專利名稱：混合驅(qū)動(dòng)的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種混合驅(qū)動(dòng)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(huì)對(duì)能源的需求增加，可供利用的煤炭、石油等一次能源越來(lái)越少，而且在煤炭、石油的利用過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣和廢物都嚴(yán)重污染自然環(huán)境，對(duì)人類的健康和生活造成很大的危害。為了避免能源危機(jī)、保護(hù)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(lái)。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(shí)現(xiàn)并網(wǎng)；離網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)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(fù)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(gè)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(shí)，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(hào)，正弦波作為調(diào)制信號(hào)，通過(guò)正弦波與三角波信號(hào)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(hào)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。根據(jù)三角波和正弦波相對(duì)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(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，受其固有特性的限制，逆變器的輸出波形會(huì)發(fā)生不同程度的畸變，單極性調(diào)制會(huì)使逆變器輸出在正弦過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生畸變，而雙極性調(diào)制會(huì)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(huì)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(guò)零點(diǎn)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(shí)間下得到的。

實(shí)用新型內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型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(dòng)的低諧波逆變控制中的調(diào)制模式切換電路。技術(shù)方案本實(shí)用新型的混合驅(qū)動(dòng)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(dòng)的低諧波逆變控制方法中，雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)由控制芯片的兩個(gè)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。本實(shí)用新型調(diào)制模式切換電路中，單極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號(hào)與由控制芯片產(chǎn)生的第一矩形波信號(hào)作為第一與門的輸入信號(hào)，雙極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號(hào)與由控制芯片產(chǎn)生的第二矩形波信號(hào)作為第二與門的輸入信號(hào)，所述第一與門和第二與門的輸出信號(hào)作為或門的輸入信號(hào)，所述或門的輸出信號(hào)輸出至開關(guān)管；第一矩形波信號(hào)與第二矩形波信號(hào)是一對(duì)互補(bǔ)信號(hào)，第二矩形波信號(hào)為雙極性調(diào)制輸出的選擇信號(hào)，其作用區(qū)間在正弦波形零點(diǎn)前后，第一矩形波信號(hào)為單極性調(diào)制輸出的選擇信號(hào)。有益效果本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制方便、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。該電路可以實(shí)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(shí)間分配比例可以通過(guò)第一矩形波信號(hào)和第二矩形波信號(hào)靈活調(diào)整，實(shí)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(dòng)信號(hào)，從而達(dá)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(dòng)的低諧波逆變控制方法在輸出波形過(guò)零點(diǎn)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(guò)零點(diǎn)附近發(fā)生畸變的缺點(diǎn)；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(diǎn)，從而達(dá)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。本實(shí)用新型采用混合調(diào)制最佳比時(shí)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)量明顯得到提聞?；旌向?qū)動(dòng)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(guò)控制調(diào)整輸出一個(gè)周期中雙極性與單極性調(diào)制的時(shí)間比例，來(lái)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(shí)間在一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)間占周期的百分比為8%時(shí)，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%?；旌向?qū)動(dòng)的低諧波逆變控制方法在一個(gè)周期中混合使用雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，可以有效抑制逆變輸出正弦過(guò)零點(diǎn)與峰值附近波形的畸變，為負(fù)載提供諧波更少的正弦波?；旌向?qū)動(dòng)的低諧波逆變控制方法在一個(gè)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(dòng)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(dòng)的低諧波逆變控制方法的邏輯流程圖；圖2為混合驅(qū)動(dòng)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(guò)零點(diǎn)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(guò)零點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的低諧波逆變控制方法的混合調(diào)制方式下不同時(shí)間比例對(duì)應(yīng)的THD值曲線；圖7(a)為本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7(b)為本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路中的單極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)A ；圖7(c)為本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路中的雙極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)B ;圖7(d)為本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路中的第一矩形波信號(hào)C1 ；圖7(e)為本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路中的第二矩形波信號(hào)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(diǎn)區(qū)間序號(hào)，k2.第2切換點(diǎn)區(qū)間序號(hào)，k3.第3切換點(diǎn)區(qū)間序號(hào)，k4.第4切換點(diǎn)區(qū)間序號(hào)，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(dòng)信號(hào)，B.雙極性正弦波脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信，C1.第一矩形波信號(hào)，C2.第
二矩形波信號(hào)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體說(shuō)明。[0040]本實(shí)用新型的混合驅(qū)動(dòng)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(dòng)的低諧波逆變控制方法中，雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)由控制芯片的兩個(gè)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(hào)A與由控制芯片產(chǎn)生的第一矩形波信號(hào)C1作為第一與門I的輸入信號(hào)，雙極性正弦波脈寬調(diào)制輸出信號(hào)B與由控制芯片產(chǎn)生的第二矩形波信號(hào)C2作為第二與門2的輸入信號(hào)，第一與門I和第二與門2的輸出信號(hào)作為或門3的輸入信號(hào)，或門3的輸出信號(hào)輸出至開關(guān)管4。在此需要說(shuō)明的是，第一矩形波信號(hào)C1和第二矩形波信號(hào)C2均由控制芯片產(chǎn)生，兩者可以是由同一個(gè)控制芯片產(chǎn)生，也可以由不同的控制芯片產(chǎn)生；兩個(gè)矩形波信號(hào)可以是和單、雙極性調(diào)制信號(hào)共用同一控制芯片產(chǎn)生，也可以與單、雙極性調(diào)制信號(hào)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(hào)C1與第二矩形波信號(hào)C2是一對(duì)互補(bǔ)信號(hào)，第二矩形波信號(hào)C2為雙極性調(diào)制輸出的選擇信號(hào)，其作用區(qū)間在正弦波形零點(diǎn)前后，第 一矩形波信號(hào)C1為單極性調(diào)制輸出的選擇信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)互補(bǔ)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(hào)和單極性正弦脈寬調(diào)制信號(hào)在一個(gè)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(guò)零點(diǎn)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為本實(shí)用新型的混合調(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(dòng)波形特點(diǎn)，即在過(guò)零點(diǎn)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(dòng)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(hào)，即周期變化的正弦波等分，每個(gè)周期的所述正弦波在時(shí)間軸上等分為2N份，每個(gè)區(qū)間賦予一個(gè)序號(hào)，N為大于等于3的自然數(shù)，每個(gè)周期的正弦波信號(hào)即被等分成2N個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)間；2)按照設(shè)定的各個(gè)周期里的單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制時(shí)間分配比例，確定各個(gè)周期中單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的區(qū)間個(gè)數(shù)，所述各個(gè)周期中單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制的區(qū)間個(gè)數(shù)均大于0 ;3)在各個(gè)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(gè)數(shù)，將雙極性調(diào)制的區(qū)間連續(xù)分布在正弦波零點(diǎn)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(diǎn)的區(qū)間序號(hào)Iq、第二切換點(diǎn)的區(qū)間序號(hào)k2、第三切換點(diǎn)的區(qū)間序號(hào)k3和第四切換點(diǎn)的區(qū)間序號(hào)k4，其中，0 < k: < k2 < N < k3 < k4 < 2N ；4)在每個(gè)周期的起始開始對(duì)計(jì)數(shù)區(qū)間計(jì)數(shù)，同時(shí)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(hào)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)區(qū)間為h時(shí)，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(hào)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)區(qū)間為k2時(shí)，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(hào)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)區(qū)間為k3時(shí)，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(hào)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)區(qū)間為k4時(shí)，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(hào)作為逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)一個(gè)正弦波周期結(jié)束時(shí)，即進(jìn)入下一個(gè)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(hù)電路、控制電路等組成。雙極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)和單極性正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)主要由控制電路產(chǎn)生，混合驅(qū)動(dòng)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(shí)際的應(yīng)用中，由控制電路產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制信號(hào)的方式主要有兩種一是通過(guò)數(shù)字式控制芯片以純軟件方式實(shí)現(xiàn)，二是通過(guò)搭建硬件調(diào)制模式切換電路的方式實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的混合驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步具體說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。單相并網(wǎng)系統(tǒng)的原理圖如圖7所示，通過(guò)控制圖中V1, V2, V3, V4的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合調(diào)制。本實(shí)施例中，在一個(gè)周期內(nèi)并網(wǎng)電流過(guò)零點(diǎn)前后，采用雙極性調(diào)制，其余時(shí)間采用單極性調(diào)制，仿真實(shí)驗(yàn)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(guò)改變單極性、雙 極性在一個(gè)周期中所占的比例，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5和表I所示，當(dāng)雙極性調(diào)制時(shí)間所占周期百分比為8%時(shí)(在一定的載波頻率、濾波參數(shù)、死區(qū)時(shí)間等條件下)，可以獲得混合調(diào)制的最佳結(jié)果。綜上，本實(shí)用新型可以使并網(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(shí)間比例對(duì)應(yīng)的THD值
雙極性SPWM j#雙極性SPWM雙極性SPWM
調(diào)制在一個(gè)調(diào)制在一個(gè)調(diào)制在一個(gè) 周期內(nèi)所占周期內(nèi)所占周期內(nèi)所占
百分比(％)THD (/0>百分比(％)THD (/0>百分比(％)THD (/0>
03 30343Tl7683.76
13.11353.18693.72
22.87363. 19703.75
32.72373.21713.7742.58383.24723.79
52.43393.29733.76
62.38403.33743.75
72.37413.37753.81
82. 35423.41763. 76
92.36433.46773.82
102.45443.43783. 78
112. 50453.41793.80
122. 59463.41803. 7權(quán)利要求1.一種混合驅(qū)動(dòng)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(1)、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。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種混合驅(qū)動(dòng)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。本實(shí)用新型的調(diào)制模式切換電路應(yīng)用在混合驅(qū)動(dòng)的低諧波逆變控制方法中，具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制方便、便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。該電路可以實(shí)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(shí)間分配比例可以通過(guò)第一矩形波信號(hào)和第二矩形波信號(hào)靈活調(diào)整，實(shí)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(dòng)信號(hào)，從而達(dá)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。
文檔編號(hào)H02M1/12GK202565189SQ20122016955
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者王念春, 吳曉玉, 吳梅月 申請(qǐng)人:東南大學(xué)