CN105186919A - 非隔离并网变换器、空调系统及变换器控制方法 - Google Patents

非隔离并网变换器、空调系统及变换器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非隔离并网变换器、空调系统及变换器控制方法，属于高效并网变换器领域，为解决现有装置体积大等问题而设计。本发明非隔离并网变换器至少包括整流逆变单元，具有整流、逆变双向功能。本发明空调系统包括上述的非隔离并网变换器。本发明基于上述的非隔离并网变换器的控制方法包括整流模式。本发明非隔离并网变换器采用双向AC/DC变换器来实现整流、PFC及并网功能，取消了隔离变压器、减少了器件数量，体积小。本发明空调系统体积小，能效更高。本发明非隔离并网变换器的控制方法实现低漏电流、高进网电流质量，整流可以提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数。

Description

非隔离并网变换器、空调系统及变换器控制方法
技术领域
本发明涉及高效并网变换器领域，尤其涉及一种非隔离并网变换器、包含有该非隔离并网变换器的空调系统、以及该非隔离并网变换器的控制方法。
背景技术
光伏空调因节能、环保、高效性能等原因而得到越来越多的应用。目前，光伏空调并网环节主要采用隔离变压器和无隔离变压器的非隔离结构来实现光伏电池向电网的电能传递。
采用隔离变压器的光伏空调系统成本高、重量重、体积大，转换效率低等缺点。现有的采用无隔离变压器的非隔离结构的光伏空调系统结构复杂、成本高、控制方法繁琐。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种采用双向AC/DC变换器来实现整流、功率因数校正及并网功能的非隔离并网变换器。
本发明的另一个目的是提出一种包含有上述非隔离并网变换器的空调系统。
本发明的又一个目的是提出一种实现低漏电流、高进网电流质量的非隔离并网变换器的控制方法。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种非隔离并网变换器，所述变换器至少包括整流逆变单元,具有整流、逆变双向功能；整流逆变单元包括相串联的第一电容Cdc1和第二电容Cdc2，相串联的第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6；在第一电容Cdc1和第二电容Cdc2之间形成节点i、在所述第三开关管S3和第四开关管S4之间形成节点g、在所述第四开关管S4和第五开关管S5之间形成节点a、在所述第五开关管S5和第六开关管S6之间形成节点h，在节点g和节点h之间串联有第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4，在第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4之间形成节点b，节点b连接至节点i；节点a和节点b之间串联有第二电感L2和电网电源；其中，第一电容Cdc1的负极分别连接至所述第二开关管S2的发射极、低电平、第六开关管S6的发射极；第一电容Cdc1的正极连接至第二电容Cdc2的负极；第二电容Cdc2的正极分别连接至所述第二续流二极管D2的阴极、所述输出端、所述第三开关管S3的集电极；所述第三开关管S3的发射极分别连接至所述第三钳位二极管D3的阴极和所述第四开关管S4的集电极；所述第四开关管S4的发射极分别连接至所述第二电感L2和所述第五开关管S5的集电极；所述第五开关管S5的发射极分别连接至第四钳位二极管D4的阳极和所述第六开关管S6的集电极。
特别是，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和/或第六开关管S6分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种空调系统，包括空调单元、蓄电池组件、电容支路、交错开关单元和上述的非隔离并网变换器；其中，所述空调单元至少包括负载空调；所述负载空调的第一端接地，第二端连接至所述非隔离并网变换器的输出端；所述电容支路和所述交错开关单元为整体结构；所述蓄电池组件包括蓄电池、蓄电池电容Cbat、第三电感L3、第七开关管S7、第八开关管S8和输出电容Cdc；蓄电池电容Cbat的正极分别连接至蓄电池的正极和第三电感L3的第一端，蓄电池电容Cbat的负极分别连接至蓄电池的负极和所述第七开关管S7的发射极、所述输出电容Cdc的负极、以及低电平；第三电感L3的第二端分别连接至所述第七开关管S7的集电极和所述第八开关管S8的发射极；所述第八开关管S8的集电极分别连接至所述输出电容Cdc的正极、所述空调单元的第二端、以及所述非隔离并网变换器的输出端。
特别是，所述第七开关管S7和第八开关管S8分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
特别是，所述电容支路包括滤波电容Cpv；所述滤波电容Cpv的正极连接至太阳能电池的正极，负极连接至太阳能电池的负极。
特别是，所述交错开关单元用于直流变换和最大功率跟踪；所述交错开关单元包括相串联的第一续流二极管D1和第一开关管S1、以及相串联的第二开关管S2和第二续流二极管D2，所述第一续流二极管D1和第一开关管S1之间形成节点e，第二开关管S2和第二续流二极管D2之间形成节点f，节点e和节点f之间连接有第一电感L1；其中，第一续流二极管D1的阳极分别连接至所述滤波电容Cpv的负极、所述太阳能电池的负极、所述第二开关管S2的发射极、以及低电平；第一开关管S1的集电极分别连接至所述滤波电容Cpv的正极、所述太阳能电池的正极、所述第二续流二极管D2的阴极、以及输出端。
再一方面，本发明采用以下技术方案：
一种基于上述的非隔离并网变换器的控制方法，所述控制方法包括整流模式，当交流输入电网电压处于正半周期时第四开关管S4持续导通，当第三开关管S3导通时交流侧电压Uab＝Udc/2，线电流给第二电容Cdc2充电、且充电电流逐渐减小；当第五开关管S5导通时交流侧电压Uab＝0，线电流线性增加、且直流侧的第一电容Cdc1和所述第二电容Cdc2同时放电；当交流输入电网电压处于负半周期时第五开关管S5持续导通，当第四开关管S4导通时交流侧电压Uab＝0；当第六开关管S6导通时交流侧电压Uab＝-Udc/2。
特别是，所述控制方法包括逆变模式，当第三开关管S3和第四开关管S4同时导通时所述非隔离并网变换器输出正电压，当第四开关管S4和第五开关管S5同时导通时所述非隔离并网变换器输出零电压，当第五开关管S5和第六开关管S6同时导通时所述非隔离并网变换器输出负电压。
本发明非隔离并网变换器至少包括整流逆变单元，采用双向AC/DC变换器来实现整流、PFC(功率因数校正)及并网功能，取消了隔离变压器、减少了器件数量，结构更紧凑、体积小、转换效率更高。
本发明空调系统包括上述非隔离并网变换器，系统体积小、生产成本低，能效更高。
本发明非隔离并网变换器的控制方法包括整流模式和逆变模式，实现低漏电流、高进网电流质量，整流可以提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数。
附图说明
图1是本发明优选实施例一提供的非隔离并网变换器的电路示意图；
图2是本发明优选实施例一提供的共模电流通路的电路示意图；
图3至图5是本发明优选实施例一提供的双向AC/DC三电平整流的三种有效开关状态示意图；
图6至图8是本发明优选实施例一提供的双向AC/DC三电平逆变的三种有效开关状态示意图；
图9是本发明优选实施例一提供的空调系统的电路示意图。
图中标记为：
1、电容支路；2、交错开关单元；3、整流逆变单元；4、空调单元；5、非隔离并网变换器；41、蓄电池组件；42、负载空调。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例一：
本优选实施例公开一种非隔离并网变换器，如图1所示，变换器至少包括整流逆变单元3,具有整流、逆变双向功能。
整流逆变单元3包括相串联的第一电容Cdc1和第二电容Cdc2，相串联的第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6；在第一电容Cdc1和第二电容Cdc2之间形成节点i、在第三开关管S3和第四开关管S4之间形成节点g、在第四开关管S4和第五开关管S5之间形成节点a、在第五开关管S5和第六开关管S6之间形成节点h；在节点g和节点h之间串联有第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4，用于保证开关管关断时仅承受输入电压的一半。在第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4之间形成节点b，节点b连接至节点i；节点a和节点b之间串联有第二电感L2和电网电源。
其中，第一电容Cdc1的负极分别连接至第二开关管S2的发射极、低电平、第六开关管S6的发射极；第一电容Cdc1的正极连接至第二电容Cdc2的负极；第二电容Cdc2的正极分别连接至第二续流二极管D2的阴极、输出端、第三开关管S3的集电极；第三开关管S3的发射极分别连接至第三钳位二极管D3的阴极和第四开关管S4的集电极；第四开关管S4的发射极分别连接至第二电感L2和第五开关管S5的集电极；第五开关管S5的发射极分别连接至第四钳位二极管D4的阳极和第六开关管S6的集电极。
如图2所示，采用非隔离变换器5的结构会导致电池板和电网之间存在电气连接，在电池板和地之间产生寄生电容，在回路中产生的共模电流，即漏电流。在本发明中，基于箝位二极管的三电平变换器拓扑结构具有弥补由无隔离变压器带来的漏电流和进网直流分量问题，可以实现如单极性SPWM全桥变换器一样的差模输出电压、开关器件电压应力低；即，采用半桥三电平结构替代原先全桥逆变结构。此外，采用双向AC/DC三电平变换器实现并网、整流弥补传统拓扑结构中的电路结构复杂及功率密度低等不足。
第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和/或第六开关管S6分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
基于上述非隔离并网变换器的控制方法包括整流模式，当交流输入电网电压处于正半周期时第四开关管S4持续导通。如图3中粗线条所示，当第三开关管S3导通时交流侧电压Uab＝Udc/2，线电流给第二电容Cdc2充电、且充电电流逐渐减小；如图4中粗线条所示，当第五开关管S5导通时交流侧电压Uab＝0，线电流线性增加、且直流侧的第一电容Cdc1和第二电容Cdc2同时放电。当交流输入电网电压处于负半周期时第五开关管S5持续导通，如图4中粗线条所示，当第四开关管S4导通时交流侧电压Uab＝0；如图5中粗线条所示，当第六开关管S6导通时交流侧电压Uab＝-Udc/2。
控制方法包括逆变模式，如图6中粗线条所示，当第三开关管S3和第四开关管S4同时导通时非隔离并网变换器5输出正电压；如图7中粗线条所示，当第四开关管S4和第五开关管S5同时导通时非隔离并网变换器5输出零电压；如图8中粗线条所示，当第五开关管S5和第六开关管S6同时导通时非隔离并网变换器5输出负电压。
本发明中采用双管Buck-Boost拓扑结构，应用交错开关方式控制第一开关管S1、第二开关管S2、，当Upv>Udc时出现Upv-Udc、0、-Udc三种电平，当Upv<Udc时出现Upv、0、Upv-Udc三种电平，有效降低了电感电流脉动，有利于减小电感体积，能升降压。为了实现太阳能的最大功率跟踪(MPPT)，采用双模控制算法(固定电压+扰动算法)，工作效果好。
本发明变换器可以实现低漏电流、高进网电流质量，整流可以提高耐压等级，降低交流谐波电压、电流，提高功率因数；双管Buck-Boost变换器能降低输出脉动及减小滤波电感。
优选实施例二：
本优选实施例公开一种空调系统。如图9所示，空调系统包括空调单元4、蓄电池组件41、电容支路1、交错开关单元2和上述的非隔离并网变换器5；其中，空调单元4包括负载空调42(PMSM)；负载空调42的第一端接地，第二端连接至非隔离并网变换器的输出端。电容支路1和交错开关单元2为整体结构。
电容支路1包括滤波电容Cpv；滤波电容Cpv的正极连接至太阳能电池的正极，负极连接至太阳能电池的负极。
交错开关单元2包括相串联的第一续流二极管D1和第一开关管S1、以及相串联的第二开关管S2和第二续流二极管D2，第一续流二极管D1和第一开关管S1之间形成节点e，第二开关管S2和第二续流二极管D2之间形成节点f，节点e和节点f之间连接有第一电感L1。
其中，第一续流二极管D1的阳极分别连接至滤波电容Cpv的负极、太阳能电池的负极、第二开关管S2的发射极、以及低电平；第一开关管S1的集电极分别连接至滤波电容Cpv的正极、太阳能电池的正极、第二续流二极管D2的阴极、以及输出端。
蓄电池组件41包括蓄电池、蓄电池电容Cbat、第三电感L3、第七开关管S7、第八开关管S8和输出电容Cdc；蓄电池电容Cbat的正极分别连接至蓄电池的正极和第三电感L3的第一端，蓄电池电容Cbat的负极分别连接至蓄电池的负极和第七开关管S7的发射极、输出电容Cdc的负极、以及低电平；第三电感L3的第二端分别连接至第七开关管S7的集电极和第八开关管S8的发射极；第八开关管S8的集电极分别连接至输出电容Cdc的正极、空调单元的第二端、以及非隔离并网变换器的输出端。
第七开关管S7和第八开关管S8分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
系统电能协调控制策略稳态功率模型为：Ppv+Pgrid＝Pbt+Pload，其中Ppv为太阳能电池输出功率；Pgrid为电网输出功率，当电网提供电能时大于零，回馈电能时小于零；Pbt为蓄电池输出电能，处于充电模式时大于零，处于放电模式时小于零；Pload为负载消耗的功率，本文涉及负载为空调系统。
电能流动过程为：
1、当光线不足时，即Ppv<Pbt+Pload，即Pgrid>0，此时太阳能与市电混合为空调及蓄电池供电；2、当光线充足或轻载运行时，即Ppv>Pbt+Pload，即Pgrid<0，此时系统向电网回馈电能；3、当电网出现异常时，即Pgrid＝0，当光线不足，即Ppv<Pload，此时Pbt<0，即空调系统由蓄电池和太阳能联合供电；4、当光线充足或轻载运行时，即Ppv>Pload，此时Pbt>0，系统允许给蓄电池充电，同时保持直流母线电压的稳定。
传统光伏空调及系统拓扑结构中采用不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统，而含蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统不仅具有不间断电源的作用(UPS)而且还可以作为电网终端的有源功率调节器用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压，同时也可以抵消有害的高次谐波分量，有益于提高电能。本发明中采用Buck-Boost拓扑，实现双向充放电控制。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种非隔离并网变换器，其特征在于，所述变换器至少包括整流逆变单元(3)，具有整流、逆变双向功能；其中，
整流逆变单元(3)包括相串联的第一电容Cdc1和第二电容Cdc2，相串联的第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6；在第一电容Cdc1和第二电容Cdc2之间形成节点i、在所述第三开关管S3和第四开关管S4之间形成节点g、在所述第四开关管S4和第五开关管S5之间形成节点a、在所述第五开关管S5和第六开关管S6之间形成节点h，在节点g和节点h之间串联有第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4，在第三钳位二极管D3和第四钳位二极管D4之间形成节点b，节点b连接至节点i；节点a和节点b之间串联有第二电感L2和电网电源；
其中，第一电容Cdc1的负极分别连接至所述第二开关管S2的发射极、低电平、第六开关管S6的发射极；第一电容Cdc1的正极连接至第二电容Cdc2的负极；第二电容Cdc2的正极分别连接至所述第二续流二极管D2的阴极、所述输出端、所述第三开关管S3的集电极；所述第三开关管S3的发射极分别连接至所述第三钳位二极管D3的阴极和所述第四开关管S4的集电极；所述第四开关管S4的发射极分别连接至所述第二电感L2和所述第五开关管S5的集电极；所述第五开关管S5的发射极分别连接至第四钳位二极管D4的阳极和所述第六开关管S6的集电极。
2.根据权利要求1所述的非隔离并网变换器，其特征在于，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和/或第六开关管S6分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
3.一种空调系统，其特征在于，包括空调单元(4)、蓄电池组件(41)、电容支路(1)、交错开关单元(2)和如权利要求1或2所述的非隔离并网变换器(5)；其中，所述空调单元(4)至少包括负载空调(42)；所述负载空调(42)的第一端接地，第二端连接至所述非隔离并网变换器的输出端；所述电容支路(1)和所述交错开关单元(2)为整体结构；
所述蓄电池组件(41)包括蓄电池、蓄电池电容Cbat、第三电感L3、第七开关管S7、第八开关管S8和输出电容Cdc；蓄电池电容Cbat的正极分别连接至蓄电池的正极和第三电感L3的第一端，蓄电池电容Cbat的负极分别连接至蓄电池的负极和所述第七开关管S7的发射极、所述输出电容Cdc的负极、以及低电平；第三电感L3的第二端分别连接至所述第七开关管S7的集电极和所述第八开关管S8的发射极；所述第八开关管S8的集电极分别连接至所述输出电容Cdc的正极、所述空调单元的第二端、以及所述非隔离并网变换器的输出端。
4.根据权利要求3所述的空调系统，其特征在于，所述第七开关管S7和第八开关管S8分别由一个IGBT和一个续流二极管组成；每个续流二极管的阳极连接至相应IGBT的发射极，每个续流二极管的阴极连接至相应IGBT的集电极。
5.根据权利要求3或4所述的空调系统，其特征在于，所述电容支路(1)包括滤波电容Cpv；所述滤波电容Cpv的正极连接至太阳能电池的正极，负极连接至太阳能电池的负极。
6.根据权利要求3或4所述的空调系统，其特征在于，所述交错开关单元(2)用于直流变换和最大功率跟踪；所述交错开关单元(2)包括相串联的第一续流二极管D1和第一开关管S1、以及相串联的第二开关管S2和第二续流二极管D2，所述第一续流二极管D1和第一开关管S1之间形成节点e，第二开关管S2和第二续流二极管D2之间形成节点f，节点e和节点f之间连接有第一电感L1；
其中，第一续流二极管D1的阳极分别连接至所述滤波电容Cpv的负极、所述太阳能电池的负极、所述第二开关管S2的发射极、以及低电平；第一开关管S1的集电极分别连接至所述滤波电容Cpv的正极、所述太阳能电池的正极、所述第二续流二极管D2的阴极、以及输出端。
7.一种基于权利要求1或2所述的非隔离并网变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括整流模式，当交流输入电网电压处于正半周期时第四开关管S4持续导通，当第三开关管S3导通时交流侧电压Uab＝Udc/2，线电流给第二电容Cdc2充电、且充电电流逐渐减小；当第五开关管S5导通时交流侧电压Uab＝0，线电流线性增加、且直流侧的第一电容Cdc1和所述第二电容Cdc2同时放电；
当交流输入电网电压处于负半周期时第五开关管S5持续导通，当第四开关管S4导通时交流侧电压Uab＝0；当第六开关管S6导通时交流侧电压Uab＝-Udc/2。
8.根据权利要求7所述的非隔离并网变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括逆变模式，当所述第三开关管S3和第四开关管S4同时导通时所述非隔离并网变换器(5)输出正电压，当所述第四开关管S4和第五开关管S5同时导通时所述非隔离并网变换器(5)输出零电压，当所述第五开关管S5和第六开关管S6同时导通时所述非隔离并网变换器(5)输出负电压。
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