CN101820230B - 高频隔离型并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频隔离型并网逆变器。包含有：接纳初级电能的输入端口，通往电网的输出端口，由降压电路、全桥高频逆变电路、高频变压器、整流电路组成的全桥高频变换电路和由全桥工频逆变电路、滤波电路组成的全桥逆变并网电路，由采样处理电路、驱动电路、控制模块及显示通讯模块组成的控制回路。本发明的优点是前级采用了一种电流型的全桥高频变换电路，通过高速的数字信号处理芯片进行控制；后级采用了一种专用集成芯片通过改进与数字信号处理器结合来控制全桥逆变并网电路；两者结合使整机性能指标及系统可靠性有了大幅度的提高。在本系统中还采用了电压正反馈的控制方法来实现防孤岛保护，克服一般频率扰动带来对电网干扰的问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种电能变换装置，更具体地说涉及一种高频隔离型并网逆变器。
背景技术：
随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机，同时，大量使用化石能源对生态环境造成严重的破坏。能源、环境与发展已成为当今世界亟待解决的问题。因此全球都在积极开发利用可再生能源。在今后的20至30年里，全球的能源结构将发生根本性的变化。专家预测，在下个50年里，可再生能源在整个能源构成中会占到50％左右。
这些可再生能源中包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能、水能、地热能等，其主要能量转化获取形式就是把各种能量形式转化为电能，而对这些初级的电能经过变换并入电网通过公共电网传输电能是应用最为直接和方便一种应用形式。而并网逆变器就是把这些初级电能通过转化并入电网的一种电能变换装置。为了提高变换装置的效率、减小体积、提高系统安全等级，本发明人研制开发了一种高频隔离型的并网逆变器。
发明内容：
本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种将初级直流电能经过功率变换为交流电流并入电网的、结构简单、整体效率高的高频隔离型并网逆变器。
本发明的目的是通过以下措施来实现：一种高频隔离型并网逆变器，包含有接纳初级电能的输入端口、通往电网的输出端口，其特征在于：还有主回路、控制回路；其中：
所述主回路包括由降压电路、全桥高频逆变电路、高频变压器、整流电路组成的全桥高频变换电路和由全桥工频逆变电路、滤波电路组成的全桥逆变并网电路；所述全桥高频变换电路的降压电路由电容C1、续流二极管D1、开关管Q1电感L1、二极管D2组成，所述全桥高频逆变电路由全桥结构的四个开关管Q2、Q3、Q4、Q5及各开关管并接的二极管D3、D4、D5、D6组成，所述整流电路由组成全桥结构的四个二极管D7、D8、D9、D10及电容C2组成，降压电路输出端接全桥高频逆变电路输入端，全桥高频逆变电路输出端接高频变压器输入端，高频变压器输出端接整流电路输入端，整电流路输出端接电容C2；所述全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路由全桥结构的四个开关管Q6、Q7、Q8、Q9及各开关管并接的二极管D11、D12、D13、D14组成，滤波电路为组成全桥结构的电感L2、L3、L4、L5及电容C3组成LCL型滤波电路，全桥工频逆变电路输出端接滤波电路输入端，滤波电路输出端接电容C3；所述接纳初级电能的输入端口接全桥高频变换电路的降压电路输入端，全桥高频变换电路的整流电路输出端接全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路输入端，全桥逆变并网电路的滤波电路输出端接通往电网的输出端口；
所述控制回路由采样处理电路、驱动电路、控制模块及显示通讯模块组成，所述采样处理电路含初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频变换电路输出直流电压检测、电网侧的电流/电压检测及各个检测信号的调理电路，所述驱动电路由隔离电路和信号放大电路组成，所述控制模块由主控制模块和副控制模块组成，主控制模块和副控制模块通过输出、输入接口连接，所述显示通讯模块由显示模块数字信号处理器及其输出端连接的LCD显示器、485通讯模块组成，采样电路的初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频逆变电路输出直流电压检测信息输入控制模块的主控制模块，电网侧的电流/电压检测信息输入副控制模块及主控制模块，主控制模块把初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频逆变电路输出直流电压检测信息及电网侧的电流/电压检测信息输入显示模块数字处理器，主控制模块输出端经过驱动电路接全桥高频变换电路控制端口及显示模块数字处理器，副控制输出端经过驱动电路接全桥逆变并网电路控制端口。
所述全桥高频变换电路的开关管Q1开关频率为Q2、Q3、Q4、Q5开关频率的两倍，Q2、Q5与Q3、Q4互补导通，在Q2、Q5和Q3、Q4两个半周期中，Q1有两次动作。
所述全桥工频逆变电路中的全桥结构的四个开关Q6、Q7、Q8、Q9中，Q7、Q9处于互补的工频开关状态，Q6、Q8处于工频交替的高频开关状态，当Q7在半个周期内导通时，Q6、Q9关断，Q8处于高频开关状态，当Q9在半个周期内导通时，Q7、Q8关断，Q6处于高频开关状态。
所述主控制模块为TMSLF2407、副控制模块为UC3854或UC3855结合采用电压正反馈控制方法进行电网的防孤岛保护。
与现有技术相比，由于采用了本发明提出的高频隔离型并网逆变器，具有以下优点：本发明前级采用了一种电流型的全桥高频变换电路，通过高速的数字信号处理芯片进行控制；后级采用了一种专用集成芯片通过改进与数字信号处理器结合来控制全桥逆变并网电路；两者结合使整机性能指标及系统可靠性有了大幅度的提高。控制变得简单可靠，效率与直接的一级BUCK变换十分接近，比一般的含有电容的全桥、半桥、推挽、正激、反激等隔离电路的转换效率要高，在隔离型的并网逆变器中具有绝对优势。本发明的另一个优点是直流侧输入电压范围宽泛，不会出现由于输入侧电压变动，而高频变压器传输效率严重变化的情况，因此此种电路又比通过控制变压器原边作用占空比的移相全桥电路在全输入电压范围的整体效率更高，虽然与移相全桥电路相比多加入了一级BUCK变换。这在光伏并网逆变器中是非常重要的性能指标，称为欧洲效率。特别在光伏并网逆变器中是非常具有可比性的一项指标。本发明为一种高效率、高可靠性、低成本、宽输入电压范围的高频隔离型并网逆变器，是一项可推广的项目。
附图说明：
图1为本发明的系统原理方框图。
图2为本发明中的直流到直流高频隔离变换拓扑图。
图3为本发明中的直流到交流变换拓扑图。
图4为本发明的系统整体控制方框图。
具体实施方式：
下面结合附图对具体实施方式作详细说明：
在图1所示本发明的系统原理方框图中，一种高频隔离型并网逆变器，包含有接纳初级电能的输入端口1、通往电网的输出端口2，主回路3、控制回路4。所述主回路3包括由降压电路31、全桥高频逆变电路32、高频变压器T1、整流电路33组成的全桥高频变换电路和由全桥工频逆变电路35、滤波电路36组成的全桥逆变并网电路；所述控制回路4由采样电路41、控制模块42及显示通讯模块43组成。
主回路中的全桥高频变换电路如图2所示。具体地说图2是直流到直流高频隔离变换拓扑图。所述全桥高频变换电路的降压电路31由电容C1、续流二极管D1、开关管Q1电感L1、二极管D2组成；所述全桥高频逆变电路32由全桥结构的四个开关管Q2、Q3、Q4、Q5及各开关管并接的二极管D3、D4、D5、D6组成，所述整流电路33由组成全桥结构的四个二极管D7、D8、D9、D10及电容C2组成，降压电路输出端接全桥高频逆变电路输入端，全桥高频逆变电路输出端接高频变压器输入端，高频变压器输出端接整流电路输入端，整电流路输出端接电容C2。图中，C1为Buck储能电容，D1续流二极管，L1为BUCK电感，T1为高频变压器，D7、D8、D9、D10为整流二极管，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5开关管受到主控制模块的控制，通过对Q1的控制来稳定母线电压的大小，由于全桥高频逆变采用的电流式的能量传输方式，通过直接控制电感L1中电流的大小来稳定母线电压，提高了整个直流到直流功率变换传输的响应时间，并且克服了高频变压器中由于正负电压作用时间不同而引起的变压器直流偏磁问题。Q2、Q3、Q4、Q5构成了全桥高频逆变电路，每桥臂中点与变压器的一端相连，Q2、Q5同时动作，Q3、Q4与Q2、Q5互补动作，Q1的动作频率是Q2、Q3、Q4、Q5动作频率的两倍，分别在Q2、Q5导通和Q3、Q4导通时间阶段内有一可控制的占空比导通，因此整个电路的电能流动非常流畅，使整个含有隔离变压器的直流到直流三级变换直接简化为了一级BUCK变换，控制得到了简化，提高了系统的可靠性，而在成本和效率上与一般的工频隔离性电路相比有绝对优势。高频变压器T1副边输出侧有四个二极管D7、D8、D9、D10进行整流，把交流变为直流，进入母线电容C2进行滤波，C2起到滤波和缓冲电能的作用，为后级直流变成交流做准备。
在电流型的变换电路中，电流作为控制的对象，而电流在完全表现为感性的电路中，其控制起来会变的十分温顺，加入的任何的一个电容环节都会加大电流控制的难度，使系统变得相对不稳定，并且会增加内部电磁振荡，增强了系统的EMI，使EMC做起来变的更会困难。在图2组成的电路中，电感L1与高频变压器T1中的漏感叠加。为了减小变压器中的寄生电容，在实施例中变压器磁芯选用磁导率高矫顽力非常低的磁性材质，高的磁导率可以减小绕线的匝数，从而减小变压器的寄生电容；低的矫顽力可以使磁滞面积减小，从而减小铁损。因此在此直流变直流的拓扑电路中，变压器T1也是设计的关键所在，在本系统中设计的高频变压器不仅体积小效率高而且加工制作简单。电感L1的电感量的大小根据Q1的开关频率和额定工作电流的大小来设计，绕制电感的磁芯材质选用是高磁导率低损耗的磁粉芯。由于在全桥高频逆变之前选用了降压电路，可以使变压器原边的电压控制的比较低，从而Q2、Q3、Q4、Q5四个功率开关管可以选用耐压比较低的器件，尽最大可能的减小功率器件的开关及导通损耗来提高整机效率。
主回路中的全桥逆变并网电路如图3所示。具体地说图3是直流到交流变换拓扑图。全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路35由全桥结构的四个开关管Q6、Q7、Q8、Q9及各开关管并接的二极管D11、D12、D13、D14组成，滤波电路36为组成全桥结构的电感L2、L3、L4、L5及电容C3组成LCL型滤波电路，全桥工频逆变电路输出端接滤波电路输入端，滤波电路输出端接电容C3。Q6、Q7、Q8、Q9构成了工频全桥逆变电路，Q7、Q9处于互补的工频开关状态，Q6、Q8处于工频交替的高频开关状态，当Q7在半个周期内导通时，Q6、Q9关断，Q8处于高频开关状态，当Q9在半个周期内导通时，Q7、Q8关断，Q6处于高频开关状态，因此在半个周期内只要一个功率管处于高频开关状态，提高了逆变的效率，同时各个功率器件的开关配置都是通过硬件逻辑电路来实现，大大提高了系统运行的可靠性；L2、L3、C3、L4构成了LCL型滤波电路，主要是为了滤除开关管Q6、Q7、Q8、Q9动作引起的高频纹波电流量。
本发明为单向并网发电系统，采用的是单相全桥拓扑结构。直流变成交流并送入电网采用是瞬时电流控制方式，全桥四个开关管Q6、Q7、Q8、Q9的采用是单极性配置方式，单极性与双极性相比其优点是效率高，加在电感两端的电压的变化率小，从而可以减小电感量的数值，减小电感损耗。由于只有一个管子处于高速度的开和关状态，因此整个直流到交流变换中的开关器件引起的开关损耗仅仅是双极性调制方式的二分之一的大小。
主回路的连接方式为：所述接纳初级电能的输入端口接全桥高频变换电路的降压电路输入端，全桥高频变换电路的整流电路输出端接全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路输入端，全桥逆变并网电路的滤波电路输出端接通往电网的输出端口。本发明通过上述主回路将可再生能源经过转化输出的初级电能，主要是直流电能经过功率变换把直流电能变为交流电流并入电网。
图4为本发明的系统整体控制方框图。图中，所述控制回路4由采样电路41、控制模块42、驱动电路44及显示通讯模块43组成。所述采样电路41含初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频逆变电路输出直流电压检测、电网侧的电流/电压检测及各个检测信号的调理电路，所述驱动电路44由隔离电路和信号放大电路组成，所述控制模块42由主控制模块TMSLF2407和副控制模块UC3854组成，主控制模块TMSLF2407和副控制模块UC3854通过输出、输入接口连接，所述显示通讯模块43由显示模块数字处理器单片机MEGA16及其输出端连接的LCD显示器、485通讯模块组成；采样电路的初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频逆变电路输出直流电压检测信息输入控制模块的主控制模块，电网侧的电流/电压检测信息输入副控制模块及主控制模块，主控制模块把初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频逆变电路输出直流电压检测信息及电网侧的电流/电压检测信息输入显示模块数字处理器，主控制模块输出端经过驱动电路接全桥高频变换电路控制端口及显示模块数字处理器，副控制输出端经过驱动电路接全桥逆变并网电路控制端口。
主回路的全桥高频变换电路的Q1、Q2、Q3、Q4、Q5开关管动作都是通过数字信号芯片主控制模块TMSLF2407的控制来实现的，其采用双环控制，内环控制电感L1中的电流，外环控制母线电压即C2两端的电压。采用数字控制器进行控制可以增加系统控制的灵活性，只要对此部分进行程序修改，本高频隔离型并网逆变器不仅能够用于太阳能并网发电也能够用于风力发电并网及燃料电池等新能源发电并网系统中。主回路的全桥逆变并网电路Q6、Q7、Q8、Q9开关逆变电流的控制由副控制模块UC3854控制的，使并网电流的总谐波畸变率满足性能要求。主控制模块TMSLF2407和副控制模块UC3854通过输出、输入接口连接，一个主控制模块不仅参与前级的直流到直流的变换控制，还参与直流到交流侧防孤岛的被动和主动保护以及最大功率点跟踪MPPT的实现等功能；这里防孤岛保护采用是电网电压正反馈的一种控制策略，通过间歇的对输出功率的扰动来改变在孤岛状态下的输出电压的大小，当电压减小时输出就一直减小直到超出了电网电压的保护范围，并网逆变器自动脱网；此外主控制模块还与显示模块数字处理器单片机MEGA16连接，单片机MEGA16是显示模块中的数字处理器，通过数据线接收主控制模块TMSLF2407实时发来的数据，进行显示和外部通讯。
上面结合附图描述了本发明的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本发明的限制，本领域内熟练的技术人员在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。
Claims (4)
1.一种高频隔离型并网逆变器，包括接纳初级电能的输入端口、通往电网的输出端口，其特征在于：还有主回路、控制回路；其中：
所述主回路包括由降压电路、全桥高频逆变电路、高频变压器、整流电路组成的全桥高频变换电路和由全桥工频逆变电路、滤波电路组成的全桥逆变并网电路；所述全桥高频变换电路的降压电路由电容C1、续流二极管D1、开关管Q1、电感L1、二极管D2组成，所述全桥高频逆变电路由全桥结构的四个开关管Q2、Q3、Q4、Q5及各开关管并接的二极管D3、D4、D5、D6组成，所述整流电路由组成全桥结构的四个二极管D7、D8、D9、D10及电容C2组成，降压电路输出端接全桥高频逆变电路输入端，全桥高频逆变电路输出端接高频变压器输入端，高频变压器输出端接整流电路输入端，整流电路输出端接电容C2；所述全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路由全桥结构的四个开关管Q6、Q7、Q8、Q9及各开关管并接的二极管D11、D12、D13、D14组成，滤波电路为组成全桥结构的电感L2、L3、L4及电容C3组成LCL型滤波电路；全桥工频逆变电路输出端接滤波电路输入端，滤波电路输出端接电网；所述接纳初级电能的输入端口接全桥高频变换电路的降压电路输入端，全桥高频变换电路的整流电路输出端接全桥逆变并网电路的全桥工频逆变电路输入端，全桥逆变并网电路的滤波电路输出端接通往电网的输出端口；
所述控制回路由采样处理电路、驱动电路、控制模块及显示通讯模块组成，所述采样处理电路含初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频变换电路输出直流电压检测、电网侧的电流/电压检测及各个检测信号的调理电路，所述的驱动电路由隔离电路和信号放大电路组成，所述控制模块由主控制模块和副控制模块组成，主控制模块和副控制模块通过输出、输入接口连接，所述显示通讯模块由显示模块数字信号处理器及其输出端连接的LCD显示器、485通讯模块组成，采样电路的初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频变换电路输出直流电压检测信息输入控制模块的主控制模块，电网侧的电流/电压检测信息输入副控制模块及主控制模块，主控制模块把初级电能侧的电流/电压检测、全桥高频变换电路输出直流电压检测信息及电网侧的电流/电压检测信息输入显示模块数字处理器，主控制模块输出端经过驱动电路接全桥高频变换电路控制端口及显示模块数字处理器，副控制模块输出端经过驱动电路接全桥逆变并网电路控制端口。
2.根据权利要求1所述高频隔离型并网逆变器，其特征是所述全桥高频变换电路的开关管Q1开关频率为Q2、Q3、Q4、Q5开关频率的两倍，Q2、Q5与Q3、Q4互补导通，在Q2、Q5和Q3、Q4两个半周期中，Q1有两次动作。
3.根据权利要求1或2所述高频隔离型并网逆变器，其特征是所述全桥工频逆变电路中的全桥结构的四个开关Q6、Q7、Q8、Q9中，Q7、Q9处于互补的工频开关状态，Q6、Q8处于工频交替的高频开关状态，当Q7在半个周期内导通时，Q6、Q9关断，Q8处于高频开关状态，当Q9在半个周期内导通时，Q7、Q8关断，Q6处于高频开关状态。
4.根据权利要求1或2所述高频隔离型并网逆变器，其特征是所述主控制模块为TMSLF2407、副控制模块为UC3854或UC3855，结合采用电压正反馈控制方法进行电网的防孤岛保护。
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