CN103326602B - 一种逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器，至少包括依次连接的电流控制器、有源箝位反激电路、开关管换向电路和占空比检测电路。本发明所述逆变器，可以克服现有技术中有效占空比易丢失、自身补偿稳定性差与对反馈量的控制效果差等缺陷，以实现有效占空比不易丢失、补偿稳定性好与对反馈量的控制效果好的优点。

Description

一种逆变器

技术领域

本发明涉及太阳能并网发电系统，具体地，涉及一种逆变器。

背景技术

在近几年中，以风能和太阳能为主的可再生能源发电系统，在世界范围得到越来越多的应用。对于太阳能并网发电系统来说，除了目前占主流的集中式大功率太阳能电站外，分布式太阳能并网发电系统，由于其能优化太阳能电池板的工作状态，在多数情况下可以提高系统的年发电量，目前日益得到重视并成为一个研究热点。

其中，基于逆变器的分布式发电系统，尤为引人注目，并在美国得到广泛使用。逆变器的核心是高效率升压电路、逆变电路及其控制技术，升压电路主要包括反激变换器及其衍生电路。有源箝位反激电路，由于可以实现变压器原边开关管的零电压开通和副边二极管的零电流关断，在很多中小功率变换场合得到广泛应用。该类电路的共同特点有两个，一是为了设备维护工人的人身安全，主电路中包含用于隔离原副边的变压器；二是这类设备的输出都是交流电，为了获得较高的输出电流质量，采用正弦波脉宽调制(SPWM)调制。

众所周知，变压器的漏感或额外引入的谐振电感，会改变原边电流的变化速率，同时还但是，该电感也会引起电路工作中的有效占空比丢失。在普通的DC/DC应用场合中，该占空比丢失不会带来控制上的问题：DC/DC变换器在稳态工作时其需要的占空比一般为一个固定值变换器在稳态工作时只需要一个固定的占空比；只要稳态工作条件不变，占空比不会发生变化，而占空比丢失值也是固定的。因此这样，其PI补偿器可以很容易能够自动调节并输出，在稳态工作占空比的基础上补偿占空比的丢失。一个较大的占空比，来补偿占空比丢失。但是然而，对于采用正弦波脉宽调制则不同，由于稳态工作占空比会随着时间而改变，则丢失的占空比也会随着时间而改变，此时仅通过PI补偿器，(SPWM)的有源箝位反激电路(及其衍生电路)，占空比丢失会造出反馈控制上的麻烦。这主要是由于在SPWM调制下，占空比成非线性变化，丢失的占空比也为非线性。对于普通的PI或PID补偿器来说，它无法很好实时的动态补偿丢失的占空比的丢失，从而会影响对反馈量的控制的效果。这是一个新问题，因为以前该类变换器一般用于DC/DC，而不是做SPWM调制。

对于此类隔离型的DC/AC变换器，通常是通过尽量提高PI补偿器带宽，或者减少漏感，进而不使用谐振电感等办法可以减少占空比丢失。从而提高SPWM控制的效果，输出高质量的电流。然后由于开关频率的限制PI补偿器带宽无法做到足够高，引线电感与变压器漏感始终存在，而且小的漏感或者不使用谐振电感会增大原边电流的换流速度，增加电路高频开关噪音。

现有技术中，通常会使用过设计的方法来避开占空比丢失所引入的问题。例如，为了避开占空比丢失，可以将主电路的工作频率提高，这样可以提高PI补偿器的带宽，让PI补偿器能够更快的补偿丢失的占空比，但是高的工作频率，带来的是高的开关损耗，降低了变换器的效率。又如，可以设计较大的变压器励磁电感，降低漏感和励磁电感的比值，从而降低漏感和引线电感所引起的占空比丢失值，而这种方法在对于变换器体积要求不大的场合得到广泛应用，而一些对于变换器功率密度要求较高的场合，大的励磁电感设计方法受到制约。

图1a和图1b是一类典型的隔离型DC/DC变换器，它包括高端箝位反激变换电路(如图1a所示)和低端箝位反激变换电路(如图1b所示)。其中，两只开关管S₁和S₂互补工作，L_r为变压器漏感或者额外加入的谐振电感，L_m为变压器原边的励磁电感，C_CL为箝位电容，D₁为整流二极管，R_O为直流输出负载。在SPWM调制的高端箝位反激变换器中，其输出的占空比D，有效占空比D_eff以及损失的占空比ΔD如图4所示。可以看出，由于采用了SPWM调制，电路中的各占空比不为恒定值，它们的波形为非线性。如果仅靠PI或PID补偿器本身来补偿丢失的占空比，并不能达到很好的效果，从而会影响对最终控制量的控制品质。因此，需要在控制环节中加入动态占空比补偿环节。以高端箝位反激电路为例，其电路的原边电流关键波形如图2所示。

图2中表示的ΔDT_S即为占空比丢失的时间，在这段时间内，变压器承受负载电压，虽然有主动的开关信号打开了主开关管S₁，但是并为对励磁电感进行储能，而是将输入电压和负载折算到原边的电压都加在了漏感或是额外引入的谐振电感L_r上，此时L_r的电流快速上升直到等同于励磁电流I_Lm，之后才从新开始对励磁电感储能。变压器一定存在漏感，则占空比丢失现象在此类隔离型的变换器中不可避免。

高端箝位反激电路的原边电流波形可以用分段线性波形表示，在t0时刻，S₁开通，S₂关断，这时的简化等效电路如图3所示。

当此类隔离型的变换器工作于DC/DC模式时，虽然存在占空比丢失，但是由于只有一个稳态工作点(既一个输出占空比)，PI补偿器只要通过输出电压与固定给点电压之间的误差，就可以在一定周期之后将该占空比丢失补偿回去，弥补占空比丢失导致的输出电压畸变，只要电路设计之初，考虑到占空比丢失和最大占空比的叠加不大于最大占空比限制就可以维持输出电压。

而当此类隔离型的变换器工作与SPWM调制时，仅使用PI补偿器来补偿占空比丢失，效果有限，这主要的原因是因为SPWM调制时，该变换器的工作占空比是随着输出电压的变化而变化的，所以它的稳态工作点也一直在随着输出电压的变化而改变。PI补偿器根据SPWM调制原理，每个开关周期都会算出一个占空比，而仅将该占空比送给主开关S₁，由于L_r的存在，实际存储能量的有效占空比比PI算出的占空比小，L_m存储的能量也就比理想的给出的有效占空比的小，输出电压达不到要求，下个开关周期，PI或PID补偿器发现输出电压与参考电压的误差变大，它将继续增大其输出的占空比，希望提供更多能量给负载，以升高输出电压，可是由于输出不是一个固定的电压，本身输出电压也已经改变，PI或PID补偿器仅通过输出电压和给定电压的误差无法发现占空比丢失，因此无法补偿。

如上介绍，将此类变换器工作于SPWM调制，其输出的占空比D，有效占空比D_eff以及损失的占空比ΔD如图4所示。可以看出，由于采用了SPWM调制，电路中的各占空比不为恒定值，它们的波形随时间改变。如果仅靠PI补偿器本身来补偿丢失的占空比，并不能达到很好的效果，从而会影响对最终控制量的控制品质。因此，需要在控制环节中加入动态占空比补偿环节。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在有效占空比易丢失、自身补偿稳定性差与对反馈量的控制效果差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种逆变器，以实现有效占空比不易丢失、补偿稳定性好与对反馈量的控制效果好的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种逆变器，至少包括电流控制器、有源箝位反激电路、开关管换向电路和占空比检测电路，其中：

所述有源箝位反激电路，用于基于电流控制器的控制，对输出电流进行SPWM调制处理，输出与电网电压同相位的馒头电流波形，该馒头电流波形i_o(t)随时间的表达式为其中I_O为输出电流的有效值；ω为电网频率；

所述开关管换向电路，用于对有源箝位反激电路输出的馒头电流波形进行换向处理，得到与电网电压同相位的正弦波电流，并输入电网，该正弦电流波形的表达式为其中I_grid为输出并网电流的有效值；ω为电网频率；

所述电流控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比ΔD；再把计算得到的丢失占空比ΔD，叠加到有源箝位反激电路的SPWM调制处理中的有效占空比D_eff，对该有效占空比D_eff进行预补偿处理；

所述占空比检测电路，用于对电流控制器预补偿处理所得占空比进行检测和显示。

进一步地，以上所述的逆变器，还包括太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器；

所述太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，跟踪太阳能电池收到的光强及环境等外界因素的变化情况，调整有源箝位反激电路的输出，使太阳能电池运行在最大功率点。

进一步地，所述电流控制器包括锁相环PLL、乘法器、前馈模块、PI或PID补偿器、动态占空比补偿器与SPWM发生器，其中：

所述PLL，利用采样得到的电网电压V_grid信号，计算电网电压的幅值和频率，并生成一个基准相位信号，用于后续控制中；所述乘法器，用于基于来自MPPT控制器的输出信号与来自PLL的基准相位信号，进行相乘处理，得到输出端参考电流I_{o_ref}；

所述前馈模块，用于基于SPWM调制中的输入端电压V_in与输出端电压V_O，进行去除耦合量处理，输出去除耦合量信号；

所述PI或PID补偿器，用于基于SPWM调制中的输出端电流I_O、输出端参考电流I_{o_ref}、以及前馈模块输出的去除耦合量信号，进行前期补偿处理，输出有效占空比D_eff；

所述动态占空比补偿器，用于基于SPWM调制中的输入端电压V_in、输出端电压V_O与输出端电流I_O，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比ΔD；再把计算得到的丢失占空比ΔD，叠加到PI或PID补偿器输出的有效占空比D_eff，进行预补偿处理，输出给定占空比D；

所述SPWM发生器，用于基于动态占空比补偿器输出的给定占空比D，进行SPWM调节，输出用于控制有源箝位反激电路中半导体开关S₁和S₂的控制信号GS1和GS2。

进一步地，所述电流控制器还包括MPPT控制器；所述MPPT控制器，利用采样电路得到的太阳能电池板输出电压V_PV和太阳能电池板输出电流I_PV，进行最大功率跟踪控制，产生一个参考电压用于后续控制中。

进一步地，所述开关管换向电路包括晶闸管SCR与金属氧化物场效应晶体管MOSFET换向电路。

本发明各实施例的一种逆变器，由于在D_eff直接送出到SPWM发生器之前，加入动态占空比补偿器；该动态占空比补偿器根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期计算出下一个开关周期的丢失占空比ΔD，再把ΔD叠加到D_eff上，相当于进行了预补偿；可以用于该类变换器(有源箝位反激软开关变换器及其衍生或类似的软开关反激变换器)在SPWM调制时，需要调节输出电流的场合，以优化SPWM调制下该类变换器输出电流的品质；从而可以克服现有技术中有效占空比易丢失、自身补偿稳定性差与对反馈量的控制效果差的缺陷，以实现有效占空比不易丢失、补偿稳定性好与对反馈量的控制效果好的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a为典型的有源箝位反激电路中低端箝位反激电路示意图；

图1b为典型的有源箝位反激电路中高端箝位反激电路示意图；

图2为高端箝位反激变换器的原边电流关键波形示意图；

图3为高端箝位反激变换器在t0～t1期间内的等效电路示意图；

图4为SPWM调制的高端箝位反激电路的占空比波形示意图；

图5a为以低端箝位反激变换器为例的逆变器的结构示意图；

图5b为以高端箝位反激变换器为例的逆变器的结构示意图；

图6为图5a和图5b中带有动态占空比补偿器的电流控制器的内部框图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-前馈模块；2-PI或PID补偿器；3-动态占空比补偿器；4-SPWM发生器；5-MPPT控制器；6-锁相环；7-乘法器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图5a、图5b和图6所示，提供了基于动态占空比补偿的逆变器。图5b中所示微逆变器以高端箝位反激电路为例。类似的，把图5b中的高端箝位反激电路(参见图1a)替换为低端箝位反激电路(参见图1b)，即可以得另一种基于动态占空比补偿的逆变器(参见图5a，图5a中所示微逆变器以低端箝位反激电路为例)。

如图5a和图5b所示，本实施例至少包括电流控制器、有源箝位反激电路、开关管换向电路、太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器、以及占空比检测电路，该电流控制器带有动态占空比补偿器，该开关管换向电路包括晶闸管(SCR)与金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。图5a和图5b给出了两种典型的实施实例。

其中，上述有源箝位反激电路，用于基于电流控制器的控制，并对输出电流进行SPWM调制处理，输出与电网电压同相位的馒头电流波形；该馒头电流波形i_o(t)随时间的表达式为其中I_O为输出电流的有效值；ω为电网频率。SCR与MOSFET换向电路，用于对有源箝位反激电路输出的馒头电流波形进行换向处理，得到与电网电压同相位的正弦波电流，并输入电网，该正弦电流波形的表达式为其中I_grid为输出并网电流的有效值；ω为电网频率。电流控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比ΔD；再把计算得到的丢失占空比ΔD，叠加到有源箝位反激电路的SPWM调制处理中的有效占空比D_eff，对该有效占空比D_eff进行预补偿处理。占空比检测电路，用于对电流控制器预补偿处理所得占空比进行检测和显示。太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，跟踪太阳能电池收到的光强及环境等外界因素的变化情况，调整有源箝位反激电路的输出，使太阳能电池运行在最大功率点。

在上述实施例中，如图6所示，电流控制器包括MPPT控制器(MPPT Controller)5、锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)6、乘法器7、前馈模块1、PI或PID补偿器2、动态占空比补偿器3与SPWM发生器4。

这里，MPPT控制器5的全称“最大功率点跟踪”(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)太阳能控制器，是高效率太阳能发电系统中必不可少的控制组件。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的输出电压和电流，计算瞬时输出功率(V*I)，通过不断调节太阳能变换器的工作状态，使得太阳能电池板输出功率稳定在最大值。从而太阳能发电系统能向电网传输最大的功率。由于太阳能电池的输出功率与接收到的光强以及环境温度等外界因素密切相关，其输出功率是变化的。在低温和强光照条件下时，输出功率较大；反之亦然。因此，带MPPT最大功率跟踪的逆变器就是为了最为充分的利用太阳能电池，使之运行在最大功率点，向电网输出最大功率。当环境发生变化，太阳能电池输出功率变化，逆变器输出功率也会发生变化，带独立负载时，如果逆变器输出功率不能提供负载功率，那负载是不能正常用电的。锁相环6又称锁相回路，用来为逆变器的输出电流提供一个准确的时基相位信号，使最终目的是使得输出电流与电压同相位，功率因数为1。

其中，上述MPPT控制器5，利用采样电路得到的太阳能电池板输出电压V_PC和太阳能电池板输出电流I_PV，进行最大功率跟踪控制，产生一个参考电压用于后续控制中；PLL 6，利用采样电路得到的电网电压信号V_grid，计算电网电压的幅值和相位，并生成一个基准相位信号输出，用于后续控制；乘法器7，用于基于来自MPPT控制器的输出信号与来自PLL的基准相位信号，进行相乘处理，得到输出端参考电流I_{o_ref}；前馈模块1，用于基于SPWM调制中的输入端电压V_in与输出端电压V_O，进行去除耦合量处理，输出去除耦合量信号；PI或PID补偿器2，用于基于SPWM调制中的输出端电流I_O、输出端参考电流I_{o_ref}、以及前馈模块1输出的去除耦合量信号，进行前期补偿处理，输出有效占空比D_eff；动态占空比补偿器3，用于基于SPWM调制中的输入端电压V_in、输出端电压V_O与输出端电流I_O，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比ΔD；再把计算得到的丢失占空比ΔD，叠加到PI或PID补偿器2输出的有效占空比D_eff，进行预补偿处理，输出给定占空比D；SPWM发生器4，用于基于动态占空比补偿器输出的给定占空比D，进行SPWM调节，输出用于控制有源箝位反激电路中半导体开关S₁和S₂的控制信号GS1和GS2。

在上述实施例中，图5a和图5b为带有动态占空比补偿器的有源箝位反激变换器的逆变器结构图，图5a以低端箝位反激变换器为例，图5b以高端箝位反激变换器为例。图5a与图5b中显示的有源箝位反激变换器，通过SPWM调制，输出与电网电压同相位的馒头电流波形，该馒头电流波形i_o(t)随时间的表达式为其中I_O为输出电流的有效值；ω为电网频率。该馒头电流波形通过后面的晶闸管SCR&MOSFET换向电路，向电网中输入与电网电压同相位的正弦波电流，该正弦电流波形的表达式为其中I_grid为输出并网电流的有效值；ω为电网频率。

图6给出了图5a与图5b中电流控制器的内部结构框图，MPPT控制器5主要功能为最大功率点跟踪，MPPT控制器5的输出与锁相环6的输出相乘，得到输出电流的参考量；输出电流的采样值与该参考量比较，差值通过PI或PID补偿器2调节。图6中的前馈模块1，主要去除SPWM调制中的耦合量；PI或PID补偿器2的输出送入动态占空比补偿器3；该动态占空比补偿器3基于前述理论推导(参见方法实施例的相关说明，在此不再赘述)，计算需要补偿的丢失占空比ΔD，之后通过SPWM调节，输出控制信号GS1和GS2。

图5a和图5b为上述实施例的完整变换器结构图，图5a和图5b以高端箝位反激变换器为例。低端箝位反激变换器与此类似。该有源箝位反激变换器通过SPWM调制，输出与电网电压同相位的馒头电流波形，通过后面的晶闸管SCR&MOSFET换向电路，向电网中输入与电网电压同相位的正弦波电流。图6给出了图5a和图5b中电流控制器的内部结构框图。MPPT控制器主要功能为最大功率点跟踪，该控制器的输出与锁相环的输出相乘，得到输出电流的参考量。输出电流的采样值与该参考量比较，差值通过PI调节。框图中的前馈模块主要去除SPWM调制中的耦合量。PI或PID补偿器的输出送入动态占空比补偿器。该补偿器基于前述理论推导，计算需要补偿的丢失占空比ΔD。之后通过SPWM调节，输出控制量GS1和GS2。

上述实施例正是基于SPWM调制，而又有占空比丢失的电路。同样的实施例还有单级隔离型PFC电路，它也是基于SPWM调制，同时由于变压器的存在，引入漏感而存在占空比丢失现象，也可以使用上述方法，在每个开关周期中，根据主电路的参数，计算丢失的占空比，然后在每个控制周期都将计算得到的丢失占空比叠加到主PI补偿器输出的有效占空比上，从而优化输出电流波形。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (3)

1.一种逆变器，其特征在于，至少包括电流控制器、有源箝位反激电路、开关管换向电路和占空比检测电路，其中：

所述有源箝位反激电路，用于基于电流控制器的控制，对输出电流进行SPWM调制处理，输出与电网电压同相位的馒头电流波形；该馒头电流波形 随时间的表达式为；其中为输出电流的有效值；ω为电网频率；

所述开关管换向电路，用于对有源箝位反激电路输出的馒头电流波形进行换向处理，得到与电网电压同相位的正弦波电流，并输入电网；该正弦电流波形的表达式为；其中为输出并网电流的有效值；ω为电网频率；

所述电流控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比；再把计算得到的丢失占空比∆D，叠加到有源箝位反激电路的SPWM调制处理中的有效占空比，对该有效占空比进行预补偿处理；

所述占空比检测电路，用于对电流控制器预补偿处理所得占空比进行检测和显示；

该逆变器还包括太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器；

所述太阳能最大功率点跟踪MPPT控制器，用于在有源箝位反激电路的SPWM调制处理中，跟踪太阳能电池收到的光强及环境等外界因素的变化情况，调整有源箝位反激电路的输出，使太阳能电池运行在最大功率点；

所述电流控制器包括锁相环PLL、乘法器、前馈模块、PI或PID补偿器、动态占空比补偿器与SPWM发生器，其中：

所述PLL，利用采样电路得到的电网电压信号，计算电网电压的幅值和相位，并生成一个基准相位信号输出，用于后续控制；

所述乘法器，用于基于来自MPPT控制器的输出信号与来自PLL的基准相位信号，进行相乘处理，得到输出端参考电流；

所述前馈模块，用于基于SPWM调制中的输入端电压与输出端电压，进行去除耦合量处理，输出去除耦合量信号；

所述PI或PID补偿器，用于基于SPWM调制中的输出端电流、输出端参考电流、以及前馈模块输出的去除耦合量信号，进行前期补偿处理，输出有效占空比；

所述动态占空比补偿器，用于基于SPWM调制中的输入端电压、输出端电压与输出端电流，根据有源箝位反激电路的工作状态，在每个计算周期，计算出下一个开关周期中需要补偿的丢失占空比；再把计算得到的丢失占空比，叠加到PI或PID补偿器输出的有效占空比，进行预补偿处理，输出给定占空比；

所述SPWM发生器，用于基于动态占空比补偿器输出的给定占空比，进行SPWM调节，输出用于控制有源箝位反激电路中半导体开关和的控制信号GS1和GS2。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述电流控制器还包括MPPT控制器；

所述MPPT控制器，利用采样电路得到的太阳能电池板输出电压和太阳能电池板输出电流，进行最大功率跟踪控制，产生一个参考电压用于后续控制中。

3.根据权利要求1或2所述的逆变器，其特征在于，所述开关管换向电路包括晶闸管SCR 与金属氧化物场效应晶体管MOSFET换向电路。