CN104467021B - 一种三相多方向并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相多方向并网逆变器，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的A桥臂、B桥臂、C桥臂以及N桥臂，每个桥臂均由两个IGBT串联组成，每个桥臂的中点A、B、C、N分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，用于连接负载继电器的输入端；所述控制器用于采集所述滤波电路的信号；所述控制器用于控制所述功率变换电路的输出；所述控制器用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网。本发明具有功能全，利用率高，实时性高，可靠性强等优点。

Description

一种三相多方向并网逆变器

技术领域

本发明涉及一种逆变器，特别是一种具有并网逆变、为本地负载供电、反向充电功能的三相多方向并网逆变器。

背景技术

能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进步，都离不开能源的改进和更替。2012年6月，著名的美国经济学家杰里米·里夫金提出，世界即将步入“后碳”时代，以互联网技术和可再生能源相结合为特征的第三次工业革命将是人类可持续发展、避免灾难性气候变化的希望。我国正在从战略上调整目前的能源结构，大力研究开发清洁可再生能源技术，包括风能、太阳能、氢能等能源的开发与应用。在国家政策的大力引导下，风能、太阳能的开发与利用得到了迅猛的发展。2013年2月，国家电网公司发布《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，明确指出家庭用户不但能用风能、太阳能等新能源发电装置给自己供电，还可以将用不完的电卖给电网。

新能源发电技术的高速发展促使分布式发电技术也突飞猛进，分布式发电系统的建立促使了新型电网的建设，提升了传统电网的稳定性与可靠性。三相并网逆变器是分布式发电系统的核心部件，对其进行研究具有重要意义。

目前的三相并网逆变器只是工作在并网模式，也就是在电网正常时，将太阳能、风能等新能源所产生的电能并入到电网，跟电网一起向负荷供电；当电网断电或发生故障时，逆变器停机保护，分布式发电也中止，起不到备用电源的作用。实际的需求是当电网断电时，分布式发电系统继续工作，并网逆变器必须与电网断开连接，并且独立运行为负荷正常供电；当电网电量过剩时，逆变器可反向工作，将电网的交流电变换为直流，储存至电池。因此，并网逆变器需要有多种工作模式及多个电力变换方向。

由于新能源发电系统规模正在日益增大，对三相并网逆变器的需求日益增多，进而对三相并网逆变器的研究也就日益深入。对三相并网逆变器来说，保证其三相输出的对称性，是对其最基本的一个要求。在电力电子领域中所指的三相不平衡通常指的有两种不平衡，第一种是三相负载不平衡，这种不平衡也就是三相并网逆变器中所指的三相不平衡，造成这种不平衡的原因在于逆变器的输出端接的三相负载的大小不一样，这样就会导致输出电压矢量的中心点偏移，使得每一相的输出电压差异很大，造成所谓的逆变器三相输出不平衡；第二种是三相电源不平衡，这种不平衡产生的原因是接入电力系统中的三相电动势差异很大，也就是说电网电压的三相电压之间差异很大，因而造成用户端得到的三相电之间的电压也是相差很大的，这就会对用户的正常用电产生极大的影响。从根本上来说，三相电源的不平衡是由于三相负载不平衡引起的，很多用电设备是单相的，当三相电网某一相上的负荷大于或小于其它相时，就会造成三相负载不平衡，从而引起三相电源不平衡，造成电网的不稳定。

因此，有必要提供一种改进的三相多方向并网逆变器，来克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种将直流电逆变为交流，为本地三相四线制负载供电；并入电网，为电网供电；将电网的交流电变换为直流为蓄电池充电的三相多方向逆变器。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种三相多方向并网逆变器，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的A桥臂、B桥臂、C桥臂以及N桥臂，每个桥臂均由两个IGBT串联组成，每个桥臂的中点A、B、C分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，用于连接负载继电器的输入端；所述控制器包括信号采集与处理单元，信号采集与处理单元与所述滤波电路相连接，用于采集所述滤波电路的信号；所述控制器包括PWM驱动单元，PWM驱动单元与所述功率变换电路中的每个IGBT的控制端相连接，用于控制所述功率变换电路的输出；所述控制器包括继电器控制单元，继电器控制单元用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网。

所述滤波电路包括三个T形滤波器和一个电感，所述三个T形滤波器的输入正端分别与所述功率变换电路的A桥臂、B桥臂、C桥臂的中点A、B、C相连，所述三个T形滤波器的输出正端分别作为三相电源的A相、B相、C相输出；所述电感的一端与所述功率变换电路的N桥臂的中点N相接，所述电感的另一端和所述三个T形滤波器的负端相连接，作为三相电源的零线N输出。

所述控制器包括PWM驱动单元、DSP电路、双口RAM电路、FPGA电路、信号采集与处理单元、继电器控制单元和人机接口，所述DSP电路通过双口RAM电路、FPGA电路以与人机接口相连，所述DSP电路通过信号采集与处理单元与所述滤波电路相接，用于采集所述滤波电路的信号，所述DSP电路通过PWM驱动单元与所述功率变换电路相连接，用于控制所述功率变换电路的输出，所述DSP电路和FPGA电路分别与继电器控制单元连接，用于控制负载继电器和并网继电器的通断。

所述T形滤波器包括第一电感、第二电感以及电容，所述第一电感与第二电感串联，所述串联的第一电感与第二电感的一端作为T形滤波器输入正端，所述串联的第一电感与第二电感的另一端作为T形滤波器输出正端，所述串联的第一电感与第二电感的串联端与所述电容的一端相连，所述电容的另一端作为T形滤波器的负端。

与现有技术相比，本发明三相多方向并网逆变器同时具有并网逆变、本地负载独立供电、反向充电等工作模式，功能全，并且各工作模式可无缝切换。由于采用了三相四桥臂结构，逆变时直流电压利用率高。滤波电流处理引入了电容电流反馈，消除了谐振。控制器采用了DSP+FPGA结构，采集与计算分别在DSP和FPGA中进行，并且同时控制并网继电器的通断，实时性高，可靠性强。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图1所示，本发明三相多方向并网逆变器包括功率变换电路200、滤波电路400、控制器100、本发明用于连接负载继电器500、并网继电器600及蓄电池300。

所述功率变换电路200包括并联连接的A桥臂、B桥臂、C桥臂及N桥臂，A桥臂由第一IBGT 211与第二IGBT 212串联组成，B、C、N桥臂分别由IGBT 221与IGBT222、IGBT231与IGBT232、IGBT241与IGBT242串联组成。

所述滤波电路400A相第一电感411一端接A桥臂IBGT 211与IGBT 212的连接处，另一端接A相第二电感412及电容413的一端；B相第一电感421一端接B桥臂IGBT 221与IGBT222的连接处，另一端接B相第二电感422及电容423的一端；C相第一电感431一端接C桥臂IGBT231与IGBT232的连接处，另一端接C相第二电感432及电容433的一端；电感440一端接N桥臂IGBT241与IGBT242的连接处，另一端与电容413、电容423、电容433的另端及电网零线相连。电感412、电感422、电感432的另一端经负载继电器500与负载700相连，再经并网继电器600与电网A、B、C相相连。

所述控制器100包括依次相连的PWM驱动单元170、DSP电路110、双口RAM电路120、FPGA电路130、信号采集与处理单元160、继电器控制单元150和人机接口140，所述的DSP电路110通过双口RAM电路120与FPGA电路130相连。所述的信号采集与处理单元160将采集的模拟量进行滤波后输入所述的DSP电路110，DSP电路110将模拟信号进行A/D转换后传送给所述的双口RAM电路120，FPGA电路130通过双口RAM读取采集的数据，根据该数据计算功率变换电路200中八个IGBT的导通占空比，并将占空比写入双口RAM电路120，所述的DSP电路110通过双口RAM电路120读取IGBT 211～242的占空比数据，并经PWM驱动单元170控制八个IGBT 211～242的开通与关断。

所述的三相多方向并网逆变器，当逆变器工作于为本地负载700独立供电模式时,并网继电器600断开，所述功率变换电路200的四个桥臂共同工作，运行于三相四桥臂模式，三相输出电压可独立解耦控制，直流电压利用率高；当逆变器工作于并网逆变模式或充电模式时，断开N桥臂的IGBT 241及IGBT 242，逆变器运行于三相三桥臂状态，以降低IGBT功耗，提高能量转换效率。

所述的三相多方向并网逆变器，断开A、B、C三个桥臂的第一IGBT、N桥臂的第一及第二IGBT，根据蓄电池300电压及电网三相电压的实时值调节A、B、C三个桥臂第二IGBT的通断，所述的三相多方向并网逆变器工作于DC/DC升压变换模式，即由电网向蓄电池300充电。

所述的控制器100控制所述DSP电路110和FPGA电路130经继电器控制单元150，控制负载继电器500、并网继电器600的闭合与断开：DSP电路110和FPGA电路130对负载继电器500的控制信号串联后共同控制负载继电器500，DSP电路110和FPGA电路130对并网继电器600的控制信号串联后共同控制并网继电器600。只要DSP电路110和FPGA电路130中的一方断开负载继电器500和并网继电器600，则负载继电器500和并网继电器600立即断开。

DSP电路110和FPGA电路130在双口RAM电路120上分别分配一个生命值存储单元，并周期性地将各自的生命值存储单元加1，DSP电路110和FPGA电路130实时检测对方生命值存储单元中的值，发现不再变化后，判定对方死机，立即断开负载继电器500和并网继电器600，以保证安全。

所述信号采集与处理单元160包括多个传感器，多个传感器分别安装在所述蓄电池300、滤波电路400和并网继电器600上，用于对蓄电池300的电压值和电流值、电感412、电感422、电感432上的电流值和相对于零线的电压值、电容413、电容423、电容433上的电流值、超级电容220的电压值和电流值、以及电网A、B、C三相的相电压进行实时测量以及对测量的信号进行滤波处理。所述信号采集与处理单元160包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、以及二阶低通有源滤波电路。

所述的控制器100采集到的滤波电路400中A相第二电感412、B相第二电感422、C相第二电感432上的电流后，不直接用于控制，将其减去对应电容上的电流的导数乘以一个系数后再用于控制，模拟电容支路存在阻抗，消除谐振。其修正公式如下：

$i_{a2}^{\′}=i_{a2}-{\mathrm{\λ}}_a\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$i_{b2}^{\′}=i_{b2}-{\mathrm{\λ}}_b\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cb}}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

$i_{c2}^{\′}=i_{c2}-{\mathrm{\λ}}_c\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cc}}}{\mathrm{dt}}----\left(3\right)$

其中，i_a2,i_b2,i_c2分别为电感L_a2,L_b2,L_c2上的电流，i′_a2,i′_b2,i′_c2为修正后的电流,i_ca,i_cb,i_cc分别为电容C_a,C_b,C_c上的电流，λ_a,λ_b,λ_c为修正系数。

本发明三相多方向并网逆变器同时具有并网逆变、本地负载独立供电、反向充电等工作模式，功能全，并且各工作模式可无缝切换。由于采用了三相四桥臂结构，逆变时直流电压利用率高。滤波电流处理引入了电容电流反馈，消除了谐振。控制器采用了DSP+FPGA结构，采集与计算分别在DSP和FPGA中进行，并且同时控制并网继电器的通断，实时性高，可靠性强。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (1)

1.一种三相多方向并网逆变器，其特征在于，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的A桥臂、B桥臂、C桥臂以及N桥臂，每个桥臂均由两个IGBT串联组成，每个桥臂的中点A、B、C分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，用于连接负载继电器的输入端；所述控制器包括信号采集与处理单元，信号采集与处理单元与所述滤波电路相连接，用于采集所述滤波电路的信号；所述控制器包括PWM驱动单元，PWM驱动单元与所述功率变换电路中的每个IGBT的控制端相连接，用于控制所述功率变换电路的输出；所述控制器包括继电器控制单元，继电器控制单元用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网；

所述滤波电路包括三个T形滤波器和一个电感滤波器，所述三个T形滤波器的输入正端分别与所述功率变换电路的A桥臂、B桥臂、C桥臂的中点A、B、C相连，所述三个T形滤波器的输出正端分别作为三相电源的A相、B相、C相输出；所述电感滤波器的一端与所述功率变换电路的N桥臂的中点N相接，所述电感滤波器的另一端和所述三个T形滤波器的负端相连接，作为三相电源的零线N输出；

所述控制器包括PWM驱动单元、DSP电路、双口RAM电路、FPGA电路、信号采集与处理单元、继电器控制单元和人机接口，所述DSP电路通过双口RAM电路、FPGA电路以与人机接口相连，所述DSP电路通过信号采集与处理单元与所述滤波电路相接，用于采集所述滤波电路的信号，所述DSP电路通过PWM驱动单元与所述功率变换电路相连接，用于控制所述功率变换电路的输出，所述DSP电路和FPGA电路分别与继电器控制单元连接，用于控制负载继电器和并网继电器的通断；

所述第一T形滤波器包括第一电感、第二电感以及第一电容，所述第一电感与第二电感串联，所述串联的第一电感与第二电感的一端作为T形滤波器输入正端，所述串联的第一电感与第二电感的另一端作为T形滤波器输出正端，所述串联的第一电感与第二电感的串联端与所述第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端作为T形滤波器的负端；

所述第二T形滤波器包括第三电感、第四电感以及第二电容，所述第三电感与第四电感串联，所述串联的第三电感与第四电感的一端作为T形滤波器输入正端，所述串联的第三电感与第四电感的另一端作为T形滤波器输出正端，所述串联的第三电感与第四电感的串联端与所述第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端作为T形滤波器的负端；

所述第三T形滤波器包括第五电感、第六电感以及第三电容，所述第五电感与第六电感串联，所述串联的第五电感与第六电感的一端作为T形滤波器输入正端，所述串联的第五电感与第六电感的另一端作为T形滤波器输出正端，所述串联的第五电感与第六电感的串联端与所述第三电容的一端相连，所述第三电容的另一端作为T形滤波器的负端；

所述的控制器采集到的所述滤波电路中第二电感、第四电感、第六电感上的电流后，不直接用于控制，将其分别减去对应电容上的电流的导数乘以一个系数后再用于控制；修正公式如下：

$i_{a2}^{\′}=i_{a2}-{\mathrm{\λ}}_a\frac{{\mathrm{di}}_{ca}}{dt}---\left(1\right)$

$i_{b2}^{\′}=i_{b2}-{\mathrm{\λ}}_b\frac{{\mathrm{di}}_{cb}}{dt}---\left(2\right)$

$i_{c2}^{\′}=i_{c2}-{\mathrm{\λ}}_c\frac{{\mathrm{di}}_{cc}}{dt}---\left(3\right)$

其中，i_a2,i_b2,i_c2分别为第二电感、第四电感、第六电感上的电流，i′_a2,i′_b2,i′_c2为修正后的电流，i_ca,i_cb,i_cc分别为第一电容、第二电容、第三电容上的电流，λ_a,λ_b,λ_c为修正系数。