CN102916444A - Z源型两开关并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Z源型两开关并网逆变器，属于电能变换领域，用于光伏发电等可再生能源的并网发电。由直流侧的输入侧二极管，阻抗网络，单相桥臂，输出侧的滤波器，主控制器，交流电压检测电路，偏置电路，直流电压检测电路以及隔离驱动电路等组成。其中阻抗网络中的一个直流电容用两个串联的电容替代，两个串联的电容的连接点作为交流侧的一个输出端，进而省去了一个桥臂，只需一个桥臂的两个开关器件，利用逆变器的直通状态，同时实现直流电压的恒定控制和交流侧并网电流的正弦波形控制，本发明具有结构紧凑、成本低以及效率高、可靠性高等优点。

Description

Z源型两开关并网逆变器

技术领域

本发明涉及一种Z源型两开关并网逆变器，属于电能变换领域，用于光伏发电等可再生能源的并网发电。

背景技术

目前，能源的短缺以及环境污染问题日益严重，以风力发电、光伏发电为代表的可再生能源发电技术因其不消耗地球化石能源、对环境零排放等优点，成为最有竞争力的解决能源和环境问题的途径，获得了广泛关注，成为了当前的研究热点。

由于可再生发电源输出的电能形式对环境变化更加敏感，波动较大，为此需要结合相应的电能变换技术来获得满足并网运行条件的直流电压水平。在目前的解决方案中，对于光伏发电系统，其输出为直流形式，一种方案是采用直流-直流-交流的两级式结构实现平稳的交流电能输出。这种结构中直流侧增加的开关变换器造成系统损耗增加，效率和可靠性均有所下降。

另一种方案是采用Z源型逆变器，在直流发电源和传统逆变器中间串接由两个电感和电容组成的交叉阻抗网络，利用逆变器的直通状态对电感进行储能，在非直通状态释放，进而间接实现直流电压的升压控制。在现有方案中，对于单相系统，采用两个桥臂，即四个功率器件，造成损耗较大，成本较高，有待进一步进行性能优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Z源型两开关并网逆变器，用于光伏发电等可再生能源的并网发电，解决现有可再生能源并网发电系统中的并网逆变器的效率低、结构复杂等问题。

一种Z源型两开关并网逆变器，其特征在于，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），电感L1（2），电容C1（3），电容C2（4），电容C3（5），电感L2（6），单相桥臂（7），滤波电感（8），电网电压检测电路（9），同步信号产生电路（10），并网电流检测电路（11），主控制器（12），直流电压检测电路（13），以及隔离驱动电路（14）；

所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的正极输入端，二极管（1）的负极与电感L1（2）的一端以及电容C1（3）的一端相连，电感L1（2）的另一端与电容C2（4）的一端以及单相桥臂（7）的正极输入端相连，电容C1（3）的另一端与单相桥臂（7）的负极输入端以及电感L2（6）的一端相连，电容C2（4）的另一端与电容C3（5）的一端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相连，电容C3（5）的另一端与电感L2（6）的另一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负极输入端，单相桥臂（7）的交流输出端与滤波电感（8）的一端相连，滤波电感（8）的另一端作为所述的Z源型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连；

电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电路（11）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单相桥臂（7）的两个功率器件工作。

 

本发明所具有的优点：本发明通过在将Z源逆变器中的阻抗网络的一个直流电容替换为两个串联的直流电容，并将其连接点作为交流侧的一个输出端，进而省去了一个桥臂。由于只需采用一个桥臂，即两个功率开关器件就同时实现了直流电压的升压、稳压控制以及将发电源的发电能量输送到电网中，因此具有结构紧凑、效率高、可靠性高等优点。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的逆变器的直通状态的原理图，图3是本发明的逆变器非直通状态的原理图；

图4是本发明的产生直通状态的SPWM的原理图。

 

具体实施方式

下面结合图1至图3具体说明本实施方式。一种Z源型两开关并网逆变器，其特征在于，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），电感L1（2），电容C1（3），电容C2（4），电容C3（5），电感L2（6），单相桥臂（7），滤波电感（8），电网电压检测电路（9），同步信号产生电路（10），并网电流检测电路（11），主控制器（12），直流电压检测电路（13），以及隔离驱动电路（14）；

所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的正极输入端，二极管（1）的负极与电感L1（2）的一端以及电容C1（3）的一端相连，电感L1（2）的另一端与电容C2（4）的一端以及单相桥臂（7）的正极输入端相连，电容C1（3）的另一端与单相桥臂（7）的负极输入端以及电感L2（6）的一端相连，电容C2（4）的另一端与电容C3（5）的一端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相连，电容C3（5）的另一端与电感L2（6）的另一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负极输入端，单相桥臂（7）的交流输出端与滤波电感（8）的一端相连，滤波电感（8）的另一端作为所述的Z源型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连；

电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电路（11）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单相桥臂（7）的两个功率器件工作。

图1是本发明的的原理图，下面简要分析其工作原理。图2和图3分别给出Z源逆变器直通状态和非直通状态的等效电路图。由Z源变换器的工作原理可知，在逆变器的桥臂直通时，能量存储在电感中，在桥臂恢复到正常状态时，存储的能量一方面向电容充电，另一方面向交流侧供电，进而实现电容的升压变换和直流到交流的变换。直流电容电压和直流输入电压的比值，即直流升压比与直通时间和整个开关周期的比值，即直通占空比之间为单调关系，即直通占空比越大，直流升压比越大，因此通过控制直通占空比就可以控制电容电压。

由上述分析可知，通过控制逆变器桥臂的直通占空比即可控制直流输出电压，即逆变器的输入电压。本发明在现有方案的基础上，将直流侧交叉阻抗网络（由电感和电容组成）中的一个电容更换为两个容值相同的相互串联的电容，这样两个串联的电容的连接点处的电压值即为整个直流电压的一半，另外，现有方案中，对于单相系统，采用了两个桥臂，四个功率开关器件，本发明将上述两个串联电容的连接点作为一个交流输出端，这样省去了一个桥臂，只需要一个桥臂即可实现交流电压的输出。考虑到本装置应用于可再生能源并网发电系统中，例如直流供电电源是光伏电池，由于光伏电池的输出电压波动较大，若不对其进行控制，一方面对并网电流波形质量造成影响，另一方面在光伏电池电压较低时，将不满足并网的电压约束条件，无法将光伏电池发出的电能输送到公共电网上去。因此，本实施方式采用直流输出电压的闭环控制方式，通过给定直流输出电压，并通过直流电压采集电路获得相应的直流输出电压值，用给定直流输出电压值减去采集到的直流输出电压值，获得的差值输入到比例-积分调节器，其输出作为直通占空比的大小，用于控制逆变器的直通时间。

并网逆变器的并网电流的控制主要实现两个功能，一个是将并网电流控制成正弦波，以降低对电网的谐波污染，另一个功能是将并网电流控制成与电网电压同相位，以使并网电流中不包含无功电流，提高系统的运行效率。其工作原理是，利用逆变器将直流电压斩波为高频的开关周期相同而占空比不同的调制波形，再通过滤波器将并网电流转变成正弦波形。在控制环节中，通过电网电压检测电路采集电网电压的瞬时波形，再通过同步信号产生电路获得电网电压的同步方波信号，将同步方波信号输入到主控制器中，在主控制器中经过软件锁相环生成与电网电压同相位的标准正弦波。在外部给定电流幅值，并输入到主控制器中，在主控制器中与所述的标准正弦波相乘，获得给定的并网电流瞬时值，再通过并网电流检测电路获得并网电流值，输入到主控制器中，与给定并网电流瞬时值相减，获得的差值通过比例-积分调节器产生逆变电压给定，用于逆变器的控制。

本发明中，需要同时实现逆变器各个功率开关器件的正常逆变控制和产生直通状态，本实施方式以现有方案中的正弦波脉宽调制策略（SPWM）为基础，由于SPWM方法中的桥臂的两个功率开关器件处于互补导通模式，在每一个载波周期里均会切换两次开关状态，因此在桥臂的两个功率开关器件的状态发生切换时，强制让两个功率开关器件同时导通，其导通时间等于直通占空比与载波周期的乘积。其具体工作原理为，设置一个三角波，用逆变电压给定和三角波比较，若逆变电压给定大于三角波，输出“1”，若正弦波小于或等于三角波，则输出“0”，形成第一路方波信号，将所述的第一路方波信号进行逻辑取反，获得第二路方波信号，对所获得的第一路方波信号进行判断，若由“1”跳变到“0”，或由“0”跳变到“1”，则以所获得的第一路方波信号的电平跳变点为起点，在所获得的两路方波信号中，同时加入一段时间的全“1”状态，这段全“1”状态的时间等于直通占空比与所设定的三角波周期的乘积，由此获得的两路方波信号，第一路用于控制第一个桥臂的上管和第二个桥臂的下管，第二路用于控制第一个桥臂的下管和第二个桥臂的上管。图4给出了控制过程产生的控制信号的原理图，其中两路信号的全“1”状态会使同一个桥臂的两个开关管均导通，即产生直通状态。

上述所有算法，包括直流输出电压的闭环控制，并网电流的控制以及包含直通状态的SPWM算法均在主控制器（12）中实现，将各个电量信号输入到主控制器（12）中，通过相应的算法产生逆变器的控制信号，再经过隔离驱动电路（14）用于控制逆变器的各个开关器件。主控制器（12）需要选择为带有模数转换器，脉宽调制模块等外设的单片机，数字信号处理器等控制器。

Claims (1)

1.一种Z源型两开关并网逆变器，其特征在于，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），电感L1（2），电容C1（3），电容C2（4），电容C3（5），电感L2（6），单相桥臂（7），滤波电感（8），电网电压检测电路（9），同步信号产生电路（10），并网电流检测电路（11），主控制器（12），直流电压检测电路（13），以及隔离驱动电路（14）；

所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的正极输入端，二极管（1）的负极与电感L1（2）的一端以及电容C1（3）的一端相连，电感L1（2）的另一端与电容C2（4）的一端以及单相桥臂（7）的正极输入端相连，电容C1（3）的另一端与单相桥臂（7）的负极输入端以及电感L2（6）的一端相连，电容C2（4）的另一端与电容C3（5）的一端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的一个交流输出端与电网的一相相连，电容C3（5）的另一端与电感L2（6）的另一端以及外部直流电源的负极输出端相连，作为所述的Z源型两开关并网逆变器的直流负极输入端，单相桥臂（7）的交流输出端与滤波电感（8）的一端相连，滤波电感（8）的另一端作为所述的Z源型两开关并网逆变器的另一个交流输出端与电网另一相相连；

电网电压检测电路（9）的输入端与单相电网相连，用于检测电网电压，电网电压检测电路（9）的输出端与同步信号产生电路（10）的输入端相连，产生与电网电压相同极性的方波信号，同步信号产生电路（10）的输出端与主控制器（12）的第一输入端相连，并网电流检测电路（11）的输入端串接于滤波电感（8）与电网之间，用于检测并网电流，并网电流检测电路（11）的输出端与主控制器（12）的第二输入端相连，直流电压检测电路（13）的输入端与电容C1（3）的两端相连，用于检测电容C1（3）的直流电压，直流电压检测电路（13）的输出端与主控制器（12）的第三输入端相连，主控制器（12）的输出端与隔离驱动电路（14）的输入端相连，隔离驱动电路（14）的输出端与单相桥臂（7）的信号输入端相连，用于驱动单相桥臂（7）的两个功率器件工作。

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