L₁)、第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)，其中第一储能电感(L₁)的一端分别与第一功率开关管(S₁)的漏极和第一功率二极管(D₁)的阳极连接，第一储能电感(L₁)的另一端接太阳能电池板的正极，第一功率开关管(S₁)的源极接太阳能电池板的负极；第二支路(2)由中间电容(C)构成，中间电容(C)的正极接第一功率二极管(D₁)的阴极，中间电容(C)的负极接第一功率开关管(S₁)的源极；第三支路(3)即Buck基本单元包括第二功率开关管(S₂)、第二功率二极管(D₂)和第二储能电感(L₂)，其中第二功率开关管(S₂)的源极分别与第二功率二极管(D₂)的阴极和第二储能电感(L₂)的一端连接，第二功率开关管(S₂)的漏极接中间电容(C)的正极，第二功率二极管(D₂)的阳极接中间电容(C)的负极；第四支路(4)包括四个功率开关管即第三功率开关管(S₃)至第六功率开关管(S₆)，其中第三功率开关管(S₃)的阳极分别与第五功率开关管(S₅)的阳极和第二储能电感(L₂)的另一端连接，第三功率开关管(S₃)的阴极分别接第四功率开关管(S₄)的阳极和电网的一端，第五功率开关管(S₅)的阴极分别接第六功率开关管(S₆)的阳极和电网的另一端，第四功率开关管(S₄)的阴极分别接第六功率开关管(S₆)的阴极和第二功率二极管(D₂)的阳极；

开关控制电路结构如下：

第五支路(5)由误差放大器串接调节器构成；第六支路(6)由三角波发生器构成；第七支路(7)由第一比较器构成，第一比较器的正输入端接调节器的输出端，第一比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第一比较器的输出端接第二功率开关管(S₂)的栅极；第八支路(8)由减法器和第二比较器构成，减法器的正输入端接调节器的输出端，第二比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第二比较器的输出端接第一储能电感(L₁)的栅极。

2、一种Boost与Buck级联的光伏并网逆变器，其特征在于包括由四个支路构成的主电路和由四个支路构成的开关控制电路，其中主电路结构如下：

第二支路(2)由第一中间电容(C₁)和第二中间电容(C₂)构成，其中第一中间电容(C₁)的正极接太阳能电池板的正极，第一中间电容(C₁)的负极接太阳能电池板的负极；第三支路(3)即Buck基本单元包括第二功率开关管(S₂)和第二功率二极管(D₂)，其中第二功率开关管(S₂)的源极与第二功率二极管(D₂)的阴极连接，第二功率开关管(S₂)的漏极接第一中间电容(C₁)的正极，第二功率二极管(D₂)的阳极接第一中间电容(C₁)的负极；第一支路(1)即Boost基本单元包括第一储能电感(L₁)、第一功率开关管(S₁)和第一功率二极管(D₁)，其中第一储能电感(L₁)的一端分别与第一功率开关管(S₁)的漏极和第一功率二极管(D₁)的阳极连接，第一储能电感(L₁)的另一端接第二功率开关管(S₂)的源极，第一功率开关管(S₁)的源极分别接第二中间电容(C₂)的负极和第二功率二极管(D₂)的阳极，第一功率二极管(D₁)的阴极接第二中间电容(C₂)的正极；第四支路(4)包括四个功率开关管即第三功率开关管(S₃)至第六功率开关管(S₆)和第二储能电感(L₂)，其中第三功率开关管(S₃)的阳极分别与第五功率开关管(S₅)的阳极和第二中间电容(C₂)的正极连接，第三功率开关管(S₃)的阴极分别接第四功率开关管(S₄)的阳极和第二储能电感(L₂)的一端，第二储能电感(L₂)的另一端接电网的一端，第五功率开关管(S₅)的阴极分别接第六功率开关管(S₆)的阳极和电网的另一端，第四功率开关管(S₄)的阴极分别接第六功率开关管(S₆)的阴极和第二中间电容(C₂)的负极；

开关控制电路结构如下：

第五支路(5)由误差放大器串接调节器构成；第六支路(6)由三角波发生器构成；第七支路(7)由第一比较器构成，第一比较器的正输入端接调节器的输出端，第一比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第一比较器的输出端接第二功率开关管(S₂)的栅极；第八支路(8)由减法器和第二比较器构成，减法器的正输入端接调节器的输出端，第二比较器的负输入端接三角波发生器的输出端，第二比较器的输出端接第一储能电感(L₁)的栅极。

3、一种基于权利要求1或2所述的Boost与Buck级联的光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于将流过第二储能电感(L₂)的电流i_L2与第二储能电感(L₂)的基准电流i^* _L2经过误差放大器得到电流误差量i_e，将电流误差量i_e经过调节器得到调节电压，将调节电压与三角波发生器输出电压经过第一比较器得到第二功率开关管(S₂)的开关信号，将调节电压与固定电压量K经过减法器得到电压差，将电压差与三角波发生器输出电压经过第二比较器得到第一功率开关管(S₁)的开关信号；

当输入电压高于电网电压时，关断第一功率开关管(S₁)，第二功率开关管(S₂)高频工作；当输入电压低于电网电压时，第一功率开关管(S₁)高频工作，保持第二功率开关管(S₂)直通。

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