CN102487199B - 软开关并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软开关并网逆变器，用于将再生设备产生的直流电转换为交流电馈入电网，所述逆变器包括数字信号处理器、准谐振反激DC-DC电路和DC-AC逆变电路，准谐振反激DC-DC电路接收再生设备产生的直流电，处理后送入DC-AC逆变电路，DC-AC逆变电路处理后转换成与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网；所述数字信号处理器通过检测准谐振反激DC-DC电路的输入电压和电流信号，计算出最大功率点，并根据最大功率点输出控制信号控制准谐振反激DC-DC电路和DC-AC逆变电路工作。本发明的软开关并网逆变器以数字信号处理器为并网逆变控制核心，实现谐振软开关转换，降低热损、提高输出效率。

Description

软开关并网逆变器
技术领域
本发明涉及开关电源与逆变技术领域，尤其涉及一种软开关并网逆变器。 
背景技术
不可再生能源逐渐枯竭，如何利用可再生能源成为日益紧迫的任务，将可再生能源转换为电能使用是现有通用的做法，其中的将可再生能源(如太阳能和风能)回馈电网的技术就呈现出十分重要的现实意义。 
回馈电网的技术的关键设备即为并网逆变器，并网逆变器分为光伏发电并网逆变器、风力发电并网逆变器、动力设备并网逆变器等。并网逆变器能将太阳能电池阵列和风能发电机等产生的再生清洁电能转换成与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网。 
传统的单相并网逆变器分为两种，一种为输入与输出非隔离，优点为输出效率高，缺点为输出共模干扰较大。另一种为输入与输出实现电气隔离，优点为输出共模干扰小，在电气上实现安全隔离，缺点为输出效率较低。 
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种软开关并网逆变器，以数字信号处理器(DSP)为并网逆变控制核心，实现谐振软开关转换，降低热损、提高输出效率。 
为实现上述目的，本发明提供一种软开关并网逆变器，用于将再生设备产生的直流电转换为交流电馈入电网，所述逆变器包括数字信号处理器、准谐振反激DC-DC电路和DC-AC逆变电路，所述准谐振反激DC-DC电路接收再生设备产生的直流电，处理后送入DC-AC逆变电路，DC-AC逆变电路处理后转换成与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网；所述数字信号处理器通过检测准谐振反激DC-DC电路的输入电压和电流信号，计算出最大功率点， 并根据最大功率点输出控制信号控制准谐振反激DC-DC电路和DC-AC逆变电路工作。 
其中，所述软开关并网逆变器还包括电力载波通讯电路，所述电力载波通讯电路一端连接电网，另一端连接数字信号处理器。 
其中，所述软开关并网逆变器还包括辅助电源，所述辅助电源与数字信号处理器连接。 
其中，所述准谐振反激DC-DC电路包括滤波输入单元、高频变压器、电流互感器、充电电容、第一场效应管、第二场效应管、反馈单元和输出单元，滤波输入单元输入所述再生设备产生的直流电，所述输出单元连接DC-AC逆变电路，所述滤波输入单元与高频变压器的初级绕组的第一端连接，高频变压器的次级绕组连接输出单元，第一场效应管和第二场效应管的栅极分别与数字信号处理器连接，第一场效应管和第二场效应管的栅极接收到数字信号处理器的驱动波形为互补关系，第二场效应管的源极通过充电电容连接高频变压器的初级绕组的第二端，电流互感器的初级绕组连接反馈单元的一端，反馈单元的另一端与数字信号处理器连接，电流互感器的次级绕组第一端连接高频变压器的初级绕组的第二端，电流互感器的次级绕组第二端连接第一场效应管的源极，第一场效应管和第二场效应管的漏极接地。 
其中，所述滤波输入单元为π形LC滤波电路。 
其中，所述DC-AC逆变电路包括电流霍尔单元、第一可控硅单元、第二可控硅单元、第三场效应管单元和第四场效应管单元，所述第一可控硅单元、第二可控硅单元、第三场效应管单元和第四场效应管单元的控制端与数字信号处理器连接，电流霍尔单元用于检测电网的相位和频率，并输出检测结果到数字信号处理器，第一可控硅单元和第三场效应管单元的连接公共端与电网的零线连接，第二可控硅单元和第四场效应管单元的连接公共端与电网的火线连接。 
其中，第一可控硅单元和第三场效应管单元的连接公共端通过滤波电路与电网的零线连接，第二可控硅单元和第四场效应管单元的连接公共端通过滤波电路与电网的火线连接。 
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的软开关并网逆 变器以数字信号处理器为并网逆变控制核心，实现谐振软开关转换，降低热损、提高输出效率。进一步地，本发明为高可靠的并网逆变装置，能最大限度地利用再生设备产生的直流电，同时与并网逆变器的通讯方便，无需安装通讯线，利用电网即可通讯与监控，安装简洁方便，也降低了安装成本。 
附图说明
图1为本发明软开关并网逆变器实施例的结构方框图； 
图2为本发明准谐振反激DC-DC电路第一状态电路图； 
图3为本发明准谐振反激DC-DC电路第二状态电路图； 
图4为本发明准谐振反激DC-DC电路第三状态电路图； 
图5为本发明准谐振反激DC-DC电路第四状态电路图； 
图6为本发明准谐振反激DC-DC电路第五状态电路图； 
图7为本发明DC-AC逆变电路原理图； 
图8是本发明的驱动信号波形图。 
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。 
本发明的软开关并网逆变器主要由控制核心DSP、电力载波通讯电路、准谐振反激DC-DC电路、DC-AC逆变电路、辅助电源等组成。工作原理如下：DSP通过检测太阳能电池阵列电压、电流计算出MPPT最大功率点，再通过DC-DC与DC-AC电路将能量释放到电网上去。与此同时向电网上传逆变器的发电电压、发电电流、发电功率、发电量等信号，通过终端转换接口读取电网上的信号，再通过局域网、因特网上报给PC电脑实现远程监控。 
请参阅图1，本发明的软开关并网逆变器，用于将再生设备产生的直流电转换为交流电馈入电网，该逆变器包括数字信号处理器10、准谐振反激DC-DC电路11和DC-AC逆变电路12，准谐振反激DC-DC电路11接收再生设备(如图1中所示的光伏电池阵列13)产生的直流电，处理后送入DC-AC逆变电路12，DC-AC逆变电路12处理后转换成与电网14同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网14；数字信号处理器10通过检测准谐振反激DC-DC电路11的输 入电压和电流信号，计算出最大功率点，并根据最大功率点输出控制信号控制准谐振反激DC-DC电路10和DC-AC逆变电路11工作。其中，软开关并网逆变器还包括电力载波通讯电路15，电力载波通讯电路15一端连接电网14，另一端连接数字信号处理器10。其中，软开关并网逆变器还包括辅助电源16，辅助电源16与数字信号处理器10连接。 
请参见图2-图6，准谐振反激DC-DC电路11包括滤波输入单元111、高频变压器T1、电流互感器T2、充电电容C3、第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、反馈单元112和输出单元113，滤波输入单元111输入所述再生设备产生的直流电，输出单元113连接DC-AC逆变电路12，滤波输入单元111与高频变压器T1的初级绕组的第一端连接，高频变压器T1的次级绕组连接输出单元113，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的栅极分别与数字信号处理器10连接，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的栅极接收到数字信号处理器10的驱动波形为互补关系，第二场效应管Q2的源极通过充电电容C3连接高频变压器T1的初级绕组的第二端，电流互感器T2的初级绕组连接反馈单元112的一端，反馈单元112的另一端与数字信号处理器10连接，电流互感器T2的次级绕组第一端连接高频变压器T1的初级绕组的第二端，电流互感器T2的次级绕组第二端连接第一场效应管Q1的源极，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的漏极接地。其中，滤波输入单元111为π形LC滤波电路，包括滤波电容C1和滤波电容C2。反馈单元112包括电阻R2和电阻R3，以及二极管D2，二极管D2连接在电流互感器T2的初级绕组之间，一端接地，另一端还连接二极管D2的正极，二极管的负极与电阻R3的一端连接后与数字信号处理器10连接，电阻R3的另一端接地。输出单元113包括二极管D1和电容C4，高频变压器T1的次级绕组一端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与电容C4的一端连接后连接到DC-AC逆变电路12，高频变压器T1的次级绕组的另一端与电容C4的另一端连接后接地。 
本发明的DC-DC电路主要实现准谐振DC-DC能量转换和输出电流环的跟踪。准谐振DC-DC能量转换具体工作过程如下：DSP上电，经过初始化与自检后，输出驱动波形经放大后分别驱动Q1与Q2，Q1与Q2驱动波形为互补关系。下面将准谐振DC-DC能量转换具体工作过程分为五个阶段，分别用p1、p2、 p3、p4、p5表示，参见图8驱动信号波形图，图中例举了四个驱动信号的波形，分别为准谐振反激DC-DC电路的输出电压HV，以及第一场效应管Q1和第二场效应管Q2的。p1为准谐振DC-DC能量转换的第一阶段，电流流向参见图2。DSP驱动Q1导通、Q2截止，输入电流经过高频变压器T1的初级线圈再到电流传感器T2，经Q1流入地(输入的负极)，此时高频变压器T1的初级存储能量。接着进入第二阶段p2，电流流向参见图3。此时DSP驱动Q2导通、Q1截止，高频变压器T1的初级线圈向T1的次级线圈输出能量，T1次级线圈的电能经D1整流，C4滤波后送入DC-AC电路，此时高频变压器T1次级线圈的电能传输完毕。与此同时由于高频变压器T1漏感的存在使T1的初级线圈产生自感电势的尖峰电压，经C3滤波由Q2流入地。滤波后C3的电压为上正下负，C3上存储的电压大约为输入电压的2倍。此时第二阶段结束进入第三阶段P3，电流流向参见图4。经过第二阶段后C3上的电压高达输入电压的2倍左右，此时C3正极的电流通过高频变压器T1的初级线圈，流经C1、C2入地，再通过地线流经Q2的S极与D极回到C3的负极形成放电回路。在C3放电的同时高频变压器T1的初级线圈存储C3的放电能量，当C3的电压降至与输入电压持平时C3停止放电，第三阶段结束，进入第四阶段p4，电流流向参见图5。C3停止放电后高频变压器T1的初级线圈开始释放能量给C3反向充电，具体如下：高频变压器T1的初级线圈的电能流经C1、C2入地，再通过地线流经Q2的S极与D极给C3反向充电，充电电压为下正上负正好与当前C3存储的电压极性相反。此时C3的电压由上正下负降为0V，再由0V变为下正上负。当C3的下正上负电压高于0.7V时，第四阶段结束，进入最后一个阶段第五阶段p5，电流流向参见图6。因Q1的体内二极管压降最大为0.6V左右，当C3的下正上负电压高于0.7V时，C3的充电回路将被旁路，高频变压器T1的初级线圈的能量经Q1体内二极管流经电流传感器T2形成回路。此时Q1的DS极的电压近似0V，因Q1体内二极管钳位的作用，使得Q1的DS极的电压被钳位在负0.7V左右近似0V。由于此时的电流传感器T2有电注流过使得电流传感器输出端产生感应电动势电压，经D2整流后在R3上产生一高电平脉冲信号经比较器后送往DSP，当DSP检测到比较器送来的信号后，将复位PWM的周期计数器，让PWM重新导通以实现准谐振电路的零电压开通，以至开通损耗 降至最低。此时第五阶段结束，又进入第一阶段，如此周而复始的工作。 
以上介绍的是DC-DC电路谐振软开关能量转换的过程，下面介绍的是DC-DC电路输出电流环的跟踪过程。DC-DC电路输出电流环跟踪主要是为了实现输出电流相位与输出电压相位一致，输出电流瞬时值Ioutsin(ωt)跟随输出电压正弦变化，最终实现输出PF近似1，输出电流THD＜5％。根据反激开关电源输出电压与输入电压的关系式Vo＝Vin*D/(1-D)，预算出占空比D`＝Vo/(Vo+Vin)，其中Vo为电网电压，Vin为输入电压。在预算占空比的基础上加上输入电压前馈与PI电流积分就得出电流环跟踪的控制算法。 
D＝PI(Irefsin(ωt)-Ioutsin(ωt))/Vin+Vo/(Vo+Vin)，其中Irefsin(ωt)为正弦参考电流，Ioutsin(ωt)为正弦输出电流瞬时值，PI(Irefsin(ωt)-Ioutsin(ωt))/Vin为电流积分加输入电压前馈其主要作用为补偿电流误差，加快控制环响应速度并且使电流控制环稳定。预算占空比Vo/(Vo+Vin)的主要作用是减小PI电流积分误差稳定控制环。DSP执行电流环跟踪的控制算法如下：电流控制环的带宽为50KHZ，DSP每隔20us采集输入电压、输出电压、输出电流，并通过查表得出参考电流后执行上述算法去控制MOS管Q1的PWM占空比，以控制准谐振DC-DC电路的输出电流最终由DC-AC电路馈入电网。参见图6并网逆变器准谐振反激DC-DC电路原理图与图7逆变全桥AC-DC电路原理图。 
请参阅图7，本发明的DC-AC逆变电路12包括电流霍尔单元121、第一可控硅单元122、第二可控硅单元123、第三场效应管单元124和第四场效应管单元125，第一可控硅单元122、第二可控硅单元123、第三场效应管单元124和第四场效应管单元125的控制端与数字信号处理器10连接，电流霍尔单元121用于检测电网14的相位和频率，并输出检测结果到数字信号处理器10，第一可控硅单元122和第三场效应管单元124的连接公共端与电网14的零线N连接，第二可控硅单元123和第四场效应管单元125的连接公共端与电网14的火线L连接。其中，第一可控硅单元122和第三场效应管单元124的连接公共端通过滤波电路与电网14的零线N连接，第二可控硅单元123和第四场效应管单元125的连接公共端通过滤波电路与电网14的火线L连接。 
请继续参阅图7，DC-AC逆变电路12的工作原理为：数字信号处理器10 检测到电网14的相位与电网14的频率后，由数字信号处理器10输出一占空比为50％的方波，相位、频率与电网电压一致，经驱动隔离放大后控制SCR1、SCR2、Q9、Q10将准谐振反激DC-DC电路的输出电压HV转换成与电网同频率、同相位的交流电馈入电网。 
申请人需要强调的是关于本发明的软开关并网逆变器的孤岛保护的实现：孤岛保护控制算法Fo＝(F2-F1)*A+F2，Fo为输出频率控制量，F2为电网当前频率，F1为电网上一周期的频率，A为0～1的常数。调节常数A的大小可以调节输出频率正反馈的大小，从而提高孤岛保护的速度，但也不能太大，太大会使并网逆变器输出频率不稳定。孤岛保护具体实现如下：当电网停电后，由于DSP执行以上孤岛保护控制算法会引入一个频率正反馈，这个频率正反馈会使并网逆变器输出频率不稳定，以至触发输出频率过欠频率保护。这个频率正反馈在电网正常的情况下是不起作用的，因为这个小小的频率正反馈对于一个庞大的电网来说是微不足道的。 
在本发明的具体实施例中，通过电力载波通讯电路15的设置，可以使得本发明的逆变器与外界通讯无需外接RS485或RS232通讯线，利用电网即可通讯。通过电力载波通讯电路15，还可以向电网上传逆变器的发电电压、发电电流、发电功率、发电量等信号，数字信号处理器10通过终端转换接口读取电网上的信号，再通过局域网、因特网等网络通道上报给PC电脑实现对并网逆变器的远程监控。 
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种软开关并网逆变器，其特征在于，用于将再生设备产生的直流电转换为交流电馈入电网，所述逆变器包括数字信号处理器、准谐振反激DC—DC电路和DC—AC逆变电路，所述准谐振反激DC—DC电路接收再生设备产生的直流电，处理后送入DC-AC逆变电路，DC—AC逆变电路处理后转换成与电网同频率、同相位的正弦波交流电馈入电网；所述数字信号处理器通过检测准谐振反激DC-DC电路的输入电压和电流信号，计算出最大功率点，并根据最大功率点输出控制信号控制准谐振反激DC—DC电路和DC-AC逆变电路工作；所述软开关并网逆变器还包括辅助电源，所述辅助电源与数字信号处理器连接；所述准谐振反激DC-DC电路包括滤波输入单元、高频变压器、电流互感器、充电电容、第一场效应管、第二场效应管、反馈单元和输出单元，滤波输入单元输入所述再生设备产生的直流电，所述输出单元连接DC-AC逆变电路，所述滤波输入单元与高频变压器的初级绕组的第一端连接，高频变压器的次级绕组连接输出单元，第一场效应管和第二场效应管的栅极分别与数字信号处理器连接，第一场效应管和第二场效应管的栅极接收到数字信号处理器的驱动波形为互补关系，第二场效应管的源极通过充电电容连接高频变压器的初级绕组的第二端，电流互感器的初级绕组连接反馈单元的一端，反馈单元的另一端与数字信号处理器连接，电流互感器的次级绕组第一端连接高频变压器的初级绕组的第二端，电流互感器的次级绕组第二端连接第一场效应管的源极，第一场效应管和第二场效应管的漏极接地。
2.根据权利要求1所述的软开关并网逆变器，其特征在于，所述软开关并网逆变器还包括电力载波通讯电路，所述电力载波通讯电路一端连接电网，另一端连接数字信号处理器。
3.根据权利要求1所述的软开关并网逆变器，其特征在于，所述滤波输入单元为π形LC滤波电路。
4.根据权利要求1所述的软开关并网逆变器，其特征在于，所述DC-AC逆变电路包括电流霍尔单元、第一可控硅单元、第二可控硅单元、第三场效应管单元和第四场效应管单元，所述第一可控硅单元、第二可控硅单元、第三场效应管单元和第四场效应管单元的控制端与数字信号处理器连接，电流霍尔单元用于检测电网的相位和频率，并输出检测结果到数字信号处理器，第一可控硅单元和第三场效应管单元的连接公共端与电网的零线连接，第二可控硅单元和第四场效应管单元的连接公共端与电网的火线连接。
5.根据权利要求4所述的软开关并网逆变器，其特征在于，第一可控硅单元和第三场效应管单元的连接公共端通过滤波电路与电网的零线连接，第二可控硅单元和第四场效应管单元的连接公共端通过滤波电路与电网的火线连接。
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