DQZHAN技術(shù)訊：適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)
編者按：本發(fā)明公開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、**開關(guān)管橋臂、**開關(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中間連接點分別與變壓器的N1線圈非同名端和N2線圈同名端相連;**開關(guān)管橋臂包括開關(guān)管T1和T2，T1和T2的中間連接點與N1線圈的同名端相連;**開關(guān)管橋臂包括開關(guān)管T3和T4，T3和T4的中間連接點與N2線圈的非同名端相連;所述控制電路包括多個電壓傳感器、驅(qū)動信號生成單元;所述三相逆變器電路具備三相的開關(guān)管橋臂。本發(fā)明能夠?qū)⑸舷码娙莸碾妷翰钕拗圃谝粋€開關(guān)管和一個二極管的導通壓降之和以內(nèi)，使得輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近。
發(fā)明人 陸暢 胡軍臺 劉春陽 王正釗 劉延增
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及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)。
背景技術(shù)
以光伏、儲能、風電為特征的分布式能源發(fā)電系統(tǒng)是擺脫對化石燃料依賴，減少溫室氣體排放，應(yīng)對能源枯竭的重要手段之一。微電網(wǎng)是分布式能源高效利用的重要手段，采用電力電子變換電路將分布式電源接入電網(wǎng)，構(gòu)成并網(wǎng)運行模式，或者為重要的敏感負荷供電，構(gòu)成孤島發(fā)電模式。對于這兩大應(yīng)用場合，變流器的拓撲目前主要有兩種類型：一種是為了帶三相電機等平衡負載，可采用三相三線制接線方式;另一種是諸如小型單相光伏發(fā)電系統(tǒng)，給小型家庭用戶使用，帶電燈、家用電器等單相負載，也需要帶加熱、家用電器、照明等單相負載，這種場合逆變器需要采取三相四線制接線方式，可以同時兼顧三相負荷和單相負荷的用電需求。
三相四線逆變電路有多種拓撲結(jié)構(gòu)，包括分裂電容式三相逆變拓撲、帶Δ/Y0變壓器的三相逆變拓撲、帶中點變壓器的三相逆變拓撲、組合式三相逆變拓撲和三相四橋臂逆變器拓撲，各種拓撲對三相不平衡的抑制存在一定差異。分裂電容式三相逆變器拓撲，把直流母線兩端串接了兩個相同容量的大電容，通過電容對直流母線分壓來鉗位交流中性點。
這種拓撲一般采用SVPWM控制方式，控制方法簡單，廣泛用于小功率的場合。但該電路拓撲也存在明顯缺點，首先是兩個分壓電容參數(shù)的微小的差異就會立即反映到中性點的電位上，其次是當帶負載不平衡的時候，會有零序電流從電容流過，負載的不平衡程度較大時，零序電流會更大，兩個電容的電壓會產(chǎn)生較大的偏差，為減小串聯(lián)電容的壓差，就需要較大電容值的分裂電容，必然會增加硬件成本和裝置體積。因此，該電路拓撲結(jié)構(gòu)不適用于負載不平衡程度較大的場合。
帶Δ/Y0變壓器的三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中變壓器副邊采用星形連接方式，能夠為三相不平衡負載提供中線電流通路，而相位相同的零序電流分量可以在變壓器三角形方式連接的原邊繞組中流動，因而起到了一定的平衡作用。變壓器的引入還能起到升壓作用，可以減小直流母線電壓能級，以及電容的電壓等級，同時也能對原副邊起到一定的隔離作用。
但是，這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它本身的缺點，加入工頻變壓器自然增加了硬件的成本、重量和體積。另外該電路拓撲結(jié)構(gòu)并沒有實現(xiàn)三相電路的完全解耦，無法從根本上解決三相負載不平衡導致三相輸出不對稱的問題。因此，在一些容易出現(xiàn)不平衡負載的場合限制了其應(yīng)用。
在帶不平衡三相負載時，無法保證直流母線分裂電容的中點電位的穩(wěn)定，無法保證中性點的電平穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)⑸舷码娙莸碾妷翰钕拗圃谝粋€開關(guān)管和一個二極管的導通壓降之和以內(nèi);該電路拓撲能夠有效降低上下電容的電壓差，使得輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近，減少輸出電壓的諧波分量，輸出電壓更加對稱的適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：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、**開關(guān)管橋臂、**開關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;
所述電容串聯(lián)電路包括串聯(lián)的上電容C1和下電容C2，上電容C1的另一端與直流電源電路的正極相連，下電容C2的另一端連接直流電源電路的負極;上電容C1和下電容C2中間連接點分別與變壓器的N1線圈非同名端和變壓器N2線圈的同名端相連;
所述**開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T1和T2，開關(guān)管T1的發(fā)射極與開關(guān)管T2的集電極相連，開關(guān)管T1和T2分別反并聯(lián)一個二極管D1和D2，開關(guān)管T1和T2的中間連接點與變壓器N1線圈的同名端相連;
所述**開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T3和T4，開關(guān)管T3的發(fā)射極與開關(guān)管T4的集電極相連，開關(guān)管T3和T4分別反并聯(lián)一個二極管D3和D4，開關(guān)管T3和T4的中間連接點與變壓器N2線圈的非同名端相連;
開關(guān)管T1和T3的集電極與直流電源電路的正極相連，開關(guān)管T2和T4的發(fā)射極與直流電源電路的負極相連;
所述控制電路包括多個電壓傳感器、驅(qū)動信號生成單元;
電壓傳感器，用于檢測下電容C2兩端的電壓，用于檢測直流電源電路的中性點電壓;
驅(qū)動信號生成模塊，使用電壓傳感器的檢測電壓，結(jié)合0V給定電壓，生成開關(guān)管T1、T2、T3、T4的控制信號G1、G2、G3和G4;
所述三相逆變器電路具備三相的開關(guān)管橋臂，每一相的所述開關(guān)管橋臂在上下臂分別具有開關(guān)管，每一個開關(guān)管反并聯(lián)一個二極管;每一相上臂的開關(guān)管連接到直流電源電路的正極，每一相下臂的開關(guān)管連接到直流電源電路的負極;所述上下臂的開關(guān)管之間的串聯(lián)連接點作為各相的交流輸出端子，分別通過電感La、Lb、Lc連接負載;所述電感La、Lb、Lc分別通過電容Cc、Cb、Ca與中性點N相連，中性點N同時連接到變壓器N1線圈的非同名端和N2線圈的同名端，以及上電容C1與下電容C2的中間連接點。
進一步地，所述直流電源電路包括多個串聯(lián)的直流電壓源。
進一步地，當上電容C1上的電容電壓 小于下電容C2上的電容電壓 時，開關(guān)管T2和T4輪流導通，變壓器N1線圈和N2線圈交替作為變壓器原邊，把下電容C2的能量傳遞到上電容C1上，實現(xiàn)上下電容電壓的均衡，開關(guān)管T1和T3一直保持斷開狀態(tài);
微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)依次包括以下四種工作狀態(tài)：(1)T2導通，T1、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T4導通，T1、T2、T3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① 狀態(tài)，② 狀態(tài)，③ 狀態(tài)和④ 狀態(tài)。
(1)所述① 狀態(tài)時，開關(guān)管T2導通，T1、T3、T4關(guān)斷;電流從下電容C2的正端流出，經(jīng)過N1線圈和開關(guān)管T2后流回下電容C2的負端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：
公式中， 為N1線圈兩端的電壓， 為開關(guān)管T2的導通壓降;
與此同時，在變壓器N2線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N2線圈的非同名端流出，依次經(jīng)過與開關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、下電容C1后流回到N2線圈的同名端;此時：
式中， 為N2線圈兩端的電壓， 為二極管D3的導通壓降;
將變壓器變比設(shè)為1，得到：
根據(jù)公式(1)、(2)、(3)得到：
即上電容C1的電壓值與下電容C2的電壓值之差即為開關(guān)管T2的導通壓降與二極管D3的導通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線圈吸收后傳遞給N2線圈，然后由N2線圈通過二極管D3不斷向電容上C1充電;這個過程中，C2放電，C1充電， 不斷減小， 不斷增加，二者電壓差減少;
(2)所述② 狀態(tài)為① 狀態(tài)的續(xù)流階段，電流從N1線圈的同名端流出，依次經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端，該電流不斷減小，*終為0;
(3)所述③ 狀態(tài)在② 狀態(tài)的續(xù)流完成后開始，此狀態(tài)下，開關(guān)管T4導通，T1、T2、T3關(guān)斷;電流從下電容C2正端流出，經(jīng)過N2線圈、開關(guān)管T4后流回下電容C2的負端，此時：
式中， 為開關(guān)管T4的導通壓降;
與此同時，在變壓器副邊N1線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N1線圈的同名端流出，經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端;此時N1線圈電壓為：
為與二極管D1的導通壓降;
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的導通壓降與開關(guān)管T4導通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N2線圈吸收后傳遞給N1線圈，然后由N1線圈通過二極管D1不斷向上電容C1充電;這個過程中，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，開關(guān)管T1、T2、T3、T4關(guān)斷;電流從N2線圈的非同名端流出，經(jīng)過與開關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、上電容C1后流回N2線圈的同名端，該電流不斷減小，直到為0。
進一步地，當上電容C1上的電容電壓 大于下電容C2上的電容電壓 時，開關(guān)管T1和T3輪流導通，變壓器N1線圈和N2線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，實現(xiàn)兩個電容電壓的均衡;此模式下開關(guān)管T2和T4一直保持斷開狀態(tài);
此時微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)的工作狀態(tài)依次為：(1)T1導通，T2、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T3導通，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，開關(guān)管T1導通，T2、T3、T4關(guān)斷;電流從上電容C1的正端流出，經(jīng)過開關(guān)管T1、N1線圈后流回上電容C1的負端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：
公式中 為N1線圈兩端的電壓， 為開關(guān)管T1的導通壓降;
與此同時，在變壓器的N2線圈產(chǎn)生電流回路，電流從N2線圈的同名端流出，經(jīng)過下電容C2、與開關(guān)管T4反并聯(lián)的二極管D4后回到N2線圈的非同名端;此時：
為N2線圈兩端的電壓， 為二極管D4的導通壓降;
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的電壓值之差為開關(guān)管T1的導通壓降與二極管D4的導通壓降之和;上電容C1在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線圈吸收后傳遞給N2線圈，然后由N2線圈通過二極管D4不斷向下電容C2充電;在這個過程中，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)下電流所有開關(guān)管全部關(guān)斷，該階段為⑤ 狀態(tài)的續(xù)流階段，電流從N1線圈的非同名端流出，經(jīng)過下電容C2、二極管D2后流回繞組N1線圈的同名端，該電流大小不斷減小，*終為0;
(3)⑦ 狀態(tài)在⑥ 狀態(tài)的續(xù)流完成后開始，該狀態(tài)下開關(guān)管T3導通，T1，T2，T4關(guān)斷;電流從上電容C1正端流出，經(jīng)過開關(guān)管T3、N2線圈后流回上電容C1的負端，此時：
變壓器副邊N1線圈產(chǎn)生電流回路，電流從N1線圈的非同名端流出，經(jīng)過下電容C2、
與開關(guān)管T2反并聯(lián)的二極管D2后流回N1線圈的同名端，此時：
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線圈吸收后傳遞給N1線圈，然后由N1線圈通過二極管D2不斷向下電容C2充電;在此過程中，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，電流從N2圈的同名端流出，經(jīng)過下電容C2、二極管D4后流回到N2線圈的非同名端，該回路的電流不斷減小，直到為0。
進一步地，所述驅(qū)動信號生成模塊包括減法運算單元，**值運算單元、限幅單元、三角波載波信號發(fā)生單元、多個比較器、數(shù)字邏輯運算單元、0V電壓給定單元;
電壓傳感器檢測到的電容C2兩端的電壓和直流電源電路的中性點電壓分別輸入減法運算單元;減法運算單元的一路輸出信號依次通過**值運算單元和限幅單元后作為比較器A的一路輸入信號，比較器A的另一路輸入信號為三角載波信號發(fā)聲單元產(chǎn)生的三角載波信號;
減法運算器的另一路輸出信號和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的輸出信號分別輸入數(shù)字邏輯運算單元，數(shù)字邏輯運算單元生成的控制信號G1、G2、G3和G4分別與開關(guān)管T1、T2、T3、T4的柵極相連接。
進一步地，所述數(shù)字邏輯運算單元生成控制信號的邏輯信號表達式：
式中，A表示符號位，即為比較器B的輸出信號;B表示二分頻信號;C表示原始的PWM信號，即比較器A的輸出信號。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)能夠?qū)⑸舷码娙莸碾妷翰钕拗圃谝粋€開關(guān)管和一個二極管的導通壓降之和以內(nèi);該電路拓撲能夠有效降低上下電容的電壓差，使得輸出電壓得到明顯的改善，輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近，減少輸出電壓的諧波分量，不再發(fā)生B相電壓波形畸變的情況;中性線電壓波動更小，使得輸出電壓更加對稱。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)的電路拓撲圖;
圖2為本發(fā)明的電路運行在① 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖3為本發(fā)明的電路運行在② 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖4為本發(fā)明的電路運行在③ 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖5為本發(fā)明的電路運行在④ 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖6為本發(fā)明的電路運行在⑤ 狀態(tài)時的電流方向圖;
.
圖7為本發(fā)明的電路運行在⑥ 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖8為本發(fā)明的電路運行在⑦ 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖9為本發(fā)明的電路運行在⑧ 狀態(tài)時的電流方向圖;
圖10為本發(fā)明的控制電路的電路拓撲圖;
圖11為本發(fā)明的數(shù)字邏輯運算單元電路拓撲圖;
圖12為傳統(tǒng)逆變器輸出電壓波形;
圖13為傳統(tǒng)逆變器三相輸出電壓FFT分析圖;
圖14為傳統(tǒng)的逆變器上下電容電壓波形圖;
圖15為傳統(tǒng)逆變器中性線流入分裂電容中點電流曲線圖;
[0089] 圖16為本發(fā)明的實施例的三相電壓輸出波形;
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
如圖1所示，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、**開關(guān)管橋臂、**開關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;
所述電容串聯(lián)電路包括串聯(lián)的上電容C1和下電容C2，上電容C1的另一端與直流電源電路的正極相連，下電容C2的另一端連接直流電源電路的負極;上電容C1和下電容C2中間連接點分別與變壓器的N1線圈非同名端和變壓器N2線圈的同名端相連;
所述**開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T1和T2，開關(guān)管T1的發(fā)射極與開關(guān)管T2的集電極相連，開關(guān)管T1和T2分別反并聯(lián)一個二極管D1和D2，開關(guān)管T1和T2的中間連接點與變壓器N1線圈的同名端相連;
所述**開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T3和T4，開關(guān)管T3的發(fā)射極與開關(guān)管T4的集電極相連，開關(guān)管T3和T4分別反并聯(lián)一個二極管D3和D4，開關(guān)管T3和T4的中間連接點與變壓器N2線圈的非同名端相連;
開關(guān)管T1和T3的集電極與直流電源電路的正極相連，開關(guān)管T2和T4的發(fā)射極與直流電源電路的負極相連;
所述控制電路包括多個電壓傳感器、驅(qū)動信號生成單元;
電壓傳感器，用于檢測下電容C2兩端的電壓，用于檢測直流電源電路的中性點電壓;
驅(qū)動信號生成模塊，使用電壓傳感器的檢測電壓，結(jié)合0V給定電壓，生成開關(guān)管T1、T2、T3、T4的控制信號G1、G2、G3和G4;
所述三相逆變器電路具備三相的開關(guān)管橋臂，每一相的所述開關(guān)管橋臂在上下臂分別具有開關(guān)管：開關(guān)管S1和S4串聯(lián)、開關(guān)管S3和S6串聯(lián)、開關(guān)管S5和S2串聯(lián)分別作為逆變器的A、B、C三相，開關(guān)管S1、S4、S3、S6、S5、S2分別反并聯(lián)一個二極管;每一相上臂的開關(guān)管(S1、S3、S5)連接到直流電源電路的正極，每一相下臂的開關(guān)管(S4、S6、S2)連接到直流電源電路的負極;所述上下臂的開關(guān)管之間的串聯(lián)連接點作為各相的交流輸出端子，分別通過電感La、Lb、Lc連接負載;所述電感La、Lb、Lc分別通過電容Cc、Cb、Ca與中性點N相連，中性點N同時連接到變壓器N1線圈的非同名端和N2線圈的同名端，以及上電容C1與下電容C2的中間連接點。
相比與傳統(tǒng)的分裂電容式三相四線逆變電路，本發(fā)明的功率變換系統(tǒng)多出了一個變壓器，四個開關(guān)管(T1、T2、T3、T4)以及四個與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管(D1、D2、D3、D4)。從控制的角度說，該拓撲加入了分裂電容均壓控制，需要新增四個PWM控制信號，用于控制四個開關(guān)管的導通和關(guān)斷。
進一步地，所述直流電源電路包括多個串聯(lián)的直流電壓源。
進一步地，本發(fā)明的中性點電壓偏移分為兩種情況：一是中性點電壓大于直流源電壓的一半，即上電容C1上的電壓小于下電容C2上的電壓;二是中性點電壓小于直流源電壓的一半，即上電容C1上的電壓大于下電容C2上的電壓。下面分別說明這兩種情況下系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
(一)當上電容C1上的電容電壓 小于下電容C2上的電容電壓 時，開關(guān)管T2和T4輪流導通，變壓器N1線圈和N2線圈交替作為變壓器原邊，把下電容C2的能量傳遞到上電容C1上，實現(xiàn)上下電容電壓的均衡，開關(guān)管T1和T3一直保持斷開狀態(tài);
微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)依次包括以下四種工作狀態(tài)：(1)T2導通，T1、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T4導通，T1、T2、T3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① 狀態(tài)，② 狀態(tài)，③ 狀態(tài)和④ 狀態(tài)。
(1)所述① 狀態(tài)時，開關(guān)管T2導通，T1、T3、T4關(guān)斷，電路中的電流方向如圖2所示。電流從下電容C2的正端流出，經(jīng)過N1線圈和開關(guān)管T2后流回下電容C2的負端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：
公式中，為N1線圈兩端的電壓，為開關(guān)管T2的導通壓降;
與此同時，在變壓器N2線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N2線圈的非同名端流出，依次經(jīng)
過與開關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、下電容C1后流回到N2線圈的同名端;此時：
式中， 為N2線圈兩端的電壓，為二極管D3的導通壓降;
將變壓器變比設(shè)為1，得到：
根據(jù)公式(1)、(2)、(3)得到：
即上電容C1的電壓值與下電容C2的電壓值之差即為開關(guān)管T2的導通壓降與二極管D3的導通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線圈吸收后傳遞給N2線圈，然后由N2線圈通過二極管D3不斷向電容上C1充電;這個過程中，C2放電，C1充電， 不斷減小， 不斷增加，二者電壓差減少;
(2)所述② 狀態(tài)為① 狀態(tài)的續(xù)流階段，電流流向如圖3所示。電流從N1線圈的同名端流出，依次經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端，該電流不斷減小，*終為0;
(3)所述③ 狀態(tài)在② 狀態(tài)的續(xù)流完成后開始，此狀態(tài)下，開關(guān)管T4導通，T1、T2、T3關(guān)斷，電流流向如圖4所示。電流從下電容C2正端流出，經(jīng)過N2線圈、開關(guān)管T4后流回下電容C2的負端，此時：
式中，為開關(guān)管T4的導通壓降;
與此同時，在變壓器副邊N1線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N1線圈的同名端流出，經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端;此時N1線圈電壓為：
為與二極管D1的導通壓降;
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的導通壓降與開關(guān)管T4導通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N2線圈吸收后傳遞給N1線圈，然后由N1線圈通過二極管D1不斷向上電容C1充電;這個過程中，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線圈的非同名端流出，經(jīng)過與開關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、上電容C1后流回N2線圈的同名端，該電流不斷減小，直到為0。
(二)當上電容C1上的電容電壓 大于下電容C2上的電容電壓 時，開關(guān)管T1和T3輪流導通，變壓器N1線圈和N2線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，實現(xiàn)兩個電容電壓的均衡;此模式下開關(guān)管T2和T4一直保持斷開狀態(tài);
此時微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)的工作狀態(tài)依次為：(1)T1導通，T2、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T3導通，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，開關(guān)管T1導通，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)過開關(guān)管T1、N1線圈后流回上電容C1的負端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：
公式中為N1線圈兩端的電壓，為開關(guān)管T1的導通壓降;
與此同時，在變壓器的N2線圈產(chǎn)生電流回路，電流從N2線圈的同名端流出，經(jīng)過下
電容C2、與開關(guān)管T4反并聯(lián)的二極管D4后回到N2線圈的非同名端;此時：
為N2線圈兩端的電壓，為二極管D4的導通壓降;
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的電壓值之差為開關(guān)管T1的導通壓降與二極管D4的導通壓降之和;上電容C1在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線圈吸收后傳遞給N2線圈，然后由N2線圈通過二極管D4不斷向下電容C2充電;在這個過程中，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線圈的非同名端流出，經(jīng)過下電容C2、二極管D2后流回繞組N1線圈的同名端，該電流大小不斷減小，*終為0;
(3)⑦ 狀態(tài)在⑥ 狀態(tài)的續(xù)流完成后開始，該狀態(tài)下開關(guān)管T3導通，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)過開關(guān)管T3、N2線圈后流回上電容C1的負端，此時：
變壓器副邊N1線圈產(chǎn)生電流回路，電流從N1線圈的非同名端流出，經(jīng)過下電容C2、與開關(guān)管T2反并聯(lián)的二極管D2后流回N1線圈的同名端，此時：
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線圈吸收后傳遞給N1線圈，然后由N1線圈通過二極管D2不斷向下電容C2充電;在此過程中，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線圈的同名端流出，經(jīng)過下電容C2、二極管D4后流回到N2線圈的非同名端，該回路的電流不斷減小，直到為0。
經(jīng)過對以上兩種中性點電壓的波動情況進行分析可知，上下電容的電壓差被限制在一個開關(guān)管和一個二極管的導通壓降之和以內(nèi)，該電路拓撲能夠有效降低上下電容的電壓差。
本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)增加了四個開關(guān)管，由電路的模態(tài)分析，通過變壓器的繞組交替作為原邊繞組，*終設(shè)計的控制電路如圖10所示。所述驅(qū)動信號生成模塊包括減法運算單元，**值運算單元、限幅單元、三角波載波信號發(fā)生單元、多個比較器、數(shù)字邏輯運算單元、0V電壓給定單元;
電壓傳感器檢測到的電容C2兩端的電壓和直流電源電路的中性點電壓分別輸入減法運算單元;減法運算單元的一路輸出信號依次通過**值運算單元和限幅單元后作為比較器A的一路輸入信號，比較器A的另一路輸入信號為三角載波信號發(fā)聲單元產(chǎn)生的三角載波信號;
減法運算器的另一路輸出信號和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的輸出信號分別輸入數(shù)字邏輯運算單元，數(shù)字邏輯運算單元生成的控制信號G1、G2、G3和G4分別與開關(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，反映中性點對負直流母線端的電壓值;Vref指的是直流母線電壓的一半即中性點電壓的給定值。而0V電壓的給定與偏差信號進行比較，是為了判斷中性點電壓的漂移方向，也是為了判斷上下電容電壓的大小關(guān)系。數(shù)字邏輯運算模塊的功能是對各個信號的綜合，從而得到四個開關(guān)管T1、T2、T3、T4的柵極控制信號。
中性點電壓與給定進行減法運算，偏差信號經(jīng)過**值運算、限幅之后與三角波載波信號進行比較，得到控制四個開關(guān)管開通和關(guān)斷的原始PWM信號。另一方面，給定信號和反饋采樣信號之差作為偏差信號，偏差信號與0V進行比較，比較值作為符號位來判斷上下電容電壓值的大小關(guān)系。符號位來決定兩個橋臂的上開關(guān)管交替導通還是下開關(guān)管交替導通，比如，當符號位為低電平信號時，上電容電壓 大于下電容電壓 則讓開關(guān)管T1和T3交替導通，T2和T4保持關(guān)斷;反之，下電容電壓 大于上電容電壓 則讓開關(guān)管T2和T4交替導通，T1和T3保持關(guān)斷。因為在電容自均壓網(wǎng)絡(luò)工作時，需要控制上橋臂或者下橋臂交替開通，因此在設(shè)計中對PWM進行二分頻，用二分頻信號來確定選擇兩個上橋臂的T1或者T3開通，用二分頻信號來選擇兩個下橋臂的T2或者T4開通。
為了防止同一個橋臂上兩個開關(guān)管在切換導通時刻橋臂的直通，一般需要加入一段上下開關(guān)管都不導通的死區(qū)時間，因此在設(shè)計中用不同的二分頻控制信號來分別決定同一橋臂上兩個開關(guān)管的開通和關(guān)斷。以符號位A，二分頻信號B和PWM信號C作為輸入量，以四個開關(guān)管控制信號G1、G2、G3和G4為輸出信號的真值表，如表1所示。
表1
由真值表可以得出所述數(shù)字邏輯運算單元生成控制信號的邏輯信號表達式：
式中，A表示符號位，即為比較器B的輸出信號;B表示二分頻信號;C表示原始的PWM
信號，即比較器A的輸出信號。根據(jù)式(17)繪制的輸出信號邏輯運算框圖如圖11所示。
原始PWM信號先通過二分頻，二分頻的輸出及其取反信號用于控制兩個上開關(guān)管還是兩個下開關(guān)管交替導通，符號位及其取反信號用于控制兩個上開關(guān)管的使能還是下開關(guān)管的使能。*終通過四個三輸入與門進行信號的耦合，來分別控制四個開關(guān)管的開通關(guān)斷。
下面通過具體實施例來驗證本發(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稱。
對0.38s-0.40s進行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?？梢钥闯?，*后上電容電壓和下電容電壓的波動范圍基本相同，*終上電容電壓和下電容電壓的波動范圍都是32V-78V，波動頻率為50Hz。
傳統(tǒng)逆變器電路的中性線流入分裂電容中點的電流如圖15所示，可以看出中性線電流不是正弦波形，但電流的正半周和負半周對稱，所以一個周期內(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、四個開關(guān)管及其相關(guān)電路)后，按照本發(fā)明的電路拓撲結(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，波動區(qū)間約為45V到55V。對分裂電容電壓(即電容C1和C2)進行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)過分裂電容自均壓控制后，中性線電壓波動更小。輸出電壓因而更加對稱。
以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明進行各種修改、替換和改變，因此本發(fā)明不應(yīng)由上述事例來限定。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實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)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(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)明的保護范圍內(nèi)。
