逆变器及其控制方法和装置与流程

本发明涉及逆变器技术领域，特别是涉及一种逆变器及其控制方法和装置。

背景技术：

随着非可再生能源的日益紧缺以及偏远地区对电力需求的日益加剧，以风能和太阳能形式为主的分布式可再生能源发电系统在过去几年中得到了迅猛的发展。中小功率单相并网逆变器作为分布式发电系统的核心部分，其效率受到工业及学术界的广泛关注。传统的提高并网逆变器效率的方法主要是基于逆变器自身拓扑结构的改进，如谐振逆变器、软开关技术，这类方法需添加谐振单元到逆变器的主电路中，因此增加了逆变器的制造成本。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够降低成本的逆变器及其控制方法和装置。

一种逆变器的控制方法，包括：采集所述逆变器的工况参数；根据所述工况参数和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号；以及根据所述开关频率控制信号生成驱动信号以对所述逆变器进行控制。

在其中一个实施例中，所述采集所述逆变器的工况参数的步骤中，所述工况参数包括所述逆变器的母线电压、电网电压有效值和电网电压角频率。

在其中一个实施例中，所述根据所述工况参数和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号的步骤包括：根据预设参考母线电压和所述母线电压求取参考电流值；以及根据所述参考电流值、所述母线电压、所述电网电压有效值、所述电网电压角频率和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率的最大值生成所述开关频率控制信号。

在其中一个实施例中，所述根据所述开关频率控制信号生成驱动信号以对所述逆变器进行控制的步骤包括：根据所述电网电压有效值、所述电网电压角频率以及所述参考电流生成参考电压；根据所述开关频率控制信号和所述参考电压生成所述驱动信号。

在其中一个实施例中，所述根据所述工况参数和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号的步骤中，生成开关频率控制信号的计算公式为：

其中，f_{s_optimal}为给定工况下的开关频率；V_g为电网电压的有效值；w₀为电网电压的角频率；L为逆变器的滤波器的电感值；V_dc为逆变器的母线电压；I_ref为逆变器输出参考电流的有效值；THD_Req为逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率。

一种逆变器的控制装置，包括：采集设备，用于采集所述逆变器的工况参数；处理设备，与所述采集设备连接，用于根据所述工况参数和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号；以及驱动设备，与所述处理设备连接，用于根据所述开关频率控制信号生成驱动信号以对所述逆变器进行控制。

在其中一个实施例中，所述采集设备用于采集所述逆变器的母线电压、电网电压有效值和电网电压角频率。

在其中一个实施例中，所述处理设备包括：第一计算模块，用于根据预设参考母线电压和所述母线电压求取参考电流；第二计算模块，用于根据所述参考电流值、所述母线电压、所述电网电压有效值、所述电网电压角频率和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成所述开关频率控制信号。

在其中一个实施例中，所述处理设备还包括第三计算模块；所述第三计算模块用于根据所述电网电压有效值、所述电网电压角频率以及所述参考电流生成参考电压；所述驱动设备用于根据所述开关频率控制信号和所述参考电压生成所述驱动信号。

一种逆变器，包括单相全桥逆变单元，还包括上述任一实施例中所述的逆变器控制装置，所述控制装置与所述单相全桥逆变单元连接；所述单相全桥逆变单元用于在所述驱动信号的驱动下工作。

上述逆变器的控制方法，根据采集的工况参数和所述逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号，从而根据开关频率控制信号生成驱动信号以对逆变器进行控制。由于开关频率控制信号是根据目标电流总谐波畸变率进行确定的，从而可以确保逆变器最终输出的电流总谐波畸变率符合要求。该逆变器的控制方法无需对逆变器自身拓扑结构进行改进，不会增加逆变器的制造成本。

附图说明

图1是一实施例中的逆变器的控制方法的流程图；

图2是图1中步骤S120的流程图；

图3是图1中步骤S130的流程图；

图4是一10kW单相并网逆变器采用图1中逆变器的控制方法后的效率特性与传统的采用固定开关频率算法的效率特性的对比图；

图5是一10kW单相并网逆变器采用图1中的逆变器的控制方法后的输出电流总谐波畸变率特性示意图；

图6是一实施例中的逆变器的控制装置的结构框图；

图7是图6中的处理设备的结构框图；

图8是一实施例中的逆变器的控制装置的电路原理图；

图9是一实施例中的单相并网逆变器的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是一实施例中的逆变器的控制方法的流程图。该逆变器的控制方法可用于单相并网逆变器中，也可用于三相并网逆变器中。如图1所示，一种逆变器的控制方法包括以下步骤：

S110，采集逆变器的工况参数。

工况参数包括逆变器的母线电压、电网电压有效值和电网电压角频率。母线电压和电网电压有效值可以通过电压传感器进行采集，电网电压角频率可以通过锁相环获取。

S120，根据工况参数和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号。

如图2所示，在本实施例中，根据工况参数和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号的步骤包括：

S121，根据预设参考母线电压和母线电压求取参考电流值。

参考电流值可以通过PI控制器求取得到，也即将预设参考母线电压和实际检测的母线电压送入到PI控制器中，通过PI控制器的处理即可获得相应的参考电流值。

S123，根据参考电流值、母线电压、电网电压有效值、电网电压角频率和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成所述开关频率控制信号。

在本实施例中，生成开关频率控制信号的计算公式为：

上式中，f_{s_optimal}为给定工况下的开关频率；V_g为电网电压的有效值；w₀为电网电压角频率；L为逆变器的滤波器的电感值；V_dc为逆变器的母线电压；I_ref为逆变器输出参考电流的有效值；THD_Req为逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率。在本实施例中，目标电流总谐波畸变率需要满足逆变器国际标准的规定，因此其采用逆变器国际标准中规定的电流总谐波畸变率的最大值。在其他的实施例中，该值也可以根据实际生成需要进行设定，以使得逆变器最终输出的电流总谐波畸变率满足预期需求。因此，将采集到的工况参数以及逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率代入至上式中，即求取得到f_{s_optimal}，并将其作为开关频率控制信号。

其中，生成开关频率控制信号的计算公式是由基于逆变器输出电流总谐波畸变率的预测模型推导而来。逆变器输出电流总谐波畸变率的预测模型为：

上式中，V_g为电网电压的有效值；w₀为电网电压的角频率；L为逆变器的滤波器的电感值；V_dc为逆变器的母线电压；I_ref为逆变器输出参考电流的有效值；T_s为所述逆变器采用的开关周期，THD_estimation为基于电流总谐波畸变率预测模型得到的逆变器输出电流总谐波畸变率的预测值。

S130，根据开关频率控制信号生成驱动信号以对逆变器进行控制。

如图3所示，在本实施例中，根据开关频率控制信号生成驱动信号以对逆变器进行控制的步骤包括：

S131，根据电网电压有效值、电网电压角频率以及参考电流生成参考电压。

参考电压可以通过预测电流控制器求取得到，也即将电网电压有效值、电网电压角频率和参考电流送入到预测电流控制器中，通过预测电流控制器处理即可获得相应的参考电压。

S133，根据开关频率控制信号和参考电压生成驱动信号。

驱动信号可以通过矢量脉冲调制器求取得到，也即将开关频率控制信号以及参考电压送入到矢量脉冲调制器中，通过矢量脉冲调制处理即可获得相应的驱动信号。

通过开关频率控制信号可以对逆变器中的功率器件的开关进行实时地优化调节与控制，从而降低逆变器的开关损耗，提高了逆变器的整体工作效率。同时，由于开关频率控制信号是根据目标电流总谐波畸变率进行确定的，从而可以确保逆变器最终输出的电流总谐波畸变率符合要求。

上述逆变器的控制方法，根据采集的工况参数和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号，从而根据开关频率控制信号生成驱动信号以对逆变器进行控制。该逆变器的控制方法无需对逆变器自身拓扑结构进行改进，不会增加逆变器的制造成本。同时，该逆变器的控制方法根据采集的实时工况参数对逆变器的开关频率进行实时地优化调节与控制，从而降低并网逆变器的开关损耗，提高并网逆变器的效率。

为对本实施例中的控制方法的效果做进一步说明，下面以该控制方法对某一具体单相并网逆变器进行控制过程的效率特性以及输出电流总谐波畸变率特性进行说明。在本实施例中，采用的单相并网逆变器的功率为10kW，其电气参数如下表：

采用图1所提供的逆变器的控制方法对该逆变器进行控制，其在不同工况下的运行效率如图4所示，其输出电流的总谐波畸变率特性如图5所示。

在本实施例中，为更好的说明本实施例中的控制方法具有提高效率的优点，还同时提供了传统的采用固定开关频率算法进行控制的逆变器的运行效率曲线图作为对比。图4中，实线为采用图1中逆变器的控制方法所获得的逆变器的效率曲线。虚线则代表传统的采用固定开关频率算法获得的逆变器的效率曲线。根据图4可知，采用图1中逆变器的控制方法所获得的逆变器的效率比采用传统的采用固定开关频率算法获得的逆变器的效率高。也即是通过对比，本实施例中的逆变器的控制方法，在不需要增加额外的逆变器制造成本与控制难度的基础上，可以有效地提高逆变器的整体工作效率。

根据图5可知，在不同工况下运行，逆变器电流总谐波畸变率(THD)的最大值(MAX)为4.5％，逆变器电流总谐波畸变率的最小值(MIN)为2.2％，逆变器电流总谐波畸变率的平均值(AVG)为3.2％。由此可知，逆变器采用图1中的逆变器的控制方法，在不同工况下运行，输出电流的总谐波畸变率始终保持在国际并网逆变器标准所要求的范围内，也即是输出电流的总谐波畸变率THD≤5％，平均输出电流THD为3.2％。

图6是一实施例中的逆变器的控制装置的结构框图。如图6所示，该逆变器的控制装置包括采集设备610、处理设备620以及驱动设备630。

采集设备610，用于采集逆变器的工况参数。逆变器的工况参数包括母线电压、电网电压有效值和电网电压角频率。采集设备610可以包括电压采集设备和角频率采集设备。其中，电压采集设备可以为电压传感器。角频率采集设备则可以为锁相环。

处理设备620，与采集设备610连接，用于根据工况参数和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号。

如图7所示。在本实施例中，处理设备620包括第一计算模块621、第二计算模块623和第三计算模块625。第一计算模块621根据预设参考母线电压和母线电压求取参考电流。第二计算模块623从第一计算模块621获取参考电流，并根据获取的参考电流、母线电压、电网电压有效值和电网电压角频率，以及逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率生成开关频率控制信号。第三计算模块525从第一计算模块521获取参考电流，根据电网电压有效值、电网电压角频率以及参考电流生成参考电压。

驱动设备630与处理设备620连接，根据开关频率控制信号生成驱动信号以对逆变器进行控制。在本实施例中，驱动设备630根据开关频率控制信号和参考电压生成驱动信号。

图8是一实施例中的逆变器的控制装置的电路原理图。如图8所示，采集设备610包括电压采集设备(图未示)和角频率采集设备。电压采集设备为电压传感器(图未示)，电压传感器采集逆变器的母线电压V_dc以及电网电压，并计算电网电压有效值V_g。角频率采集设备为锁相环801，电网电压经过锁相环801后输出电压角频率w₀。处理设备620与采集设备610连接。处理设备620包括PI控制器803、预测电流控制器805以及逆变器开关频率控制807。其中，PI控制器803为第一计算模块621。PI控制器803根据预设参考母线电压和母线电压求取参考电流I_ref。预测电流控制器805为第三计算模块625。预测电流控制器805根据电网电压有效值V_g、电网电压角频率w₀以及参考电流I_ref生成参考电压逆变器开关频率控制807为第二计算模块623。逆变器开关频率控制807根据母线电压V_dc、电网电压有效值V_g、电网电压角频率w₀、参考电流I_ref和逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率TDH_Req生成开关频率控制信号f_{s_optimal}。驱动设备630与处理设备620连接。驱动设备630为矢量脉宽调制器(SVPWM)809。矢量脉宽调制器809根据预测电流控制器805输出的参考电压和逆变器开关频率控制807输出的开关频率控制信号f_{s_optimal}生成驱动信号，以对逆变器进行控制。

如图8所示，由传感器测量母线电压V_dc，并将母线电压V_dc与预设定的参考母线电压比较，通过PI控制器803后输出参考电流的有效值I_ref。将逆变器的母线电压V_dc、电网电压有效值V_g和电网电压角频率w₀以及参考电流的有效值I_ref输入到逆变器开关频率控制807。逆变器开关频率控制807根据逆变器的输出电流的目标电流总谐波畸变率TDH_Req以及母线电压V_dc，参考电流的有效值I_ref，电网电压有效值V_g、电网电压角频率w₀输出逆变器的开关频率f_{s_optimal}。逆变器开关频率控制根据实时采集到的不同工况参数，以效率最优为目的输出实时开关频率f_{s_optimal}。其中，生成开关频率f_{s_optimal}控制信号的计算公式为：

同时，将输出参考电流值I_ref、电网电压有效值V_g和电网电压角频率w₀输入到预测电流控制器805，从而预测电流控制器805输出参考电压将参考电压和开关频率f_{s_optimal}输送到矢量脉宽调制器809，从而矢量脉宽调制器809生成驱动信号以对逆变器进行控制。开关频率f_{s_optimal}作为矢量脉宽调制器809的基波频率对逆变器的电压输出波形进行控制，在逆变器输出电流的总谐波畸变率满足并网逆变器国际标准的基础上，最大限度的提高逆变器的整体工作效率。

本发明还提供一种逆变器。该逆变器包括单相全桥逆变单元，还包括上述任一实施例所述的逆变器控制装置。逆变器控制装置与单相全桥逆变单元连接。单相全桥逆变单元用于在驱动信号的驱动下工作。在本实施例中，逆变器为单相并网逆变器，如图9所示。单相并网逆变器主电路由两部分组成，包括直流母线电容和单相全桥逆变单元。其中，直流母线电容用于调节和稳定母线电压，并平衡输入功率与输出功率。单相全桥逆变单元由功率半导体器件IGBT与L型输出滤波器组成，以实现将太阳能电池板或经风机整流后得到的直流电转换成交流电。在其他实施例中，上述逆变器也可以为三相并网逆变器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。