CN102969920A

CN102969920A - 一种双工作模式的双向逆变器

Info

Publication number: CN102969920A
Application number: CN2012105362512A
Authority: CN
Inventors: 李一凡; 谢清明; 王天亮; 张花; 赵燕; 王紫燕
Original assignee: Beijing Power Machinery Institute
Current assignee: Beijing Power Machinery Institute
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种双模式逆变器，应用于分布式发电领域，用以解决现有装置中同一逆变器装置不能实现并网模式输出和独立模式输出的问题。包括：再并网模式逆变器中增加零线桥臂模块；共用交流电抗器、滤波器设计、增加了预充电单元，同时软件上采用双模式控制。使用本发明之后，可以实现同一逆变器硬件拓扑同时实现并网、独立两种模式运行的控制策略。大大降低了传统逆变器采用两套独立硬件的高昂成本，同时满足了分布式发电的要求。

Description

一种双工作模式的双向逆变器

技术领域

本发明涉及逆变器，尤其涉及一种双工作模式的双向逆变器。

背景技术

近年来，分布式发电作为一种新型的发电方式，越来越受到人们的关注。分布式发电的意义在环境保护、节约能源、能源利用多样化等方面得到了充分的体现。分布式发电可以充分利用清洁能源，如微型燃气轮机、太阳能、风能、潮汐能、地热能、生物废料能等。同时还可以解决边远地区的供电问题，成为了现有电力供应的很好的补充，具有巨大的发展潜力。

目前，分布式发电所应用的逆变器主要有两种运行模式：一种是并网运行模式，另一种是独立运行模式。

并网工作模式是指时三相逆变器将电能量直接输送到三相电网，其控制目标为并网电流，通过控制电流大小以及同三相电压的相位关系来控制并网有功、无功功率的大小。

并网模式逆变器硬件拓扑结构如图1所示，该逆变器主回路拓扑由5个部分组成，分别是直流滤波电容11、功率模块12、交流电抗器1流滤波电容14、预充电电阻15共同组成，预充电电阻15中是并联在交流母线上的，交流母线上还设有预充电接触器17。图1中还包含三相交流电网16。

并网模式逆变器工作过程是预充电电阻15首先接通，为直流滤波电容11进行限流充电，随后预充电接触器17闭合，形成交流母线回路。功率模块2受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，控制交流电抗器13两端电压，从而控制交流电抗器中流过的电流的大小、相位，完成并网电流控制。随后并网电流经过交流滤波电容14滤除三相电流中的高频分量，降低并网电流的谐波含量。

独立工作模式是指时三相逆变器直接带负载运行，其控制目标为输出三相电压的幅值为220V，三相电压相位互差120度。且在额定负载范围内均能保持该状态运行。

独立模式逆变器硬件拓扑结构如图2所示，该逆变器主回路拓扑由5个部分组成，分别是直流滤波电容21、功率模块22、交流电抗器23、交流滤波电容24、阻尼电阻25共同组成。图2中还包含负载26。

独立模式逆变器工作过程如下：直流滤波电容21滤除直流母线中的低频交流分量，功率模块22受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，从而控制功率模块22端口的交流输出电压的幅值、相位。该电压通过交流电抗器23和交流滤波电容24组成的LC滤波器后滤除其中的高频分量，为负载6提供高品质的220V、50Hz三相交流电压输出。当负载6很小时，为保证控制系统的稳定，在三相交流母线中接入了阻尼电25，保证该系统最小输出，提高交流电流的稳定性。

目前国内文献中也曾有人提出过将现有两种逆变器合并，从而实现并网模式和独立模式间相互切换的控制方式即双模式控制，但大多采用共用直流电容的设计方案，硬件拓扑结构如图3所示。其中只有直流滤波电容1为共用单元，其余各部分硬件系统与前述两种模式相类似，相当于具备多种模式的逆变器采用各自独立的拓扑结构，这就造成逆变器的功率密度降低，成本较高，不利于产品的推广。

发明内容

由于目前市场上的逆变器大多只有一种工作模式，而双模式逆变器的器件繁多，成本较高，因而提出本发明双工作模式的双向逆变器，本发明可以实现并网模式、独立模式两种控制功能。此外通过共用逆变器功率模块，共用逆变器输出电抗器以及滤波电路，大大减少了器件使用量，降低成本40%以上。

为了解决上述技术效果，本发明是这样实现的：

该双工作模式的双向逆变器，包括直流滤波电容、功率模块、交流电抗器、交流滤波电容、预充电电路和电网断路器；

直流母线通过直流滤波电容连接功率模块，功率模块连接交流母线，交流母线上依次连接交流电抗器、交流滤波电容和预充电电路，然后交流母线直接连接负载并且通过电网断路器连接三相交流电网；

功率模块采用四桥臂结构，其引出四路交流母线，分别是三相交流电A、B、C和零线交流电；

交流电抗器包括四个电抗，分别串联在四路交流母线中；

交流滤波电容包括三个电容，相互成星形连接后，三个自由端连接在其中三相交流电A、B、C的线路上，星形连接处引出一线路连接零线交流电；

预充电电阻包括三个电阻和一个三相预充电接触器；其中，三相预充电接触器串接在三相交流电A、B、C的线路上，三个电阻分别并联在三相预充电接触器三相的两端；

双向逆变器工作在独立模式时，电网断路器接通后，三相交流电网通过预充电电阻为直流滤波电容进行限流充电，随后三相预充电接触器闭合，形成交流母线回路；功率模块受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，控制交流电抗器两端电压，完成并网电流控制；随后并网电流经过交流滤波电容滤除三相电流中的高频分量；

双向逆变器工作在并网模式时，电网断路器断开，直流滤波电容滤除直流母线中的低频交流分量，功率模块受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，从而控制功率模块端口的交流输出电压的幅值、相位；该电压通过交流电抗器和交流滤波电容组成的LC滤波器后滤除其中的高频分量，为负载提供三相交流电压输出。

当负载很小时，为保证控制系统的稳定，该双向逆变器进一步包括阻尼电阻；阻尼电阻包括三个电阻，相互成星形连接后，三个自由端连接在其中三相交流电A、B、C的线路上，星形连接处引出一线路连接零线交流电。

有益效果：

在分布式发电系统中，常常会遇到要求发电单元能够实现并网运行、独立模式运行两种模式共存，以及互相切换的问题。传统逆变器大多只有一种工作模式。即使现有的双模式逆变器也存在器件繁多、可靠性差、成本高昂的问题。通过本发明能够实现分布式发电中两种常用模式工作及相互切换的功能。同时降低成本40%以上。大大提高了逆变器产品在分布式发电领域应用的可行性。

鉴于设备中每增加一个单元可靠性就会差一些，本发明共用单元较多，因此提高了整个设备的可靠性。同时，传统的双模式逆变器采用两个功率模块，其在进行工作模式切换时，需要进行功率模块控制信号的切换，因此可靠性也会降低，而本发明共用功率模块，没有控制信号切换问题，因此可靠性得以进一步提高。

同时本发明的提出将对目前微电网系统设计给予极大地帮助，具有极高的使用价值。

附图说明

附图1并网模式逆变器硬件拓扑结构；

附图2独立模式逆变器硬件拓扑结构；

附图3现有双模式逆变器硬件拓扑结构；

附图4本发明双模式逆变器拓扑结构。

具体实施方式

本发明通过合理的利用并网逆变器中的并网电抗器和独立模式逆变器中的LC滤波器，提出将两种模式下的IGBT、功率电抗器共用，设计了阻尼电路和与预充电电路。该设计的硬件结构有效的降低了器件数量。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明逆变器由6个部分组成，包括直流滤波电容1、功率模块2、交流电抗器3、交流滤波电容4、阻尼电阻5、预充电电路6，此外图4中还示出了负载7、电网断路器8和三相交流电网9。

直流母线通过直流滤波电容1连接功率模块2，功率模块2连接交流母线，交流母线上依次连接交流电抗器3、交流滤波电容4、阻尼电阻5和预充电电路6，然后交流母线直接连接负载7并且通过电网断路器8连接三相交流电网9。其中，交流电抗器3是串接在交流母线中，交流滤波电容4和阻尼电阻5并接在交流母线上，预充电电路6由3个电阻和三个预充电接触器组成，预充电接触器串接在交流母线中，电阻并联在交流母线。

如图4所示，功率模块2由四桥臂的IPM（智能功率模块）组成，其引出四路交流母线，分别是三相交流电A、B、C和零线交流电。

交流电抗器3包括四个电抗，分别串联在四路交流母线中。

交流滤波电容4包括三个电容，相互成星形连接后，三个自由端连接在其中三路交流母线中，星形连接处引出一线路连接第四路交流母线。

阻尼电阻5包括三个电阻，其连接方式与交流滤波电容4相同。

预充电电阻包括三个电阻和一个三相预充电接触器，预充电接触器串接在交流母线中，另外一路为零线交流电，因为在并网模式下零线不参与工作因此不接。三个电阻分别并联在预充电接触器三相的两端。

从以上所述可见，本发明共用单元包括功率模块2、交流电抗器3、交流滤波电容4以及交流母线；其中，

对于功率模块2的共用：传统的双模式逆变器采用两个功率模块，其在进行工作模式切换时，需要进行功率模块控制信号的切换，因此可靠性也会降低，而本发明共用功率模块，没有控制信号切换问题，因此本发明逆变器的可靠性得以提高。

对于交流电抗器3的共用：当工作在并网模式时，交流电抗器3的作用是升压；而工作在独立模式时，交流电抗器3与交流滤波电容4一起构成LC滤波器后滤除功率模块2交流输出电压的高频分量。交流电抗器3的电抗值选取方式如下：首先根据并网模式下的三相电压值、母线电压设定值、控制系统调制模式计算电抗器3的电抗值范围；其次根据独立模式设定的LC滤波器截止频率计算电抗器3的电抗值与交流滤波电容4容值的关系；最后通过调整交流滤波电容4的值将两种模式电抗器3取值范围调整重合，交流电抗器3的电抗值在重合的取值范围中选取，使得交流电抗器3可以在两种模式下达到共用。

对于交流滤波电容4的共用：当工作在并网模式时，交流滤波电容4的作用是滤除三相电流中的高频分量，降低并网电流的谐波含量；而工作在独立模式时，交流滤波电容4的作用是与交流电抗器3一起构成LC滤波器后滤除功率模块2交流输出电压的高频分量。

此外，阻尼电阻的加入不会影响并网模式，这是因为：阻尼电阻的加入只会为整个系统带来3%的功率消耗，是独立模式下保障最小功率输出的单元，从而保证了有效电流输出，达到系统稳定控制的目的。当并网模式下，阻尼电阻功率消耗不变，但由于该部分电流不计为用于控制的采样电流，同时对并网点电压又不会造成影响，故相当于独立并网系统之外，不会造成影响。

同样，预充电电阻的加入也不会影响独立模式，这是因为：预充电电阻只会在并网模式开始前启预充电限流作用，随后由接触器将其旁路切出。独立模式时一直处于旁路状态，因而不会产生影响。

本双模式逆变器在并网模式工作时，逆变器工作过程是：电网断路器8接通后，三相交流电网通过预充电电阻6为直流滤波电容1进行限流充电，随后预充电接触器闭合，形成交流母线回路。功率模块2受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，控制交流电抗器3两端电压，从而控制流过交流电抗器中流过的电流的大小、相位，完成并网电流控制。随后并网电流经过交流滤波电容4滤除三相电流中的高频分量，降低并网电流的谐波含量。

本双模式逆变器在独立模式工作时，逆变器工作过程是：电网断路器8断开，直流滤波电容1滤除直流母线中的低频交流分量，功率模块2受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，从而控制功率模块2端口的交流输出电压的幅值、相位。该电压通过交流电抗器3和交流滤波电容4组成的LC滤波器后滤除其中的高频分量。为负载7提供高品质的220V、50Hz三相交流电压输出。当负载7很小时，为保证控制系统的稳定，在三相交流母线中接入了阻尼电阻5，保证该系统最小输出，提高交流电流的稳定性。

本发明中共用了独立模式与并网模式下功率模块2、交流电抗器3、交流滤波电容4以及交流母线。大大节省了硬件器件数量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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

1.一种双工作模式的双向逆变器，其特征在于，包括直流滤波电容（1）、功率模块（2）、交流电抗器（3）、交流滤波电容（4）、预充电电路（6）和电网断路器（8）；

直流母线通过直流滤波电容（1）连接功率模块（2），功率模块（2）连接交流母线，交流母线上依次连接交流电抗器（3）、交流滤波电容（4）和预充电电路（6），然后交流母线直接连接负载（7）并且通过电网断路器（8）连接三相交流电网（9）；

功率模块（2）采用四桥臂结构，其引出四路交流母线，分别是三相交流电A、B、C和零线交流电；

交流电抗器（3）包括四个电抗，分别串联在四路交流母线中；

交流滤波电容（4）包括三个电容，相互成星形连接后，三个自由端连接在其中三相交流电A、B、C的线路上，星形连接处引出一线路连接零线交流电；

预充电电阻（6）包括三个电阻和一个三相预充电接触器；其中，三相预充电接触器串接在三相交流电A、B、C的线路上，三个电阻分别并联在三相预充电接触器三相的两端；

双向逆变器工作在独立模式时，电网断路器（8）接通后，三相交流电网（9）通过预充电电阻（6）为直流滤波电容（1）进行限流充电，随后三相预充电接触器闭合，形成交流母线回路；功率模块（2）受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，控制交流电抗器（3）两端电压，完成并网电流控制；随后并网电流经过交流滤波电容（4）滤除三相电流中的高频分量；

双向逆变器工作在并网模式时，电网断路器（8）断开，直流滤波电容（1）滤除直流母线中的低频交流分量，功率模块（2）受控制系统PWM信号控制完成斩波输出，从而控制功率模块（2）端口的交流输出电压的幅值、相位；该电压通过交流电抗器（3）和交流滤波电容（4）组成的LC滤波器后滤除其中的高频分量，为负载（7）提供三相交流电压输出。

2.如权利要求1所述的双工作模式的双向逆变器，其特征在于，该双向逆变器进一步包括阻尼电阻（5）；阻尼电阻（5）包括三个电阻，相互成星形连接后，三个自由端连接在其中三相交流电A、B、C的线路上，星形连接处引出一线路连接零线交流电。