CN102231609A - 太阳能光伏并网交错并联反激逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，包括：交错并联反激电路；直流检测模块；交流检测模块；基准电流获取模块，获取各时间点的基准电流；准谐振控制电路，采样开关管的漏源电压，比较其是否等于准谐振阈值；原边电流采样模块；驱动电路，产生驱动信号，其包括：比较器，比较原边电流是否等于基准电流；触发器，当原边电流等于基准电流时，驱动开关管关断，当漏源电压等于准谐振阈值时，驱动开关管开启。本发明还提供另一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器。本发明用基准电流控制逆变器进行能量转换，在电路两级拓扑中，改进基准电流的计算方法，确保并网电流为与电网同频同相的正弦波形，降低并网电流的THD，改善输出电能质量。

Description

太阳能光伏并网交错并联反激逆变器

技术领域

本发明涉及太阳能光伏并网逆变器技术领域，具体来说，本发明涉及一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器。

背景技术

并网逆变器的输出电流通常与电网电流的正弦波形状有失配，通常使用参数总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)来定义失配的大小。总谐波失真THD定义方式为输入单一频率的余弦信号，输出的各次谐波总有效值和基波功率有效值之比的平方根。为了保证电网的稳定，以及逆变器的电流有效的进入电网，THD通常要求小于5％。

在现有技术中，通常反激逆变器的控制采用基准电流方式，以原边电流的峰值包络线为基准电流I_ref。当使用反激逆变器电路时，当反激工作在边界导电模式(Boundary Conducting Mode，BCM)时，由于反激工作频率不固定，原边电流的峰值包络线(即I_ref)与原边电流的有效值呈非线性关系，由此推出I_ref和输出电流的有效值为非线性关系。

图1为现有技术中的一个太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单电路示意图。该太阳能光伏并网交错并联反激逆变器100分别与左侧的太阳能电池板101和右侧的电网102相连接。图中反激逆变器部分100由解耦电容Cin、交错并联反激电路103和工频并网逆变电路104组成。其中，交错并联反激电路103有两路相同的反激电路并联组成，每路主要由原边开关管S_M1和S_M1、变压器T1和T2以及反激二极管D1和D2组成。反激电流的输出由开关管S_AC1～S_AC4的控制来决定。如图所示，交错并联反激电路103包括了开关管S_M1/S_M2、变压器T1/T2和反激二极管D1/D2。工频并网逆变包括由四个开关管S_AC1～S_AC4组成的全桥和滤波电路L_f、C_f。

为了保证输出电流为与电网电压同频同相的正弦波形，需要做到两点：

(1)对I_ref和输出电流的有效值的函数关系进行精确建模；

(2)设计有效的硬件控制电路，实现控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，改进基准电流I_ref的计算方法，确保并网电流为与电网电压同频同相的正弦波形，从而大幅度降低并网电流的总谐波失真，改善输出电能质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，包括：

交错并联反激电路，包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与太阳能电池板相连接，所述副边绕组与电网相连接，用于对所述太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；

直流检测模块，与所述太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；

交流检测模块，与所述交错并联反激电路的副边绕组相连接，用于检测并网的交流电信号；

基准电流获取模块，分别与所述直流检测模块和所述交流检测模块相连接，用于根据所述直流电信号和所述交流电信号获取各时间点的基准电流；

准谐振控制电路，与所述交错并联反激电路的原边绕组的开关管相连接，用于采样所述开关管的漏源电压，并比较所述漏源电压是否等于准谐振阈值；

原边电流采样模块，与所述原边绕组相连接，用于采样所述原边绕组的电流；

驱动电路，用于向所述原边绕组的开关管产生开启或者关闭的驱动信号；

其中，所述驱动电路包括：

比较器，分别与所述基准电流获取模块和所述原边电流采样模块相连接，用于比较所述原边电流是否等于所述基准电流；

触发器，分别与所述比较器、所述准谐振控制电路和所述原边绕组的开关管相连接，用于当所述原边电流增加到等于所述基准电流时，驱动所述开关管关断，而当所述开关管的漏源电压下降到等于所述准谐振阈值时，驱动所述开关管开启。

可选地，所述基准电流获取模块依照如下公式获取所述基准电流：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为所述原边绕组的电感值，L₂为所述副边绕组的电感值，t为一个周期中的时间。

可选地，当所述开关管的漏源电压高于所述准谐振阈值时，所述准谐振控制电路输出为0；当所述开关管的漏源电压下降到等于所述准谐振阈值时，所述准谐振控制电路输出为1。

可选地，所述驱动电路还包括：

二极管，分别与所述触发器和所述原边绕组的开关管相连接，用于确保所述驱动信号为正向流向。

本发明还提供一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，包括：

交错并联反激电路，包括多个原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与太阳能电池板相连接，所述副边绕组中的一个与电网相连接，所述交错并联反激电路用于对所述太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；

直流检测模块，与所述太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；

交流检测模块，与所述交错并联反激电路中的连接至所述电网的副边绕组相连接，用于检测并网的交流电信号；

基准电流获取模块，分别与所述直流检测模块和所述交流检测模块相连接，用于根据所述直流电信号和所述交流电信号获取各时间点的基准电流；

准谐振控制电路，与所述交错并联反激电路的另一个副边绕组相连接，用于采样所述副边绕组的电流产生的电压，并比较所述副边电流的采样电压是否等于零；

原边电流采样模块，与所述原边绕组相连接，用于采样所述原边绕组的电流；

驱动电路，用于向所述原边绕组的开关管产生开启或者关闭的驱动信号；

其中，所述驱动电路包括：

比较器，分别与所述基准电流获取模块和所述原边电流采样模块相连接，用于比较所述原边电流是否等于所述基准电流；

触发器，分别与所述比较器、所述准谐振控制电路和所述原边绕组的开关管相连接，用于当所述原边电流增加到等于所述基准电流时，驱动所述开关管关断，而当所述副边电流的采样电压下降到等于零时，驱动所述开关管开启。

可选地，所述基准电流获取模块依照如下公式获取所述基准电流：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为所述原边绕组的电感值，L₂为所述副边绕组的电感值，t为一个周期中的时间。

可选地，所述准谐振控制电路为电压比较器。

可选地，当所述副边电流的采样电压下降到等于0时，所述准谐振控制电路输出为0；否则所述准谐振控制电路输出为1。

可选地，所述驱动电路还包括：

二极管，分别与所述触发器和所述原边绕组的开关管相连接，用于确保所述驱动信号为正向流向。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明使用基准电流控制反激逆变器进行能量转换，在交错并联反激电路和工频并网逆变电路的两级拓扑中，通过改进基准电流的计算方法，结合硬件控制电路，确保并网电流为与电网电压同频同相的正弦波形，从而大幅度降低并网电流的总谐波失真，改善输出电能质量。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中的一个太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单电路示意图；

图2为本发明一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的原边电流、副边电流和原边开关管控制信号的波形示意图；

图3为本发明一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单示意图；

图4为本发明另一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图2为本发明一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的原边电流、副边电流和原边开关管控制信号的波形示意图。当开关管开通时，原边电流从零开始线性增加，当原边电流值到达基准电流值I_ref时，原边开关管关闭，原边电流降为零，副边电流逐渐线性下降，当副边电流到达零时，原边开关管开通。在同一工频周期里，由于输入功率的不同，反激工作频率也不同。由于反激工作频率不固定，原边电流的峰值包络线(即I_ref)与原边电流的有效值呈非线性关系。由此推出基准电流I_ref和输出电流I_o的有效值为非线性关系。

为了保证输出电流I_o为与电网电压同频同相的正弦波形，需要做到两点：(1)设计有效的硬件控制电路，实现控制方法；(2)对基准电流I_ref和输出电流的有效值的函数关系进行精确建模。

下面结合附图对本发明的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，特别是太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的控制电路作详细的描述。

第一实施例

图3为本发明一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单示意图。如图所示，该太阳能光伏并网交错并联反激逆变器300可以包括：交错并联反激电路301、直流检测模块302、交流检测模块303、基准电流获取模块304、准谐振控制电路305、原边电流采样模块306以及驱动电路307，其中驱动电路307又可以包括：比较器308、触发器309。

在本实施例中，交错并联反激电路301可以包括原边绕组3011和副边绕组3012，原边绕组3011与太阳能电池板(未图示，仅以直流源DC表示)相连接，副边绕组3012与电网311相连接，用于对太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；直流检测模块302可以与太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；交流检测模块303可以与交错并联反激电路301的副边绕组3012相连接，用于检测并网的交流电信号；基准电流获取模块304可以分别与直流检测模块302和交流检测模块303相连接，用于根据直流电信号和交流电信号获取各时间点的基准电流；准谐振控制电路305可以与交错并联反激电路301的原边绕组3011的开关管S_M相连接，用于采样开关管S_M的漏源电压，并比较漏源电压是否等于准谐振阈值，当开关管S_M的漏源电压高于准谐振阈值时，准谐振控制电路305输出为0；当开关管S_M的漏源电压下降到等于准谐振阈值时，准谐振控制电路305输出为1；原边电流采样模块306可以与原边绕组3011相连接，用于采样原边绕组3011的电流；以及驱动电路307，用于向原边绕组3011的开关管S_M产生开启或者关闭的驱动信号。

另外，驱动电路307中的比较器308可以分别与基准电流获取模块304和原边电流采样模块306相连接，用于比较原边电流是否等于基准电流；而触发器309可以分别与比较器308、准谐振控制电路305和原边绕组3011的开关管S_M相连接，用于当原边电流增加到等于基准电流时，驱动开关管S_M关断，而当开关管S_M的漏源电压下降到等于准谐振阈值时，驱动开关管S_M开启。

在本实施例中，基准电流获取模块304可以依照如下公式获取基准电流I_ref：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为原边绕组3011的电感值，L₂为副边绕组3012的电感值，t为一个周期中的时间。

上述各个参数中，通过直流检测模块302获得以下信号：输入电压检测电路提供的直流输入电压V_dc。通过交流检测模块303获得以下信号：输出电压检测电路提供的交流输出电压的峰值V_p，输出电压检测电路提供的交流输出电压的相位ω，输出电流检测电路提供的交流输出电流的峰值I_A。根据上述公式，可以方便地计算出各时间点的基准电流值I_ref。

另外，本实施例的驱动电路307可以还包括二极管310，其分别与触发器309和原边绕组3011的开关管S_M相连接，用于确保驱动信号为正向流向，避免逆向流向的信号可能对驱动电路307造成的损害。

第二实施例

图4为本发明另一个实施例的太阳能光伏并网交错并联反激逆变器的简单示意图。如图所示，该太阳能光伏并网交错并联反激逆变器400可以包括：交错并联反激电路401、直流检测模块402、交流检测模块403、基准电流获取模块404、准谐振控制电路405、原边电流采样模块406以及驱动电路407，其中驱动电路407又可以包括：比较器408、触发器409。

在本实施例中，交错并联反激电路401可以包括多个原边绕组4011和副边绕组4012、Ls2，原边绕组4011与太阳能电池板(未图示，仅以直流源DC表示)相连接，副边绕组中的一个4012与电网411相连接，交错并联反激电路401用于对太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；直流检测模块402可以与太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；交流检测模块403可以与交错并联反激电路401中的连接至电网411的副边绕组4012相连接，用于检测并网的交流电信号；基准电流获取模块404可以分别与直流检测模块402和交流检测模块403相连接，用于根据直流电信号和交流电信号获取各时间点的基准电流；准谐振控制电路405可以与交错并联反激电路401的另一个副边绕组Ls2相连接，其具体可以为一个电压比较器，输入正端为副边电流的采样电压，输入负端为0，用于采样副边绕组4012、Ls2的电流产生的电压，并比较副边电流的采样电压是否等于零；当副边电流的采样电压下降到等于0时，准谐振控制电路405输出为0；否则准谐振控制电路405输出为1；原边电流采样模块406可以与原边绕组4012相连接，用于采样原边绕组4012的电流；以及驱动电路407可以用于向原边绕组4012的开关管S_M产生开启或者关闭的驱动信号。

其中，驱动电路407中的比较器408可以分别与基准电流获取模块404和原边电流采样模块406相连接，用于比较原边电流是否等于基准电流，当原边电流小于基准电流时，该比较器408输出为0，当原边电流达到基准电流时，该比较器408输出为1；而触发器409可以分别与比较器408、准谐振控制电路405和原边绕组4011的开关管S_M相连接，用于当原边电流增加到等于基准电流时，驱动开关管S_M关断，而当副边电流的采样电压下降到等于零时，驱动开关管S_M开启。

在本实施例中，基准电流获取模块404可以依照如下公式获取基准电流I_ref：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为原边绕组的电感值，L₂为副边绕组的电感值，t为一个周期中的时间。

上述各个参数中，通过直流检测模块402获得以下信号：输入电压检测电路提供的直流输入电压V_dc。通过交流检测模块403获得以下信号：输出电压检测电路提供的交流输出电压的峰值V_p，输出电压检测电路提供的交流输出电压的相位ω，输出电流检测电路提供的交流输出电流的峰值I_A。根据上述公式，可以方便地计算出各时间点的基准电流值I_ref。

另外，本实施例的驱动电路407可以还包括二极管410，其分别与触发器409和原边绕组4011的开关管S_M相连接，用于确保驱动信号为正向流向，避免逆向流向的信号可能对驱动电路407造成的损害。

本发明使用基准电流控制反激逆变器进行能量转换，在交错并联反激电路和工频并网逆变电路的两级拓扑中，通过改进基准电流的计算方法，结合硬件控制电路，确保并网电流为与电网电压同频同相的正弦波形，从而大幅度降低并网电流的总谐波失真，改善输出电能质量。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，包括：

交错并联反激电路，包括原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与太阳能电池板相连接，所述副边绕组与电网相连接，用于对所述太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；

直流检测模块，与所述太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；

交流检测模块，与所述交错并联反激电路的副边绕组相连接，用于检测并网的交流电信号；

基准电流获取模块，分别与所述直流检测模块和所述交流检测模块相连接，用于根据所述直流电信号和所述交流电信号获取各时间点的基准电流；

准谐振控制电路，与所述交错并联反激电路的原边绕组的开关管相连接，用于采样所述开关管的漏源电压，并比较所述漏源电压是否等于准谐振阈值；

原边电流采样模块，与所述原边绕组相连接，用于采样所述原边绕组的电流；

驱动电路，用于向所述原边绕组的开关管产生开启或者关闭的驱动信号；

其中，所述驱动电路包括：

比较器，分别与所述基准电流获取模块和所述原边电流采样模块相连接，用于比较所述原边电流是否等于所述基准电流；

触发器，分别与所述比较器、所述准谐振控制电路和所述原边绕组的开关管相连接，用于当所述原边电流增加到等于所述基准电流时，驱动所述开关管关断，而当所述开关管的漏源电压下降到等于所述准谐振阈值时，驱动所述开关管开启。

2.根据权利要求1所述的反激逆变器，其特征在于，所述基准电流获取模块依照如下公式获取所述基准电流：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为所述原边绕组的电感值，L₂为所述副边绕组的电感值，t为一个周期中的时间。

3.根据权利要求1或2所述的反激逆变器，其特征在于，当所述开关管的漏源电压高于所述准谐振阈值时，所述准谐振控制电路输出为0；当所述开关管的漏源电压下降到等于所述准谐振阈值时，所述准谐振控制电路输出为1。

4.根据权利要求3所述的反激逆变器，其特征在于，所述驱动电路还包括：

二极管，分别与所述触发器和所述原边绕组的开关管相连接，用于确保所述驱动信号为正向流向。

5.一种太阳能光伏并网交错并联反激逆变器，包括：

交错并联反激电路，包括多个原边绕组和副边绕组，所述原边绕组与太阳能电池板相连接，所述副边绕组中的一个与电网相连接，所述交错并联反激电路用于对所述太阳能电池板产生的直流电作并联反激后并网输出；

直流检测模块，与所述太阳能电池板相连接，用于检测其产生的直流电信号；

交流检测模块，与所述交错并联反激电路中的连接至所述电网的副边绕组相连接，用于检测并网的交流电信号；

基准电流获取模块，分别与所述直流检测模块和所述交流检测模块相连接，用于根据所述直流电信号和所述交流电信号获取各时间点的基准电流；

准谐振控制电路，与所述交错并联反激电路的另一个副边绕组相连接，用于采样所述副边绕组的电流产生的电压，并比较所述副边电流的采样电压是否等于零；

原边电流采样模块，与所述原边绕组相连接，用于采样所述原边绕组的电流；

驱动电路，用于向所述原边绕组的开关管产生开启或者关闭的驱动信号；

其中，所述驱动电路包括：

比较器，分别与所述基准电流获取模块和所述原边电流采样模块相连接，用于比较所述原边电流是否等于所述基准电流；

触发器，分别与所述比较器、所述准谐振控制电路和所述原边绕组的开关管相连接，用于当所述原边电流增加到等于所述基准电流时，驱动所述开关管关断，而当所述副边电流的采样电压下降到等于零时，驱动所述开关管开启。

6.根据权利要求5所述的反激逆变器，其特征在于，所述基准电流获取模块依照如下公式获取所述基准电流：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{2}{V_{\mathrm{dc}}}\·[V_p\·\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+V_{\mathrm{dc}}\·\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}]\·I_A\·\sin \left(\mathrm{\ωA}\right)$

其中，I_ref为各时间点的基准电流，V_dc为直流输入电压，V_p为交流输出电压的峰值，I_A为交流输出电流的峰值，ω为交流输出电压的相位，L₁为所述原边绕组的电感值，L₂为所述副边绕组的电感值，t为一个周期中的时间。

7.根据权利要求5或6所述的反激逆变器，其特征在于，所述准谐振控制电路为电压比较器。

8.根据权利要求7所述的反激逆变器，其特征在于，当所述副边电流的采样电压下降到等于0时，所述准谐振控制电路输出为0；否则所述准谐振控制电路输出为1。

9.根据权利要求7所述的反激逆变器，其特征在于，所述驱动电路还包括：

二极管，分别与所述触发器和所述原边绕组的开关管相连接，用于确保所述驱动信号为正向流向。

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