用于建筑光伏系统的单桥臂集成式三电平升压逆变器及其控制电路的制作方法

本技术属于电气，具体涉及一种用于建筑光伏系统的单桥臂集成式三电平升压逆变器及其控制电路。

背景技术：

1、在工业园区中，光储直柔系统（光伏+储能+直流配电+柔性用电）的应用正成为实现能源高效利用和可持续发展的重要解决方案。园区作为能源消耗的集中区域，对电力的稳定性、经济性和环保性有着极高的需求。光储直柔系统通过整合光伏发电、储能技术和智能能源管理，不仅能够为园区提供清洁、可再生的电力，还能有效降低用电成本，减少对传统电网的依赖，助力园区实现绿色低碳转型。

2、在光储直柔系统中，一体化光伏系统（building-integrated photovoltaics，bipv）的重要性不言而喻。作为系统的核心能源供应单元，一体化光伏系统不仅为园区内提供了清洁、可再生的电力来源，还通过创新的建筑集成方式，实现了能源生产与建筑功能的深度融合。首先，一体化光伏系统充分利用建筑表面空间，将光伏组件集成到屋顶等部位，既节省了土地资源，又提升了建筑的美观性和功能性。此外，一体化光伏系统还可与储能技术的结合，有效解决了光伏发电的间歇性问题，确保了能源供应的稳定性和可靠性。在柔性用电技术的支持下，一体化光伏系统还能够根据建筑的实际需求动态调整能源分配，实现能源的优化利用。因此，一体化光伏系统在光储直柔系统中不仅是能源生产的核心，更是实现高效、稳定、可持续能源利用的关键技术保障。

3、然而，一体化光伏系统中光伏组件产生的直流电电压通常较低，直接逆变无法满足园区内交流负载或接入电网的电压需求。因此，需要具有升压功能的逆变器将光伏组件的输出端电压提升至合适的水平，并转换为交流电，以确保电能的高效利用和稳定输出。在一体化光伏系统中，升压逆变器不仅是能量转换的核心设备，更是实现系统高效、稳定运行的关键技术保障。通过升压逆变器，光储系统能够更好地适应建筑能源需求的多样性，为绿色建筑和可持续发展目标的实现提供强有力的技术支持。

4、其中三电平升压逆变器的应用正成为提升系统性能的重要技术选择。与两电平逆变器相比，三电平升压逆变器具有更低的谐波失真以及更优的电磁兼容性，能够显著提高光伏系统的发电质量和稳定性。在建筑一体化光伏（bipv）系统中，三电平升压逆变器能够更好地适应复杂的建筑环境和多样化的能源需求，同时减少能量损耗，延长设备寿命。

5、然而，一体化光伏系统的安装空间有限，对设备的紧凑性和高效性的要求也极为严格。传统的三电平升压逆变器实现升压逆变的方法多为两级式结构，这种结构在逆变器之前额外增加了一级升压电路，这种做法不但提高了一体化光伏系统的成本和控制的复杂程度，增大了系统的体积，且削减了能量的传递效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本实用新型提供一种用于建筑光伏系统的单桥臂集成式三电平升压逆变器及其控制电路。

2、为实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下：

3、输入电容cin、输入电感lin、防反二极管d1、直流母线单元、输出滤波电感lf、输出滤波电容cf、升压桥臂和三电平逆变桥臂；

4、所述升压桥臂包括上开关管s1和下开关管s2；

5、所述三电平逆变桥臂包括上开关管s3、下开关管s6、钳位开关管s4和与所述钳位开关管s4反向串联的钳位开关管s5；

6、所述直流母线单元包括第一直流母线电容cdc1和第二直流母线电容cdc2；

7、输入电容cin的第一端与输入电感lin的第一端相连，作为输入端的正极；

8、输入电感lin的第二端与防反二极管d1的阳极相连；

9、防反二极管d1的阴极与所述升压桥臂的中点、输出滤波电容cf第一端相连，作为输出端的负极；

10、输出滤波电容cf的第二端与输出滤波电感lf的第一端相连，作为输出端的正极；

11、输出滤波电感lf的第二端与三电平逆变桥臂的中点相连；

12、所述直流母线单元的第一端与上开关管s1和上开关管s3的集电极相连，中点与钳位开关管s4的集电极相连，第二端与下开关管s2的发射极、下开关管s6的发射极、输入电容cin的第二端相连，作为输入端的负极。

13、在本实用新型的一些实例中，输入电感lin的电感值l需满足：

14、

15、式中，udc为直流母线单元的端电压平均值，upv为输入端电压平均值，po,max为所述输出端的最大功率，fs1,min为升压桥臂的最小开关频率。

16、本实用新型还给出了所述单桥臂集成式三电平升压逆变器的控制电路包括：

17、直流母线电压传感器，其与所述直流母线单元并联，用于采集所述直流母线单元的端电压udc；

18、输出端电压传感器，其与输出滤波电容cf并联，用于采集所述输出端的电压uo；

19、输出端电流传感器，其与所述单桥臂集成式三电平升压逆变器的负载串联，用于采集所述输出端的电流io；

20、主控单元，所述主控单元与所述直流母线电压传感器、所述输出端电压传感器和所述输出端电流传感器连接，用于对采集到直流母线单元的端电压udc、输出端的电压uo和输出端的电流io进行处理，得到各个开关管的驱动信号；

21、驱动电路，所述驱动电路与所述主控单元连接，用于根据主控单元输出的各个开关管的驱动信号驱动开关管。

22、主控单元包括升压桥臂开关管驱动信号生成单元；

23、所述升压桥臂开关管驱动信号生成单元包括依次连接的直流母线电压误差计算模块、直流母线电压控制器模块、限频模块和脉冲频率调制模块：

24、直流母线电压误差计算模块，用于将直流母线单元的端电压udc与基准值udc,ref作差，得到直流母线电压误差信号e1；

25、直流母线电压控制器模块，用于根据接收到的直流母线电压误差信号e1生成直流母线电压频率调制信号c1；

26、限频模块，用于根据接收到的直流母线电压频率调制信号c1进行上下限幅得到频率信号f1；

27、脉冲频率调制模块，用于根据接收到的所述频率信号f1生成所述升压桥臂所有开关管的驱动信号；

28、主控单元包括三电平逆变桥臂开关管驱动信号生成单元；

29、所述三电平逆变桥臂开关管驱动信号生成单元包括依次连接的输出电压误差计算模块、输出电压控制器模块、输出电流误差计算模块、比例积分控制器模块、输出电压限幅模块和脉冲宽度调制模块：

30、所述输出电压误差计算模块用于对电压uo与输出端电压基准值uo,ref作差，得到输出端电压误差信号e2；

31、所述输出电压控制器模块用于将根据接收到的输出端电压误差信号e2生成输出端电压控制信号c2；

32、所述输出电流误差计算模块用于将所述输出端电压控制信号c2与输出电流io的信号作差，得到输出电流误差信号e3；

33、所述比例积分控制器模块用于根据接收到的所述输出电流误差信号e3产生输出端电压控制信号c3；

34、所述输出电压限幅模块用于对所述输出端电压控制信号c3进行上下限幅，得到输出端电压调制信号urac；

35、所述脉冲宽度调制模块用于根据所接收到的所述输出端电压调制信号urac产生所述三电平逆变桥臂所有开关管的驱动信号。

36、所述脉冲频率调制模块包括依次连接的载波生成模块和升压桥臂驱动生成模块：

37、所述载波生成模块用于根据接收到频率信号f1产生对应频率的第一双极性三角载波信号uc1；

38、所述升压桥臂驱动生成模块用于将值为零的直流调制信号urdc与第一双极性三角载波信号uc1进行比较，产生占空比恒定为0.5且互补的上开关管s1和下开关管s2的驱动信号。

39、与现有技术相比，本实用新型提出的用于建筑光伏系统的单桥臂集成式三电平升压逆变器及其控制电路具有以下技术效果：

40、(1)将传统的两级式半桥三电平逆变器（boost变换器+半桥三电平逆变器）的输出端负极从直流母线单元的中点o点接入到boost变换器中两个开关管的连接点，使两个开关管形成升压桥臂，进而实现了从两级式半桥三电平逆变器到单级式升压逆变器，减少了能量流动的级数，且只需传统的输出端电压电流双闭环控制即可实现自均压。

41、(2)可以实现第一直流母线电容与第二直流母线电容同时给负载供电，减少了单个直流母线电容对负载供电的压力，可以减少第一直流母线电容cdc1与第二直流母线电容cdc2的容量。

42、(3)输入电感电流处于dcm模式，进而抑制输入电感电流的低频纹波，无需额外的低频纹波抑制策略与采集输入侧电感电流的传感器，降低了主控单元的计算负担，减少了传感器数量。