单相两级式储能变流器的研制

东莞理工学院 黄鹏峰 张 志 张润超 赖宇威 付 威

深圳市同立方科技有限公司 叶晓东

随着生产和生活需求的不断提高，市场对高品质的电能需求不断增加。当供电停止或者处于离网状态时，为了更好的使用电能，本课题设计了一种作应急电源使用的两级式储能变流器。

首先，通过分析和比较常用的斩波电路与逆变电路拓扑，筛选前级采用升压电路和后级采用全桥逆变的两级式拓扑作为储能变流器主电路拓扑。然后对前级升压电路和后级全桥逆变电路分别采用了相应的控制策略，搭建了小功率的基于DSP的实验平台，并进行了软件编写，对所提的拓扑及控制方法进行了仿真和实验验证。

图1 Boost电路

图2 逆变器主拓扑

1 前级DC/DC电路拓扑及其工作原理

图1所示的是Boost电路，当功率开关管Q1开通时，直流电源向电感L1充电，电感L1储能，电感电流基本保持恒定，同时电容C存储的电压给负载R提供电压，假设电容C的值很大，则输出电压Uo可视为恒定值。当功率开关管Q1关断时，电源和电感L1同时给电容C和负载R供电。当电路工作在稳态时，一个开关周期Ts内，电感L1储存的能量和释放的能量相等，假如电源电压为U，开通时间为ton，关断时间为toff，由此可得：

由于开关周期Ts必定大于等于关断时间toff，由上式可知输出电压Uo大于输入电压U，达到升压目的。

2 后级全桥逆变电路拓扑分析

桥式逆变电路如图2所示。本文采用双极性spwm调制，当开关管Q3Q2导通、Q1Q4关断时，UAB=Udc；当Q3Q2关断、Q1Q4导通时，UAB=-Udc；可见UAB在-Udc和Udc两个值切换。而需要的输出波形为正弦波，根据冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，这时需要加入LC滤波器引入惯性环节。

式1-2为LC滤波器传递函数，其中d为Q2Q3占空比，Q1Q4与之反相。

在输出波形的频率远小于开关频率的情况下，开关状态以远大于输出AC交流电的频率不断变化，可用开关状态的平均值取代瞬时值。据此可用UAB平均值代替其瞬时值，见式1-3。

变形可得：

由式1-2*式1-4得：

3 单相储能变流器的双闭环控制策略

本课题对前级Boost电路采用电压电流双闭环控制，对负载电压和电感电流进行采样。控制原理如图3所示，对负载电压采样后，与目标电压给定值做差后，通过pi控制器调节，构成电压外环。再将电压环的输出作为电流内环的给定参考值与采样回来的电压进行做差，经过pi控制器调节后，形成调制波，与载波比较后产生PWM对开关管Q1的开关状态进行控制，形成前级拓扑的闭环控制。

图3 Boost电路电压电流环控制

图4 逆变电路双闭环控制策略

图5 前级Boost电路输出波形

图6 后级单相逆变输出波形

后级单相逆变电路也采用电压电流双闭环控制，电压给定为一个频率50Hz的正弦波与采样回来的负载电压瞬时值做差后经过PI控制器输出，构成电压瞬时值外环。将电压外环的输出作为电流环的给定，做差后经PI控制器生成调制波，进行PWM调制后产生PWM控制Q1-Q4的开关状态，其中Q2Q3状态相同，Q1Q4与Q2Q3状态互补。

4 实验波形结果

前级boost电路的输入电压设为12v，输出电压设为24v，后级输入电压为前级输出电压24v，输出电压为峰值20v频率50Hz交流电压。通过simulink仿真，得到仿真波形如下，图5为前级Boost电路的输出电压，图6为后级全桥逆变电路输出电压波形。可以看出前级Boost电路的输出电压稳定在24V，且电压波动较小，后级全桥逆变电路输出的交流电压迅速达到稳定，且正弦波峰值幅值符合为20v的要求。

本文课题是单相两级式储能变流器的研制。通过分析提出两级式结构，并且确定前后级的拓扑。分析了前级Boost电路原理及后级后级单相全桥逆变电路的数学模型，然后确定前后级电路的控制策略为电压电流双闭环控制。最后对系统进行仿真和实验结果分析，证实了其可行性。