阅读说明：本技术 一种变换器装置及其控制方法 (Converter device and control method thereof ) 是由 徐君 庄加才 谷雨 顾亦磊 于 2018-06-15 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种变换器装置及其控制方法。所述变换器装置的主电路包括功率解调器以及多个具有升降压功能的功率调制器；各功率调制器的输入端分别连接至少一个直流电源,所有功率调制器的输出端串联后接入所述功率解调器的输入端,所述功率解调器的输出端接入电网或交流负载。所述变换器装置的控制电路包括功率调制器控制单元和功率解调器控制单元,所述功率调制器控制单元用于控制所述功率调制器输出电压频率为2*f的馒头波,f为电网电压频率或交流负载所需电压的频率；所述功率解调器控制单元用于控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电,以提高系统整体效率。(The application discloses a converter device and a control method thereof. The main circuit of the converter device comprises a power demodulator and a plurality of power modulators with a voltage boosting and reducing function; the input end of each power modulator is respectively connected with at least one direct current power supply, the output ends of all the power modulators are connected in series and then connected to the input end of the power demodulator, and the output end of the power demodulator is connected to a power grid or an alternating current load. The control circuit of the converter device comprises a power modulator control unit and a power demodulator control unit, wherein the power modulator control unit is used for controlling the power modulator to output steamed bread waves with voltage frequency of 2 x f, and f is the voltage frequency of a power grid or the frequency of voltage required by an alternating current load; the power demodulator control unit is used for controlling the power demodulator to demodulate the total voltage output by all the power modulators in series into sinusoidal alternating current with the voltage frequency f so as to improve the overall efficiency of the system.)

一种变换器装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及功率变换技术领域，更具体地说，涉及一种变换器装置及其控制方法。

背景技术

单个直流电源的输出往往不足以提供实际电压、功率需求，因此需要将多个直流电源通过串并联构成一个整体来满足设计要求。如图1所示，现有的一种发电系统是为每个直流电源分别配置一个DC/DC变换器，所有DC/DC变换器的输出端串联后接入一逆变器，该逆变器将所有DC/DC变换器串联输出的总电压调制成正弦交流电，用于向电网发送电能或向交流负载提供电能。

但是，图1是一个两级系统，DC/DC变换器和逆变器都通过PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)调制控制，其内部开关管工作在高频开关状态，开关损耗较大，导致系统整体效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种变换器装置及其控制方法，以提高系统整体效率。

一种变换器装置，其主电路包括功率解调器以及多个具有升降压功能的功率调制器；各功率调制器的输入端分别连接至少一个直流电源，所有功率调制器的输出端串联后接入所述功率解调器的输入端，所述功率解调器的输出端接入电网或交流负载；

所述变换器装置的控制电路包括功率调制器控制单元和功率解调器控制单元，所述功率调制器控制单元用于控制所述功率调制器输出电压频率为2*f的馒头波，f为电网电压频率或交流负载所需电压的频率；所述功率解调器控制单元用于控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电。

可选的，所述功率解调器包括全桥电路，接在所述全桥电路输入侧的电容，以及接在所述全桥电路输出侧的滤波电路；所述全桥电路具有第一桥臂和第二桥臂；

所述功率解调器控制单元用于在电网电压或交流负载所需电压为正时，控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管开通，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管关断；在电网电压或交流负载所需电压为负时，控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管关断，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管开通。

可选的，所述功率调制器为非隔离型功率调制器。

可选的，所述非隔离型功率调制器为Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路或Zeta电路。

可选的，所述直流电源为光伏组件或蓄电池。

可选的，当所述直流电源为光伏组件时，所述功率调制器控制单元还用于控制所述功率调制器进行MPPT控制。

可选的，将所述变换器装置中的第k个功率调制器称为功率调制器k；k＝1,2,3,…,n；n为功率调制器的总个数；将功率调制器k对应的光伏组件、电压控制器、功率控制器分别称为光伏组件k、电压控制器k和功率控制器k；

则所述功率调制器控制单元具体用于：

根据功率调制器k的输入电压采样值v_dck和光伏组件k的输出电流采样值i_PVk，控制功率调制器k对光伏组件k进行MPPT控制，得到功率调制器k的输入电压参考值V_PVk*；

由电压控制器k以V_PVk*和v_dck作为输入，计算得到功率调制器k的输出功率幅值P_k；

根据公式P_{k_REF}＝P_ksin²θ计算得到功率调制器k的输出功率参考值P_{k_REF}；其中θ为相位角；

根据公式P_{k_FDB}＝v_ok*i_dc计算得到功率调制器k输出功率反馈值P_{k_FDB}，其中，v_ok和i_dc分别是功率调制器k的输出电容电压采样值和所述功率解调器的输入电流采样值；

由功率控制器k以P_{k_REF}和P_{k_FDB}作为输入，计算得到功率调制器的占空比d_k；

根据占空比d_k计算得到功率调制器k的开关管驱动信号。

可选的，所述功率调制器控制单元与所述功率解调器控制单元之间通过有线通讯或无线通讯方式进行信息交互，其中，所述有线通讯包括电力线载波通讯、通信电缆通讯、光纤通讯或现场总线通讯。

一种变换器装置控制方法，所述变换器装置包括功率解调器以及多个具有升降压功能的功率调制器；各功率调制器的输入端分别连接至少一个直流电源，所有功率调制器的输出端串联后接入所述功率解调器的输入端，所述功率解调器的输出端接入电网或交流负载；

所述变换器装置控制方法包括：

控制各功率调制器均输出电压频率为2*f的馒头波，f为电网电压频率或交流负载所需电压的频率；

控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电。

可选的，所述功率解调器包括全桥电路，接在所述全桥电路输入侧的电容，以及接在所述全桥电路输出侧的滤波电路；所述全桥电路具有第一桥臂和第二桥臂；

对应的，所述控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电，具体包括：

识别电网电压或交流负载所需电压的正负；

在电网电压或交流负载所需电压为正时，控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管开通，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管关断；

在电网电压或交流负载所需电压为负时，控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管关断，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管开通。

从上述的技术方案可以看出，本发明控制各功率调制器均输出电压频率为2*f的馒头波，再利用功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压调制成电压频率为f的正弦交流电。f为工频时功率解调器调制得到工频正弦交流电，而功率解调器调制得到工频正弦交流电时内部开关管工作在工频开关状态，相比现有技术中逆变器进行PWM控制时所对应的开关频率要低得多，所以功率解调器的开关损耗更小，提高了系统整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种发电系统结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种变换器装置主电路结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种功率调制器k的控制框图；

图4为本发明实施例公开的一种Buck-Boost电路拓扑结构示意图；

图5为本发明实施例公开的又一种Buck-Boost电路拓扑结构示意图；

图6为本发明实施例公开的一种Cuk电路拓扑结构示意图；

图7为本发明实施例公开的一种Sepic电路拓扑结构示意图；

图8为本发明实施例公开的一种Zeta电路拓扑结构示意图；

图9为本发明实施例公开的一种变换器装置控制方法流程图；

图10为本发明实施例公开的一种功率解调器控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种变换器装置，如图2所示，其主电路包括功率解调器以及多个具有升降压功能的功率调制器；各功率调制器的输入端分别连接至少一个直流电源，所有功率调制器的输出端串联后接入所述功率解调器的输入端，所述功率解调器的输出端接入电网(即并网状态)或交流负载(即离网状态)。其中，所述直流电源可以是光伏组件、蓄电池或其他储能装置。

所述变换器装置的控制电路包括功率调制器控制单元和功率解调器控制单元，所述功率调制器控制单元用于控制所述功率调制器输出电压频率为2*f的馒头波(在系统设计时，可以让每个功率调制器都具有自己独立的功率调制器控制单元，也可以为多个功率调制器分组，每组具有一个独立的功率调制器控制单元)，f为电网电压频率或交流负载所需电压的频率；所述功率解调器控制单元用于控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电。电网电压和交流负载所需电压均是正弦交流电。

具体的，馒头波相当于是正弦交流电取绝对值后的波形，其频率等于该正弦交流电的频率的二倍。本发明实施例控制所有功率调制器均输出电压频率为2*f的馒头波，由于所有功率调制器的输出端是串联在一起的，所以所有功率调制器输出的电压将叠加在一起，形成幅值等于所有功率调制器输出电压幅值之和、电压频率为2*f的馒头波，这里称为所有功率调制器串联输出的总电压。

功率解调器的解调，具体是指当且仅当电网电压或交流负载所需电压过零时，切换功率解调器中开关管的状态，从而将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电。工频电压是国家规定的电力工业及用电设备的统一标准电压，为获得工频正弦交流电，各功率调制器要输出二倍工频馒头波，功率解调器要将所有功率调制器串联输出的二倍工频馒头波调制成工频正弦交流电，而功率解调器调制得到工频正弦交流电时内部开关管工作在工频开关状态，相比现有技术中逆变器进行PWM控制时所对应的开关频率要低得多，所以功率解调器的开关损耗更小，提高了系统整体效率。

可选的，所述功率解调器可采用如图2所示拓扑结构，包括：全桥电路，接在所述全桥电路输入侧的电容，以及接在所述全桥电路输出侧的滤波电路，所述全桥电路具有第一桥臂和第二桥臂。其控制策略为：当电网电压或交流负载所需电压大于0时，控制第一桥臂的上管S3和第二桥臂的下管S2开通，第二桥臂的上管S1和第一桥臂的下管S4关断；当电网电压或交流负载所需电压小于0时，控制第一桥臂的上管S3和第二桥臂的下管S2关断，第二桥臂的上管S1和第一桥臂的下管S4开通。

可选的，在上述公开的任一种变换器装置中，当所述直流电源为光伏组件时，所述功率调制器控制单元还用于控制所述功率调制器进行MPPT(Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪)控制，从而提高光伏利用率以及避免热斑效应。

图3示出了所述功率调制器控制单元控制功率调制器进行MPPT控制以及控制功率调制器输出二倍工频馒头波的工作过程，具体描述如下：

为便于描述，以下将变换器装置中的第k个功率调制器称为功率调制器k；k＝1,2,3,…,n；n为功率调制器的总个数；将功率调制器k对应的光伏组件、电压控制器、功率控制器分别称为光伏组件k、电压控制器k和功率控制器k。

根据功率调制器k的输入电压采样值v_dck和光伏组件k的输出电流采样值i_PVk，控制功率调制器k对光伏组件k进行MPPT控制，得到功率调制器k的输入电压参考值V_PVk*；

由电压控制器k(电压控制器k可以采用比例控制器、比例积分控制器或比例谐振控制器等)以V_PVk*和v_dck作为输入，计算得到功率调制器k的输出功率幅值P_k；

根据公式P_{k_REF}＝P_ksin²θ计算得到功率调制器k的输出功率参考值P_{k_REF}；其中，相位角θ是通过对电网电压进行锁相控制得到；

根据公式P_{k_FDB}＝v_ok*i_dc计算得到功率调制器输出功率反馈值P_{k_FDB}，其中，v_ok和i_dc分别是功率调制器k的输出电容电压采样值和功率解调器的输入电流采样值；

由功率控制器k(功率控制器k可以采用比例控制器、比例积分控制器或比例谐振控制器等)以P_{k_REF}和P_{k_FDB}作为输入，计算得到功率调制器的占空比d_k；

根据占空比d_k计算得到功率调制器的开关管驱动信号，此时功率调制器k输出二倍工频馒头波。

可选的，在上述公开的任一种变换器装置中，功率调制器可以采用非隔离型功率调制器，也可以采用隔离型功率调制器，但考虑到前者能够降低系统成本并且提高总体效率，因此本实施例推荐采用非隔离型功率调制器。所述非隔离型功率调制器可以是Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路或Zeta电路等，并不局限。

其中，所述Buck-Boost电路可以采用如图4所示拓扑结构，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电感L1、输入电容C1和输出电容C2，其中：C1的正极接Q1的第一端；Q1的第二端接L1的一端和Q2的第一端；L1的另一端接Q3和Q4的第一端；Q4的第二端接C2的正极；Q2的第二端接C1的负极和Q3的第二端；Q3的第二端接C2的负极。

或者，所述Buck-Boost电路也可以采用如图5所示拓扑结构，包括第五开关管Q5、第二电感L2、第一二极管D1、输入电容C1和输出电容C2，其中：C1的正极接Q5的第一端；Q5的第二端接L2的一端和D1的阴极；D1的阳极接C2的正极；L2的另一端接C2和C1的负极。

所述Cuk电路可以采用如图6所示拓扑结构，包括第三电感L3、第四电感L4、第三电容C3、第六开关管Q6、第二二极管D2、输入电容C1和输出电容C2，其中：C1的正极接L3的一端；L3的另一端接C3的一端和Q6的第一端；C3的另一端接L4的一端和D2的阳极；L4的另一端接C2的正极；C2的负极接D2的阴极、Q6的第二端和C1的负极。

所述Sepic电路可以采用如图7所示拓扑结构，包括第五电感L5、第六电感L6、第七开关管Q7、第四电容C4、第三二极管D3、输入电容C1和输出电容C2，其中：C1的正极接L5的一端；L5的另一端接C4的一端和Q7的第一端；C4的另一端接L6的一端和D3的阳极；D3的阴极接C2的正极；C2的负极接L6的另一端、Q7的第二端和C1的负极。

所述Zeta电路可以采用如图8所示拓扑结构，包括第五电容C5、第八开关管Q8、第七电感L7、第八电感L8、第四二极管D4、输入电容C1和输出电容C2，其中：C1的正极接Q8的第一端；Q8的第二端接C5的一端和L8的一端；C5的另一端接L7的一端和D4的阴极；L7的另一端接C2的正极；C2的负极接D4的阳极、L8的另一端和C1的负极。

需要说明的是，图4～图8中所述的开关管可以是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，也可以是带体二极管的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)或其他半导体器件。当开关管为MOSFET时，开关管的第一端为MOSFET的漏极，开关管的第二端为MOSFET的源极；当开关管为带体二极管的IGBT时，开关管的第一端为IGBT的集电极，开关管的第二端为带体二极管的IGBT的发射极。

可选的，在上述公开的任一种变换器装置中，所述功率调制器控制单元与所述功率解调器控制单元之间需要进行信息交互，例如，将功率调制器控制单元采集到的直流电源状态信息发送给功率解调器控制单元进行系统功率调节和监控，功率解调器控制单元将电网相关信息发送给功率调制器控制单元进行功率控制。其交互方式可以是有线通讯也可以是无线通讯；所述有线通讯例如可以是电力线载波通讯、通信电缆通讯、光纤通讯或现场总线通讯等，但并不局限；所述无线通讯例如可以是蓝牙通讯或射频通讯等，但同样不做局限。

与上述实施例相对应的，本发明还公开了一种光伏逆变器控制方法。所述光伏逆变器的主电路如图2所示，包括功率解调器以及多个具有升降压功能的功率调制器；各功率调制器的输入端分别连接至少一个直流电源，所有功率调制器的输出端串联后接入所述功率解调器的输入端，所述功率解调器的输出端接入电网或交流负载。所述光伏逆变器控制方法如图9所示，包括：

步骤S01：控制各功率调制器均输出电压频率为2*f的馒头波，f为电网电压频率或交流负载所需电压的频率；

步骤S02：控制所述功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压解调成电压频率为f的正弦交流电。

可选的，所述功率解调器包括全桥电路，接在所述全桥电路输入侧的电容，以及接在所述全桥电路输出侧的滤波电路；所述全桥电路具有第一桥臂和第二桥臂。对应的，所述步骤S02具体包括：

步骤S021：识别电网电压或交流负载所需电压的正负；在电网电压或交流负载所需电压为正时，进入步骤S022；在电网电压或交流负载所需电压为负时，进入步骤S023；

步骤S022：控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管开通，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管关断；之后返回步骤S021。

步骤S023：控制第一桥臂的上管和第二桥臂的下管关断，第二桥臂的上管和第一桥臂的下管开通；之后返回步骤S021。

可选的，所述功率调制器为非隔离型功率调制器。

综上所述，本发明控制各功率调制器均输出电压频率为2*f的馒头波，再利用功率解调器将所有功率调制器串联输出的总电压调制成电压频率为f的正弦交流电。f为工频时功率解调器调制得到工频正弦交流电，而功率解调器调制得到工频正弦交流电时内部开关管工作在工频开关状态，相比现有技术中逆变器进行PWM控制时所对应的开关频率要低得多，所以功率解调器的开关损耗更小，提高了系统整体效率。此外，各功率调制器输出电压、电流极性均为正，因此每个功率调制器出现故障时都可以利用旁路二极管进行旁路，同时电流存在零点，容易灭弧。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。