[发明专利]二极管辅助升降压逆变器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法

说明书

【技术领域】

本发明属于新能源光伏、燃料电池等分布式发电领域，具体涉及升降压逆变器高增益、高效电能变换的控制方法，尤其是一类二极管辅助升降压逆变器最大升压和最小开关频率脉宽调制方法。

【背景技术】

新能源发电中，光伏、燃料电池等具有广阔的应用前景。然而，它们明显的特点是直流电源供电电压低，电压宽范围变化，跌落明显。因此，必须采用电力电子变流器调节电压幅值和频率以获取相对较高的电网或用电设备所需交流电。传统的三相电压源逆变器输出交流电压峰值小于输入直流电源电压的一半，因此，只能实现降压DC-AC功率变换。当采用正弦脉宽调制(SPWM)加入三次谐波注入或空间矢量调制(SVM)提高电压传输比时，获得的最大交流相电压约为0.57倍直流电源电压。相比于传统的火力、水利发电系统，新能源发电系统整体运行和维护成本较高，上述电源特性对电力电子变流器提出了更为迫切严格的要求：宽范围升降压调节能力、低成本、高增益、高效率等。因此，高效率、高增益的DC-AC逆变器拓扑及其控制方法成为国内学者研究的热点。

二极管辅助升降压逆变器(如图1所示)在直流电源和逆变桥之间引入基于二极管电容网络的高增益直流变换电路，利用二极管的单向导电性巧妙地实现了直流侧两个电容C₁和C₂的并联充电和串联放电，从而获得相对较高的交流输出电压。与传统两级升降压逆变器和Z源逆变器相比，其更适合于光伏、燃料电池等供电的宽输入电源系统中高增益DC-AC电压调节。

二极管辅助升降压逆变器中升压电路和逆变桥之间需要协调控制。由于这一特殊性，现有文献[1]“F.Gao,P.C.Loh,R.TeodorescuandF.Blaabjerg“Diode-assistedbuck-boostvoltage-sourceinverters”，IEEETrans.PowerElectron.,vol.24,no.9,pp.2057-20642009.”在提出该类电路拓扑的同时给出了一种典型脉宽调制策略。典型脉宽调制策略存在直流电压利用率低的缺点，现有文献[2]“Y.Zhang,J.J.Liu,andC.Y.Zhang,“Improvedpulse-widthmodulationstrategiesfordiode-assistedbuck-boostvoltagesourceinverter”，IEEETrans.PowerElectron.,vol.28,no.8,pp.3675–3688，Aug.2013.”提出了改进脉宽调制策略，提高了直流电压利用率，同时减小了开关器件电压应力。为进一步提高电压利用率和电能转换效率，本发明提出了一种新颖的脉宽调制方法，通过调节升压占空比使一个开关周期T_s内逆变桥直流侧电压为三相交流输出线电压的瞬时最大值，从而可以将逆变桥中电力半导体器件的等效开关频率减小为1/3f_s(f_s＝1/T_s)。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种理论上获得最大升压比和最小开关频率的脉宽调制策略及其设计方法。新的调制方法通过调节升压电路中S的占空比控制逆变桥直流侧电压的平均值为变流器三相输出相电压的包络线，即线电压的瞬时最大值。一个开关周期T_s内，逆变桥中两个桥臂的电力半导体器件开关状态固定不动作，另一桥臂的电力半导体器件采用脉宽调制方式(PWM)控制。因此，可以将逆变桥中电力半导体器件的等效开关频率减小为1/3f_s(f_s＝1/T_s)，有助于降低电力半导体器件成本和提高变流器的电能转换效率。此外，本发明提出的脉宽调制方法，逆变器直流侧电感电流和电容电压包含六倍基波频率的低频纹波。为克服低频纹波的不利影响，其同样更适合应用于400-800Hz中频交流电源系统，如机载和船舶电源系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种二极管辅助升降压逆变器最大升压控制和最小开关频率脉宽调制方法，调节升压电路中S的占空比控制逆变桥直流侧电压的平均值为变流器三相输出线电压的瞬时最大值，具体调制方法包括以下步骤：

1)在给定交流输出电压幅值下，根据式(1)计算电压增益G，其定义为交流输出相电压峰值与1/2倍直流电源电压的比值：