CN103683999A - 并网逆变器及其输出滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网逆变器，包括交流输出滤波单元和数据采集器、控制器，所述数据采集器用于采集三相逆变桥的输出电流，并将采集的电流数据输出至控制器；所述交流输出滤波单元中包括至少一个LC滤波器或LCL滤波器，每个LC滤波器或LCL滤波器的电感支路串联至少一个第二电感，LC滤波器的电容支路并联至少一个第二电容。本发明并网逆变器仅采用了两个开关器件就实现了组合滤波，减少了开关器件的使用数量，降低了成本。本发明提供的输出滤波方法减小了输出电流较小时的输出谐波，增大了输出电流较小时的转换效率。

Description

并网逆变器及其输出滤波方法

技术领域

本发明涉及并网逆变技术领域，特别涉及一种并网逆变器及其输出滤波方法。

背景技术

随着并网技术的广泛应用。并网逆变器的输出电能质量受到更多关注。为了降低并网输出谐波，提高输出电能质量，需要对并网逆变器的交流输出进行滤波处理。为实现并网逆变器的输出滤波，传统的方法是改变功率器件的开关频率，输出较小时增大功率模块的开关频率。传统方法实施较为复杂，且改变开关频率对功率器件也会产生很大影响。中国专利《一种并网逆变器及其交流输出滤波方法》（专利号为201010553722.1）公开了一种并网逆变器和输出滤波方法，该方法是在交流逆变器的输出侧并联一组LC或LCL滤波器。虽然这种方法能够在输出较小时达到较好的滤波效果，但是并联的一组LC或LCL滤波器中使用了至少4个开关，使用的开关数量较多，切换过程较为复杂，且投入切出原则是根据输出功率大小而确定，在输出较小电压电流时电感参数都需额定选取，提高成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的开关数量多、切换过程复杂的不足，提供一种开关数量较少的并网逆变器，同时提供一种并网逆变器的输出滤波方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种并网逆变器，包括交流输出滤波单元和数据采集器，所述交流输出滤波单元和数据采集器之间设置有控制器，所述数据采集器用于采集三相逆变桥的输出电流，并将采集的电流数据输出至控制器；所述交流输出滤波单元中包括至少一个LC滤波器或LCL滤波器，每个LC滤波器或LCL滤波器的电感支路串联至少一个第二电感，LC滤波器的电容支路并联至少一个第二电容。

优选的，所述输出滤波单元包括一个LC滤波器，所述LC滤波器的第一电感串联第一开关和一个第二电感，LC滤波器的第一电容串联第二开关，第一电容并联一个第二电容；当第一开关和第二开关均断开时，第一电感、第二电感和第一电容组成第一滤波电路；当第一开关和第二开关均连通时，第一电感、第一电容和第二电容组成第二滤波电路；所述控制器通过控制第一开关和第二开关同时断开或连通进行第一滤波电路与第二滤波电路之间的切换。

上述并网逆变器中，所述控制器根据数据采集器采集的三相逆变桥的输出电流控制第一开关和第二开关同时断开或连通。

本发明还提供了一种并网逆变器的输出滤波方法，包括以下步骤：

步骤1：数据采集器实时采集三相逆变桥的输出电流；

步骤2：控制器根据数据采集器采集的三相逆变桥的输出电流控制交流输出滤波单元中的第一开关和第二开关同时断开或连通，进行第一滤波电路与第二滤波电路之间的切换。

根据本发明实施例，上述并网逆变器的输出滤波方法中，所述步骤2包括：

步骤2-1：选取三相逆变桥输出的三个电流中电流值最大的一个电流作为三相逆变桥的当前输出电流；

步骤2-2：判断当前输出电流是否大于设定的投切电流与回差电流之和，如果是则控制第一开关和第二开关处于连通状态，选取第二滤波电路；否则进入步骤2-3；

步骤2-3：进一步判断当前输出电流是否小于设定的投切电流与回差电流之差，如果是则控制第一开关和第二开关处于断开状态，选取第一滤波电路；否则返回步骤1。

根据本发明实施例，上述并网逆变器的输出滤波方法中，所述投切电流设置为并网逆变器的额定电流的20%，所述回差电流设置为并网逆变器的额定电流的2%。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明并网逆变器采用第一滤波电路和第二滤波电路进行组合滤波，且滤波电路中仅采用了两个开关器件，相比于现有技术中采用四个开关器件的并网逆变器，节省了两个开关器件的使用，减少了开关器件的使用数量，降低了成本。通过对比试验数据可以看出，应用本发明并网逆变器进行输出滤波，在减少开关器件使用数量的情况下，能够实现很好的输出滤波，减小输出电流较小时的输出谐波，增大输出电流较小时的转换效率，不会出现其他切换方式带来的输出阻抗的多次变化情况，降低切换对电网造成的扰动。此外，本发明滤波方法中的切换过程简单，投入切出原则是不需要根据输出功率大小而确定，在输出较小电压电流时电感参数不需额定选取，降低了成本。

附图说明：

图1为本发明并网逆变器的结构图。

图2为本发明并网逆变器的输出滤波方法流程图。

图3为常规滤波与组合滤波效率对比图。

图4为常规滤波与组合滤波谐波对比图。

图中标记：1-电池板，2-直流滤波器，3-三相逆变桥，4-数据采集器，5-控制器，6-交流输出滤波单元。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参考图1，本实施例列举的并网逆变器包括电池板1，电池板连接直流滤波器2，本实施例中直流滤波器2为一滤波电容。直流滤波器2连接三相逆变桥3的输入端，三相逆变桥3的输出端连接交流输出滤波单元6的输入端，交流输出滤波单元6的输出端接入电网。交流输出滤波单元6的输入端还连接有数据采集器4，交流输出滤波单元6与数据采集器4之间设有控制器5。数据采集器4对三相逆变桥3的输出电流进行实时监测，将监测信息反馈至控制器5，控制器5根据反馈信息控制交流输出滤波单元6中的开关K1、K2的通断。

交流输出滤波单元6包括一个LC或LCL滤波器，本实施例中选取LC滤波器，如图1中所示的电感L1、电容C1、开关K1、开关K2，电感L1串联开关K1，电容C1串联开关K2。LC滤波器的电感支路L1串联电感L2，LC滤波器的电容支路C1并联电容C2，LC滤波器、电感L2、电容C2组成交流滤波电路。当开关K1和开关K2均断开时，电感L1、电感L2和电容C1组成第一滤波电路，当开关K1和开关K2均连通时，电感L1、电容C1和电容C2组成第二滤波电路。在小输出电流比率时采用第一滤波电路进行输出滤波，即开关K1和开关K2均断开。在较大输出电流比率时采用第二滤波电路进行输出滤波，即开关K1和开关K2均连通。输出电流比率是指按照额定100%的比率来表征并网逆变器的电流输出能力，此处的小输出电流比率即是指输出电流小于额定电流的20%，此处的较大输出电流比率即是指输出电流大于额定电流的20%。电感L1的参数根据并网逆变器的输出额定电流确定，电感L2的参数按照并网逆变器的额定电流20%设计。

需要说明的是，本实施例列举的并网逆变器中的交流输出滤波单元6中仅包含一个交流滤波电路，一个交流滤波电路包括两种方式的滤波电路（第一滤波电路和第二滤波电路），分别实现在并网逆变器额定电流的20%以内达到一种滤波效果，在并网逆变器额定电流的20%以上达到一种滤波效果。根据并网逆变器的滤波需求，一个交流滤波电路中的电感支路中可串联多个电感、电容支路中可并联多个电容、同时增设开关器件，以实现一个交流滤波电路包含多种方式的滤波电路，实现多级滤波。也可以通过在交流输出滤波单元6中设置多个交流滤波电路，实现多种方式滤波。例如，要求并网逆变器分别在额定电流的10%以内达到一种滤波效果，在额定电流的20%以内达到一种滤波效果，在额定电流的20%以上达到一种滤波效果，那么就可在交流输出滤波单元6中设置两个交流滤波电路，其中一个交流滤波电路实现两组（10%以内和20%以内）滤波效果，另一个交流滤波电路实现第三组（20%以上）滤波效果。

图2是由控制器5执行的输出滤波方法的流程图。设置启动状态字Startflag和投切组合滤波电路状态字Kflag。Startflag=0表示并网逆变器处于断开并网状态，Startflag=1表示并网逆变器处于并网输出状态。Kflag=0表示投入第一滤波电路（即L1+L2、C1）状态，Kflag=1表示投入第二滤波电路（即L1、C1+C2）状态。I1为系统设定的投切电流（即电流投切点），ΔI为系统设定的回差电流。

如图2所示，在并网逆变器开始运行后，执行以下步骤：

步骤B01：对状态字进行初始化，断开K1、K2，Startflag=0，Kflag=0。

步骤B02：进行输出要求检测，判断输出准备是否完成，即判断电网电压、频率、幅值、相位是否符合设定并网要求，且PV阵列电压达到逆变器的最小启动电压，如果不满足条件则进入步骤B03，如果满足条件则跳转到步骤B05。

步骤B03：断开输出过程并清除相应的标志，即断开K1、K2，设置状态字Startflag=0，Kflag=0。

步骤B05：检测Startflag是否为0，即判断并网逆变器是否处于断开并网状态，如果不是则直接跳转到步骤B08执行，如果Startflag=0，即并网逆变器处于断开并网状态，则进入步骤B06。

步骤B06：进行输出预处理，即投入并网开关（即开关K1、K2），使能驱动输出，然后进入步骤B07。

步骤B07：将状态字Startflag置1，然后进入步骤B08。

步骤B08：根据数据采集器采集的三相逆变桥输出的三相电流Ia、Ib、Ic，判断输出三相电流Ia、Ib、Ic的大小，选取最大电流（避免输出电流不平衡问题）作为当前输出电流I，即I=max（Ia,Ib,Ic），然后进入步骤B09。

步骤B09：判断当前输出电流I是否大于设定的投切电流I1，且当前输出电流I与设定的投切电流I1的差值超过设定的回差电流值ΔI，如果超过则进入步骤B10，否则进入步骤B13。

步骤B10：判断是否kflag=1，即判断是否处于第二滤波电路工作状态，如果kflag=1，则表明已经进行过K1、K2的投切过程，即是说开关K1、K2已经从断开状态切换为连通状态，那么直接返回步骤B02，重新下一次判断准备。如果Kflag=0则进入步骤B11。

步骤B11：闭合K1、K2，使K1、K2从断开状态切换为连通状态，然后进入步骤B12。

步骤B12：将Kflag置为1，返回步骤B02，重新下一次判断准备。

步骤B13：判断当前输出电流I是否小于设定的投切电流I1，且当前输出电流I与设定的投切电流I1的差值超过设定的回差电流ΔI，如果不是则直接返回步骤B02，如果是则进入步骤B14。

步骤B14：判定是否Kflag=0，如果是则表明已经进行过K1、K2的断开过程，当前K1、K2处于断开状态，那么直接返回步骤B02，重新下一次判断准备。如果Kflag=1，则执行步骤B15。

步骤B15：断开K1、K2，然后进入步骤B16。

步骤B16：将Kflag置为0，最后返回步骤B02，重新下一次判断准备。

设定的投切电流点I1应与实际系统额定输出能力相关，投切电流点I1可设定为额定输出电流的20%，回差电流ΔI可设定为额定电流的2%。

根据上述流程，控制器5根据三相逆变桥的实时输出电流进行开关K1、K2的通断状态控制，进而选取相应的滤波电路，对并网逆变器的输出进行滤波。

以下经过试验对比说明本发明并网逆变器的实际滤波效果。在对比试验中，并网逆变器的额定电流为1068A，设定投切电流为214A，回差电流为21A，将常规滤波效果（单个LC或LCL滤波方式）与组合滤波效果的转换效率和输出谐波进行综合对比，试验结果如表1所示。

表1

图3和图4分别为常规滤波与组合滤波的效率曲线对比图和谐波曲线对比图，由图3、图4可看出，在低输出电流下组合滤波效果在效率和谐波含量上都明显优于常规滤波效果。本发明并网输出滤波方法在保障组合滤波效果的情况下减少了开关器件的使用数量，降低了设备成本。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种并网逆变器，包括交流输出滤波单元和数据采集器，所述交流输出滤波单元和数据采集器之间设置有控制器，其特征在于，所述数据采集器用于采集三相逆变桥的输出电流，并将采集的电流数据输出至控制器；所述交流输出滤波单元中包括至少一个LC滤波器或LCL滤波器，每个LC滤波器或LCL滤波器的电感支路串联至少一个第二电感，LC滤波器的电容支路并联至少一个第二电容。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，所述输出滤波单元包括一个LC滤波器，所述LC滤波器的第一电感串联第一开关和一个第二电感，LC滤波器的第一电容串联第二开关，第一电容并联一个第二电容；当第一开关和第二开关均断开时，第一电感、第二电感和第一电容组成第一滤波电路；当第一开关和第二开关均连通时，第一电感、第一电容和第二电容组成第二滤波电路；所述控制器通过控制第一开关和第二开关同时断开或连通进行第一滤波电路与第二滤波电路之间的切换。

3.根据权利要求2所述的并网逆变器，其特征在于，所述控制器根据数据采集器采集的三相逆变桥的输出电流控制第一开关和第二开关同时断开或连通。

4.应用权利要求2的并网逆变器进行输出滤波的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据采集器实时采集三相逆变桥的输出电流；

步骤2：控制器根据数据采集器采集的三相逆变桥的输出电流控制交流输出滤波单元中的第一开关和第二开关同时断开或连通，进行第一滤波电路与第二滤波电路之间的切换。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2-1：选取三相逆变桥输出的三个电流中电流值最大的一个电流作为三相逆变桥的当前输出电流；

步骤2-2：判断当前输出电流是否大于设定的投切电流与回差电流之和，如果是则控制第一开关和第二开关处于连通状态，选取第二滤波电路；否则进入步骤2-3；

步骤2-3：进一步判断当前输出电流是否小于设定的投切电流与回差电流之差，如果是则控制第一开关和第二开关处于断开状态，选取第一滤波电路；否则返回步骤1。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，所述投切电流设置为并网逆变器的额定电流的20%，所述回差电流设置为并网逆变器的额定电流的2%。

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