CN102856926A - 基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，逆变电路采用两级结构，前级为采用集成磁件的交错反激变换电路，该电路采用磁集成技术把交错反激的分立变压器集成在一个磁芯上，后级为低频全桥逆变电路，并网电流放在前级控制，后级电路实现工频逆变与并网。本发明具有功率密度高，效率高，并网电流畸变率低，以及易于开发，成本低等特点，特别适用于微功率逆变器使用。

Description

基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器
技术领域
本发明涉及一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，特别适用于微功率光伏并网发电系统中作为逆变器用。
背景技术
可再生能源由于具有永续利用、环境污染小等特点，已成为我国节能减排基本国策的重要组成部分。在诸多可再生能源中，太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性等优势，更被视为人类理想的未来重要替代能源之一。目前光伏发电系统架构主要包括集中式（Centralized）、串式（String，包括多串式和单串式）、交流模块式（AC Module）等几种。其中集中式和串式采用多个光伏电池板串并联构成光伏阵列，然后共用一个逆变器，适用于中大功率光伏发电应用。交流模块式则是采用单个光伏电池板给逆变器供电（相应的逆变器称为微功率逆变器），相比较于集中式和串式，它有很强的抗局部阴影能力、即插即用、单机价格低等优点，为光伏发电的重要发展趋势之一。在交流模块式光伏发电系统架构中，由于光伏电池板价格昂贵以及微功率逆变器往往须贴装在太阳能电池板的背面，实现集成安装，对逆变器的功率密度、效率和高度要求很迫切，为此需要提高逆变器的高频开关频率以减小变压器、电感器、电容等无源器件，从而提高逆变器的功率密度。目前微功率逆变器开关频率高频化趋势很明显，商业化的微功率逆变器开关频率已高达上百kHz，比中大功率逆变器的20kHz典型开关频率有明显提高。如图1所示，是现有的采用交错反激电路的微功率逆变器的电路拓扑图，其开关频率达到上百kHz，其两个交错反激电路的变压器Tx1、Tx2是采用独立的磁芯。由于开关频率提高在有效提高功率密度同时也大大增大开关损耗和高频磁件等的损耗，从而降低效率。虽然软开关技术可以有效减小开关损耗，但无助于减小磁件损耗。而图1的电路拓扑中，两个变压器是独立的，这不仅体积较大，而且损耗也将比较大。此外，因为与太阳能电池板集成安装，暴晒在阳光下，不仅工作环境温度高，温度变化剧烈，而且湿度大，采用密闭封装，难以采用风冷，这对逆变器热设计带来很大挑战，特别是对于热阻比较大的磁件热设计。鉴于此，本发明提出了一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，通过应用高频功率磁集成技术，不仅可以减小微功率逆变器的体积，提高其功率密度，而且可以降低损耗，提高效率。
发明内容
本发明目的是公开一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，适用做微功率光伏并网发电系统中的逆变器，具有功率密度高，效率高，并网电流畸变率低，以及易于开发，成本低等特点。 
本发明采用以下方案实现：一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，包括采用集成磁件的交错反激变换电路，其特征在于：光伏电池板的直流电压经过所述采用集成磁件的交错反激变换电路变换为频率两倍于电网频率的正弦双半波包络线的高频脉冲电流，所述高频脉冲电流通过低频全桥逆变电路并且经过滤波器滤波后，输出能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流，使网侧功率因数PF=1。
在本发明一实施例中，所述采用集成磁件的交错反激变换电路由集成变压器、第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管、第二箝位开关管、第一箝位电容、第二箝位电容、第一二极管和第二二极管组成；所述集成变压器由第一变压器和第二变压器组成；光伏电池板直流电压连接所述第一变压器的初级线圈第一端和所述第二变压器的初级线圈第一端；所述第一变压器的初级线圈第二端连接所述第一主开关管一端和所述第一箝位开关管一端；所述第一箝位开关管另一端连接所述第一箝位电容一端；所述第一箝位电容另一端连接所述第一主开关管另一端和地；所述第二变压器的初级线圈第二端连接所述第二主开关管一端和所述第二箝位开关管一端；所述第二箝位开关管另一端连接所述第二箝位电容一端；所述第二箝位电容另一端连接所述第二主开关管另一端和地；所述第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管和第二箝位开关管的控制端连接外部控制电路；所述第一变压器次级线圈第一端连接所述第一二极管阳极；所述第二变压器次级线圈第一端连接所述第二二极管阳极；所述第一二极管阴极连接所述第二二极管阴极作为所述采用集成磁件的交错反激变换电路输出端。 
在本发明一实施例中，所述集成变压器是由所述第一变压器和所述第二变压器通过磁集成技术，共同绕制在一个磁芯上。
在本发明一实施例中，所述采用集成磁件的交错反激变换电路，利用有源箝位软开关技术，所述第一箝位开关管和所述第二箝位开关管的开关状态分别与所述第一主开关管和所述第二主开关管互补，经所述第一箝位电容和所述第二箝位电容实现零电压开通。 
在本发明一实施例中，所述低频全桥逆变电路由四个开关管组成，所述四个开关管均工作在低频状态；通过所述外部控制电路控制所述四个开关管，将所述输入的正弦双半波包络线的高频脉冲电流变换成正弦波包络线的高频脉冲交流电流，经LC滤波器滤波平滑后并到电网中。
在本发明一实施例中，所述外部控制电路是一微处理器控制电路，该电路接收所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流经电流采样电路后的信号和电网电压经电压采样电路后的信号，以及电网电压经过一同步信号电路后产生的信号，发送一控制信号到驱动电路；所述驱动电路根据该控制信号控制所述采用集成磁件的交错反激变换电路和所述低频全桥逆变电路，以利于输出所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流。
与现有的微功率逆变电路对比，本发明具有以下优点：
①、由于逆变器中的两个交错反激变换器的变压器采用磁集成技术，共用一个磁芯，使得磁芯中交直流磁通抵消，不仅可以有效减小变压器体积，磁芯损耗，并且因减少透入线圈窗口的高频交流磁通而减小了线圈高频涡流损耗，从而降低磁件温升热点，提高逆变器的效率，降低了逆变器成本。
②、由于采用简单的反激拓扑，并且逆变器的升压和并网电流均在同一级完成，功率只经过一级高频变换处理，从而减小了体积，降低了成本。
③、由于两路反激交错并联，使得输入电流和输出电流交错叠加，不仅能增大变换器的输出功率，而且可以减小输入电流和输出电流的电流纹波，减小输出滤波器。
附图说明
图1是现有的采用交错反激电路的逆变器的电路拓扑图。
图2是本发明基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器的原理框图。
图3是本发明基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器的电路拓扑图。
图4是本发明基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器对应的电路工作原理关键波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，包括采用集成磁件的交错反激变换电路，其特征在于：光伏电池板的直流电压经过所述采用集成磁件的交错反激变换电路变换为频率两倍于电网频率的正弦双半波包络线的高频脉冲电流，所述高频脉冲电流通过低频全桥逆变电路并且经过滤波器滤波后，输出能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流，使网侧功率因数PF=1。
具体的，如图2所示，本实施例提供一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，包括采用集成磁件的交错反激变换电路，其特征在于：光伏电池板的直流电压经过所述采用集成磁件的交错反激变换电路变换为频率两倍于电网频率的正弦双半波包络线的高频脉冲电流（1）；所述高频脉冲电流（1）通过低频全桥逆变电路，输出一能跟踪电网电压的正弦波交流电流（2）；所述能跟踪电网电压的正弦波交流电流（2）经过滤波器滤波后，输出一能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流（3）并到电网中。所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流（3）还经过一电流采样电路输入到一MCU控制电路（即：微处理器控制电路）中；所述MCU控制电路同时还接收由电网电压经过一电压采样电路后的信号，以及电网电压经过一同步信号电路后产生的信号；然后MCU控制电路发送一控制信号给一驱动电路；所述驱动电路根据该控制信号控制所述采用集成磁件的交错反激变换电路和所述低频全桥逆变电路，以利于输出所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流。 
如图3所示，是本发明基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器的电路拓扑图，所述采用集成磁件的交错反激变换电路由集成变压器、第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管、第二箝位开关管、第一箝位电容、第二箝位电容、第一二极管和第二二极管组成；所述集成变压器由第一变压器和第二变压器组成；光伏电池板直流电压连接所述第一变压器的初级线圈第一端和所述第二变压器的初级线圈第一端；所述第一变压器的初级线圈第二端连接所述第一主开关管一端和所述第一箝位开关管一端；所述第一箝位开关管另一端连接所述第一箝位电容一端；所述第一箝位电容另一端连接所述第一主开关管另一端和地；所述第二变压器的初级线圈第二端连接所述第二主开关管一端和所述第二箝位开关管一端；所述第二箝位开关管另一端连接所述第二箝位电容一端；所述第二箝位电容另一端连接所述第二主开关管另一端和地；所述第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管和第二箝位开关管的控制端连接外部控制电路；所述第一变压器次级线圈第一端连接所述第一二极管阳极；所述第二变压器次级线圈第一端连接所述第二二极管阳极；所述第一二极管阴极连接所述第二二极管阴极作为所述采用集成磁件的交错反激变换电路输出端。所述集成变压器是由所述第一变压器和所述第二变压器通过磁集成技术，共同绕制在一个磁芯上。所述采用集成磁件的交错反激变换电路，利用有源箝位软开关技术，所述第一箝位开关管和所述第二箝位开关管的开关状态分别与所述第一主开关管和所述第二主开关管互补，经所述第一箝位电容和所述第二箝位电容实现零电压开通。所述低频全桥逆变电路由四个开关管组成，所述四个开关管均工作在低频状态；通过所述外部控制电路控制所述四个开关管，将所述输入的正弦双半波包络线的高频脉冲电流变换成正弦波包络线的高频脉冲交流电流，经LC滤波器滤波平滑后并到电网中。所述外部控制电路是一微处理器控制电路，该电路接收所述高频脉冲电流经电流采样电路后的信号和电网电压经电压采样电路后的信号，以及电网电压的同步信号，发送一控制信号到驱动电路；所述驱动电路根据该控制信号控制所述采用集成磁件的交错反激变换电路和所述低频全桥逆变电路，以利于输出所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流。
如图4所示，是本发明基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器对应的电路工作原理关键波形图，其中PWM1、PWM2、 PWM3、PWM4分别表示开关管Q1、Q2 、Q3、Q4驱动信号，iPri1、iSec1表示集成变压器Tx的NP1、NS1线圈的电流，TD表示晶闸管T1-T4触发信号，ig1为两路交错反激输出的并联电流，ig2为低频全桥逆变电路输出的电流，io为并网电流，Tgrid表示电网周期。在一个高频开关周期Ts内，PWM1、PWM2互补，PWM3、PW4互补，PWM1、PWM3交错。为方便分析，以由Q1、Q2、CSnub1、D1、NP1、NS1构成的一路反激电路为例分析其工作原理，电路4个阶段的具体工作模式描述如下：
1、to—t1阶段
PWM1开通、PWM2关断，PWM3关断、PWM4开通，iPri1线性增大，集成的反激变压器Tx储能，与之对应的副边二极管D1承受反压关断；
2、t1—t2阶段
PWM1关断、PWM2开通，PWM3保持关断、PWM4保持开通，电容CSnub1起到箝位作用，吸收变压器漏感的能量，从而抑制Q1开关管电压尖峰，与之对应的副边二极管D1导通，反激变压器向电网释放能量，iSec1线性减小；
3、t2—t3阶段
PWM1保持关断，PWM2保持开通，PWM3开通、PWM4关断，另一路反激电路开始工作，因为两路反激变压器共用一个磁芯，磁通相互影响，iSec1下降的斜率发生变化，反激变压器继续向电网释放能量；
4、t3—t4阶段
PWM1保持关断，PWM2保持开通，PWM3关断、PWM4开通，iSec1线性减小，反激变压器继续向电网释放能量。下一时刻开始一个新的开关周期工作模式。
两路交错并联反激的另一路反激变换器驱动信号与此相差180°，同理可分析。
交错反激并联输出的叠加高频电流ig1波形为正弦双半波包络线，ig1再经过由T1-T4构成的极性反转桥，转换为正弦波包络线电流ig2，经过LC构成的滤波器滤除高次谐波后变成光滑的正弦波电流io注入电网。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，包括采用集成磁件的交错反激变换电路，其特征在于：光伏电池板的直流电压经过所述采用集成磁件的交错反激变换电路变换为频率两倍于电网频率的正弦双半波包络线的高频脉冲电流，所述高频脉冲电流通过低频全桥逆变电路并且经过滤波器滤波后，输出能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流，使网侧功率因数PF=1。
2. 根据权利要求1所述的基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，其特征在于：所述采用集成磁件的交错反激变换电路由集成变压器、第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管、第二箝位开关管、第一箝位电容、第二箝位电容、第一二极管和第二二极管组成；所述集成变压器由第一变压器和第二变压器组成；光伏电池板直流电压连接所述第一变压器的初级线圈第一端和所述第二变压器的初级线圈第一端；所述第一变压器的初级线圈第二端连接所述第一主开关管一端和所述第一箝位开关管一端；所述第一箝位开关管另一端连接所述第一箝位电容一端；所述第一箝位电容另一端连接所述第一主开关管另一端和地；所述第二变压器的初级线圈第二端连接所述第二主开关管一端和所述第二箝位开关管一端；所述第二箝位开关管另一端连接所述第二箝位电容一端；所述第二箝位电容另一端连接所述第二主开关管另一端和地；所述第一主开关管、第二主开关管、第一箝位开关管和第二箝位开关管的控制端连接外部控制电路；所述第一变压器次级线圈第一端连接所述第一二极管阳极；所述第二变压器次级线圈第一端连接所述第二二极管阳极；所述第一二极管阴极连接所述第二二极管阴极作为所述采用集成磁件的交错反激变换电路输出端。
3. 根据权利要求2所述的基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，其特征在于：所述集成变压器是由所述第一变压器和所述第二变压器通过磁集成技术，共同绕制在一个磁芯上。
4. 根据权利要求1所述的基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，其特征在于：所述采用集成磁件的交错反激变换电路，利用有源箝位软开关技术，所述第一箝位开关管和所述第二箝位开关管的开关状态分别与所述第一主开关管和所述第二主开关管互补，经所述第一箝位电容和所述第二箝位电容实现零电压开通。
5. 根据权利要求1所述的基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，其特征在于：所述低频全桥逆变电路由四个开关管组成，所述四个开关管均工作在低频状态；通过所述外部控制电路控制所述四个开关管，将所述输入的正弦双半波包络线的高频脉冲电流变换成正弦波包络线的高频脉冲交流电流，经LC滤波器滤波平滑后并到电网中。
6.根据权利要求2或5所述的基于集成磁件的交错反激微功率并网逆变器，其特征在于：所述外部控制电路是一微处理器控制电路，该电路接收所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流经电流采样电路后的信号和电网电压经电压采样电路后的信号，以及电网电压经过一同步信号电路后产生的信号，发送一控制信号到驱动电路；所述驱动电路根据该控制信号控制所述采用集成磁件的交错反激变换电路和所述低频全桥逆变电路，以利于输出所述能跟踪电网电压的平滑正弦波交流电流。
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