CN106300991A - 消除直流输入端纹波的单相逆变器及太阳能光伏发电系统 - Google Patents

消除直流输入端纹波的单相逆变器及太阳能光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种消除直流输入端纹波的单相逆变器，连于直流输入和交流输出间，包括：直流检测电路；交流检测电路；直流‑直流转换电路；直流‑交流转换电路；电力转换控制电路；纹波消除单元，根据输入直流电信号和输出交流电信号消除直流输入端的纹波；其中，纹波消除单元包括：纹波控制器，根据输入直流电信号和输出交流电信号控制纹波消除单元的工作模式；能量储存单元，储存或释放直流输入端的能量；能量储存控制器，控制能量储存单元的开关。本发明还提供一种太阳能光伏发电系统。本发明利用纹波消除单元检测纹波功率，控制转换电路的工作模式，电容上的电压随能量波形变化，可被控制为等于纹波功率，实现充放电，消除直流输入端的纹波。

Description

消除直流输入端纹波的单相逆变器及太阳能光伏发电系统
技术领域
本发明涉及电力转换技术领域，具体来说，本发明涉及一种消除直流输入端纹波的单相逆变器及太阳能光伏发电系统。
背景技术
很多可再生能源产生直流电，例如太阳能光伏和化学电池。直流电通过逆变器转换为固定频率的正弦交流电，传输给电网或者离网使用。
太阳能光伏发电系统的逆变器最近趋向于采用分布式的微型逆变器(微逆变器)。微型逆变器对每个直流光伏组件提供最大功率点控制，从而使每个直流光伏组件产生最大的能量，提高整个太阳能光伏发电系统的性能。另外，微型逆变器还能产生交流低压输出，而不是中心式逆变器系统的高直流电压输出，提高了系统的安全性和工作效率。
图1为现有技术中的一个单相逆变器的结构示意图。如图所示，该单相逆变器100连接在太阳能板101和电网102之间，其可以包括直流检测电路103、直流-直流转换电路104、直流-交流转换电路105、交流检测电路106以及电力转换控制电路107。其中，直流检测电路103与太阳能板101相连接，用于检测输入的直流电信号(至少包括输入电压和电流)；交流检测电路106与电网102相连接，用于检测输出的交流电信号(至少包括输出电压和电流)；直流-直流转换电路104与直流检测电路103相连接，用于对直流电信号进行升压与稳压；直流-交流转换电路105分别与直流-直流转换电路104和交流检测电路106相连接，用于将直流电转换成交流电；以及电力转换控制电路107分别与直流检测电路103、交流检测电路106、直流-直流转换电路104和直流-交流转换电路105相连接，根据输入电压和电流以及输出电压和电流通过基准电流控制开关(未图示)，使逆变器100产生与电网102的交流电压同相位的输出交流电。
单相逆变器的一个基本特性是：电源和负载间的能量传输包括平均能量和双倍频率的纹波。逆变器希望从直流电源获取没有纹波的直流电，然后将平均能量和纹波能量传给输出负载，这样就要求逆变器里有能量存储单元来处理纹波能量。在如图1所示的现有技术的单相逆变器的结构示意图中，逆变器100产生和交流电网102能量同相的输出功率，所以输出能量在零和峰值输出功率之间震荡。在逆变器100的输出功率为零时，光伏组件的电流不流过逆变器100，所以给存储电容充电；在逆变器100的输出功率为峰值时，存储电容放电补充光伏组件的功率，使峰值达到平均值的两倍。所以，存储电容的充放电形成了光伏组件提供的直流电之上附加的交流成分，叫做纹波功率。
为管理双倍频率的纹波功率，能量需要被在两倍的频率存储和释放。为避免能量交换造成大的电压纹波，需要使用大的电容C。图2为现有技术中的一个单相反激逆变器的简单电路结构示意图。如图所示，该单相反激逆变器200的直流输入端设置有大的电容C，来减小能量存储和释放产生的纹波电压。这里的单相反激逆变器200以单路反激为例，但两路或多路地交错反激也是类似的情况。
通常逆变器采用在直流主线的大容量电解电容作为被动滤波器，但电解电容有多种失效模式，特别是纹波电流造成电容内部自热，减少寿命。主动滤波电路被广泛研究来替代被动方法，通过分开的能量变换电路来提供另一个纹波，该纹波抵消掉双频率纹波功率，但该方法需要复杂的电路和控制方法。
所以，需要能简单地消除单相逆变器中直流侧输入端的纹波功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种消除直流输入端纹波的单相逆变器及太阳能光伏发电系统，可以简单地消除单相逆变器直流侧输入端的纹波功率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种消除直流输入端纹波的单相逆变器，连接于直流输入和交流输出之间，包括：
直流检测电路，与所述直流输入相连接，用于检测输入的直流电信号；
交流检测电路，与所述交流输出相连接，用于检测输出的交流电信号；
直流-直流转换电路，与所述直流检测电路相连接，用于对所述直流电信号进行升压；
直流-交流转换电路，分别与直流-直流转换电路和交流检测电路相连接，用于将所述直流电转换成所述交流电；
电力转换控制电路，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路、所述直流-直流转换电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使所述单相逆变器产生与所述交流电压同相位的输出交流电；以及
纹波消除单元，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除所述单相逆变器直流输入端的纹波；
其中，所述纹波消除单元包括：
纹波控制器，分别与所述直流检测电路和所述交流检测电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制所述纹波消除单元的工作模式；
能量储存单元，与所述直流-直流转换电路相连接，用于储存或者释放所述直流输入端的能量；以及
能量储存控制器，分别与所述纹波控制器和所述能量储存单元相连接，用于根据所述纹波控制器的指令，控制所述能量储存单元的开关，实行所述能量的储存和释放。
可选地，所述能量储存单元为升压-降压双向转换器。
可选地，所述能量储存单元包括所述转换器的副边线圈、电感、电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中：
所述副边线圈与所述转换器的主边线圈相耦合；
所述电感的第一端与所述副边线圈的第一端相连接，所述电感的第二端通过所述第二开关管连接到所述电容的第一端；
所述电容的第二端连接到所述副边线圈的第二端；
所述第一开关管跨接在所述电感的第二端和所述副边线圈的第二端之间；
所述第一开关管和所述第二开关管分别通过所述能量储存控制器控制其开关，实行所述能量的储存和释放；
所述第一二极管和所述第二二极管分别并联在所述第一开关管和所述第二开关管两端，所述第一二极管的正极连接到所述副边线圈的第二端，所述第一二极管的负极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的正极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的负极连接到所述电容的第一端。
可选地，所述纹波消除单元的工作模式包括：充电模式和放电模式。
可选地，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器集成在同一电路里。
可选地，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器以FPGA、CPU、MCU、DSP或者ASIC实现。
相应地，本发明还提供一种太阳能光伏发电系统，包括一个或者多个单相逆变器，所述单相逆变器连接于太阳能板和电网之间，所述单相逆变器包括：
直流检测电路，与所述太阳能板相连接，用于检测输入的直流电信号；
交流检测电路，与所述电网相连接，用于检测输出的交流电信号；
直流-直流转换电路，与所述直流检测电路相连接，用于对所述直流电信号进行升压；
直流-交流转换电路，分别与直流-直流转换电路和交流检测电路相连接，用于将所述直流电转换成所述交流电；
电力转换控制电路，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路、所述直流-直流转换电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使所述单相逆变器产生与所述交流电压同相位的输出交流电；以及
纹波消除单元，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除所述单相逆变器直流输入端的纹波；
其中，所述纹波消除单元包括：
纹波控制器，分别与所述直流检测电路和所述交流检测电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制所述纹波消除单元的工作模式；
能量储存单元，与所述直流-直流转换电路相连接，用于储存或者释放所述直流输入端的能量；以及
能量储存控制器，分别与所述纹波控制器和所述能量储存单元相连接，用于根据所述纹波控制器的指令，控制所述能量储存单元的开关，实行所述能量的储存和释放。
可选地，所述能量储存单元为升压-降压双向转换器。
可选地，所述能量储存单元包括所述转换器的副边线圈、电感、电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中：
所述副边线圈与所述转换器的主边线圈相耦合；
所述电感的第一端与所述副边线圈的第一端相连接，所述电感的第二端通过所述第二开关管连接到所述电容的第一端；
所述电容的第二端连接到所述副边线圈的第二端；
所述第一开关管跨接在所述电感的第二端和所述副边线圈的第二端之间；
所述第一开关管和所述第二开关管分别通过所述能量储存控制器控制其开关，实行所述能量的储存和释放；
所述第一二极管和所述第二二极管分别并联在所述第一开关管和所述第二开关管两端，所述第一二极管的正极连接到所述副边线圈的第二端，所述第一二极管的负极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的正极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的负极连接到所述电容的第一端。
可选地，所述纹波消除单元的工作模式包括：充电模式和放电模式。
可选地，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器集成在同一电路里。
可选地，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器以FPGA、CPU、MCU、DSP或者ASIC实现。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的单相逆变器增加了纹波消除单元，通过检测纹波功率，控制能量储存单元里转换电路的工作模式。当输入直流功率高于输出功率时，为充电模式，能量储存单元储存能量。当输入直流功率低于输出功率时，为放电模式，能量储存单元释放能量补充给输出端。通过控制纹波消除单元内转换电路的开关，电容上的电压随能量波形变化，其上的电压和储存的能量决定电容值，电容的能量可以被控制为等同于双频纹波功率，实现充放电，从而消除单相逆变器直流侧输入端的双频纹波。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一个单相逆变器的结构示意图；
图2为现有技术中的一个单相反激逆变器的简单电路结构示意图；
图3为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的模块结构示意图；
图4为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器的简单电路结构示意图；
图5为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于充电模式时的简单电路结构示意图；
图6为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于放电模式时的简单电路结构示意图；
图7为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的一系列工作波形的简单示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
消除直流输入端纹波的单相逆变器的一个实施例
图3为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的模块结构示意图。如图所示，该单相逆变器300连接于作为直流输入的太阳能板301和作为交流输出的电网302之间。其中，单相逆变器300可以包括但不限于：直流检测电路303、交流检测电路306、直流-直流转换电路304、直流-交流转换电路305、电力转换控制电路307和纹波消除单元310。纹波消除单元310与直流-直流转换电路304相耦合。
在本实施例中，直流检测电路303可以与太阳能板301相连接，用于检测输入的直流电信号；交流检测电路306可以与交流电网302相连接，用于检测输出的交流电信号；直流-直流转换电路304可以与直流检测电路303相连接，用于对直流电信号进行升压；直流-交流转换电路305可以分别与直流-直流转换电路304和交流检测电路306相连接，用于将直流电转换成交流电；电力转换控制电路307可以分别与直流检测电路303、交流检测电路306、直流-直流转换电路304和直流-交流转换电路305相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使单相逆变器300产生与交流电压同相位的输出交流电；以及纹波消除单元310可以分别与直流检测电路303、交流检测电路306和直流-交流转换电路305相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除单相逆变器300直流输入端的纹波。
其中，本实施例中的纹波消除单元310可以进一步分解为包括纹波控制器311、能量储存单元313和能量储存控制器312。其中纹波控制器311可以分别与直流检测电路303和交流检测电路306相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制纹波消除单元310的工作模式：充电模式和放电模式；能量储存单元313可以与直流-直流转换电路304相连接，用于储存或者释放直流输入端的能量；以及能量储存控制器312可以分别与纹波控制器311和能量储存单元313相连接，用于根据纹波控制器311的指令，控制能量储存单元313的开关，实行能量的储存和释放。
纹波控制器311、能量储存控制器312和电力转换控制器307可以集成在同一电路里，例如以FPGA、CPU、MCU、DSP或者ASIC等形式实现。
图4为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器的简单电路结构示意图。如图所示，在该单相反激逆变器400中，能量储存单元413为升压-降压双向转换器，其可以包括转换器的副边线圈Tr、电感Lr、储能电容Cr、第一MOS开关管Qr1、第二MOS开关管Qr2、第一二极管Dr1(第一二极管Dr1也可以就是第一MOS开关管Qr1的体二极管)和第二二极管Dr2(第二二极管Dr2也可以就是第二MOS开关管Qr2的体二极管)。
在本实施例中，副边线圈Tr可以与转换器的主边线圈相耦合；电感Lr的第一端可以与副边线圈Tr的第一端相连接，电感Lr的第二端可以通过第二MOS开关管Qr2连接到电容Cr的第一端；电容Cr的第二端可以连接到副边线圈Tr的第二端；第一MOS开关管Qr1跨接在电感Lr的第二端和副边线圈Tr的第二端之间；第一MOS开关管Qr1和第二MOS开关管Qr2分别通过能量储存控制器412控制其开关，实行能量的储存和释放；第一二极管Dr1和第二二极管Dr2分别并联在第一MOS开关管Qr1和第二MOS开关管Qr2两端，第一二极管Dr1的正极连接到副边线圈Tr的第二端，第一二极管Dr1的负极连接到电感Lr的第二端，第二二极管Dr2的正极连接到电感Lr的第二端，第二二极管Dr2的负极连接到电容Cr的第一端。
在图4所示的单相反激逆变器400中，当第二MOS开关管Qr2保持关闭，这个转换器是由变压器Tr到电容Cr的升压器；当第一MOS开关管Qr1保持关闭，这个转换器是由电容Cr到变压器Tr的降压器。
纹波消除单元内的储能电容Cr与逆变器400的输入端隔离，可以达到更高的电压，从而对于相同的能量可以使用更小的电容。
下面对本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的工作原理作进一步地详细介绍。
对于平均输出功率Po和交流频率f，如果忽略转换损耗，输入功率由直流部分Pdc和双倍电网频率的纹波组成。直流电源只提供直流部分Po，所以能量储存单元需要提供双频部分Po cos(2wt)。假设输出功率为po(t)，当po(t)＞Po时，能量储存单元释放能量给输出；当po(t)＜Po时，能量储存单元储存直流电源来的多余的能量。
纹波消除单元的充电模式：po(t)＜Po，能量储存单元储存直流电源来的多余的能量Po-po(t)。图5为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于充电模式时的简单电路结构示意图。如图5所示，当第二MOS开关管Qr2关闭，能量储存单元是一个由变压器Tr的一个线圈到电容Cr的升压电路。当主开关Q导通，和第一MOS开关管Qr1关闭时，直流电源DC的能量储存到主变压器的原边，同时电感Lr内的电能通过第二二极管Dr2传输给电容Cr。当主开关Q关闭，和第一MOS开关管Qr1导通时，主变压器里的电能同时传输给交流输出和能量储存单元内的电感Lr。主开关Q和第一MOS开关管Qr1的驱动信号互补，都是工作在高频，比如100kHz～1MHz。通过升压电路，电容Cr上的电压高于变压器Tr的输出，升压的比例可通过第一MOS开关管Qr1开关的占空比来控制。
纹波消除单元的放电模式：po(t)＞Po，能量储存单元释放储存的电能，补充给输出po(t)-Po。图6为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于放电模式时的简单电路结构示意图。如图6所示，当第一MOS开关管Qr1关闭，能量储存单元是电容Cr到变压器Tr的降压电路。当主开关Q关闭，和第二MOS开关管Qr2导通时，电容Cr内的能量Pr传输给电感Lr，同时变压器内的能量传输给输出端。当主开关Q导通，和第二MOS开关管Qr2关闭时，电感Lr中的能量Pr通过第一二极管Dr1传输给变压器Tr。主开关Q和第一MOS开关管Qr1的驱动信号互补，都是工作在高频，比如100kHz～1MHz。通过降压电路，电容Cr上的电压高于变压器Tr的输出，降压的比例可通过第二MOS开关管Qr2开关的占空比来控制。
图7为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的一系列工作波形的简单示意图。如图所示，从上往下依次为：单相逆变器的输出电压和电流波形、功率波形、第一开关管Qr1的驱动信号、第二开关管Qr2的驱动信号和主开关Q的驱动信号。其中主开关Q、第一开关管Qr1和第二开关管Qr2的开关控制如上描述。
在本实施例中，控制能量储存单元的工作模式的方式至少有如下三种：
一种为比较即时输出功率po(t)与平均输出功率Po。交流检测电路检测输出电压和电流，计算即时输出功率po(t)和平均输出功率Po。比较输出功率po(t)和平均输出功率Po来控制工作模式。当po(t)＞Po时，为放电模式；当po(t)＜Po时，为充电模式。
一种为比较即时输入功率pin(t)与平均输入功率Pdc。直流检测电路检测输入电压和电流，计算即时输入功率pin(t)和平均输入功率Pdc。比较输入功率pin(t)和平均输入功率Pdc来控制工作模式。当Pin(t)＞Pdc时，为放电模式。当Pin(t)＜Pdc时，为充电模式。
另一种为使用交流过零点控制。交流检测电路检测电压过零点，设为0相位，则+π/4相位点为纹波消除模式的转变点。如果在过零点电压由负到正，纹波控制由充电模式变换为放电模式。如果在过零点电压由正到负，纹波控制由放电模式变换为充电模式。
具有消除直流输入端纹波的单相逆变器的太阳能光伏发电系统的一个实施例
在本发明一个实施例的太阳能光伏发电系统中，包括一个或者多个单相逆变器，该单相逆变器连接于太阳能板和电网之间。下面还是借助图3至图7对本发明的太阳能光伏系统，尤其是其中的单相逆变器作详细描述。
图3为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的模块结构示意图。如图所示，该单相逆变器300连接于太阳能板301和电网302之间。其中，单相逆变器300可以包括但不限于：直流检测电路303、交流检测电路306、直流-直流转换电路304、直流-交流转换电路305、电力转换控制电路307和纹波消除单元310。纹波消除单元310与直流-直流转换电路304相耦合。
在本实施例中，直流检测电路303可以与太阳能板301相连接，用于检测输入的直流电信号；交流检测电路306可以与交流电网302相连接，用于检测输出的交流电信号；直流-直流转换电路304可以与直流检测电路303相连接，用于对直流电信号进行升压；直流-交流转换电路305可以分别与直流-直流转换电路304和交流检测电路306相连接，用于将直流电转换成交流电；电力转换控制电路307可以分别与直流检测电路303、交流检测电路306、直流-直流转换电路304和直流-交流转换电路305相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使单相逆变器300产生与交流电压同相位的输出交流电；以及纹波消除单元310可以分别与直流检测电路303、交流检测电路306和直流-交流转换电路305相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除单相逆变器300直流输入端的纹波。
其中，本实施例中的纹波消除单元310可以进一步分解为包括纹波控制器311、能量储存单元313和能量储存控制器312。其中纹波控制器311可以分别与直流检测电路303和交流检测电路306相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制纹波消除单元310的工作模式：充电模式和放电模式；能量储存单元313可以与直流-直流转换电路304相连接，用于储存或者释放直流输入端的能量；以及能量储存控制器312可以分别与纹波控制器311和能量储存单元313相连接，用于根据纹波控制器311的指令，控制能量储存单元313的开关，实行能量的储存和释放。
纹波控制器311、能量储存控制器312和电力转换控制器307可以集成在同一电路里，例如以FPGA、CPU、MCU、DSP或者ASIC等形式实现。
图4为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器的简单电路结构示意图。如图所示，在该单相反激逆变器400中，能量储存单元413为升压-降压双向转换器，其可以包括转换器的副边线圈Tr、电感Lr、储能电容Cr、第一MOS开关管Qr1、第二MOS开关管Qr2、第一二极管Dr1(第一二极管Dr1也可以就是第一MOS开关管Qr1的体二极管)和第二二极管Dr2(第二二极管Dr2也可以就是第二MOS开关管Qr2的体二极管)。
在本实施例中，副边线圈Tr可以与转换器的主边线圈相耦合；电感Lr的第一端可以与副边线圈Tr的第一端相连接，电感Lr的第二端可以通过第二MOS开关管Qr2连接到电容Cr的第一端；电容Cr的第二端可以连接到副边线圈Tr的第二端；第一MOS开关管Qr1跨接在电感Lr的第二端和副边线圈Tr的第二端之间；第一MOS开关管Qr1和第二MOS开关管Qr2分别通过能量储存控制器412控制其开关，实行能量的储存和释放；第一二极管Dr1和第二二极管Dr2分别并联在第一MOS开关管Qr1和第二MOS开关管Qr2两端，第一二极管Dr1的正极连接到副边线圈Tr的第二端，第一二极管Dr1的负极连接到电感Lr的第二端，第二二极管Dr2的正极连接到电感Lr的第二端，第二二极管Dr2的负极连接到电容Cr的第一端。
在图4所示的单相反激逆变器400中，当第二MOS开关管Qr2保持关闭，这个转换器是由变压器Tr到电容Cr的升压器；当第一MOS开关管Qr1保持关闭，这个转换器是由电容Cr到变压器Tr的降压器。
纹波消除单元内的储能电容Cr与逆变器400的输入端隔离，可以达到更高的电压，从而对于相同的能量可以使用更小的电容。
下面对本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的工作原理作进一步地详细介绍。
对于平均输出功率Po和交流频率f，如果忽略转换损耗，输入功率由直流部分Pdc和双倍电网频率的纹波组成。直流电源只提供直流部分Po，所以能量储存单元需要提供双频部分Po cos(2wt)。假设输出功率为po(t)，当po(t)＞Po时，能量储存单元释放能量给输出；当po(t)＜Po时，能量储存单元储存直流电源来的多余的能量。
纹波消除单元的充电模式：po(t)＜Po，能量储存单元储存直流电源来的多余的能量Po-po(t)。图5为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于充电模式时的简单电路结构示意图。如图5所示，当第二MOS开关管Qr2关闭，能量储存单元是一个由变压器Tr的一个线圈到电容Cr的升压电路。当主开关Q导通，和第一MOS开关管Qr1关闭时，直流电源DC的能量储存到主变压器的原边，同时电感Lr内的电能通过第二二极管Dr2传输给电容Cr。当主开关Q关闭，和第一MOS开关管Qr1导通时，主变压器里的电能同时传输给交流输出和能量储存单元内的电感Lr。主开关Q和第一MOS开关管Qr1的驱动信号互补，都是工作在高频，比如100kHz～1MHz。通过升压电路，电容Cr上的电压高于变压器Tr的输出，升压的比例可通过第一MOS开关管Qr1开关的占空比来控制。
纹波消除单元的放电模式：po(t)＞Po，能量储存单元释放储存的电能，补充给输出po(t)-Po。图6为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相反激逆变器中的纹波消除单元工作于放电模式时的简单电路结构示意图。如图6所示，当第一MOS开关管Qr1关闭，能量储存单元是电容Cr到变压器Tr的降压电路。当主开关Q关闭，和第二MOS开关管Qr2导通时，电容Cr内的能量Pr传输给电感Lr，同时变压器内的能量传输给输出端。当主开关Q导通，和第二MOS开关管Qr2关闭时，电感Lr中的能量Pr通过第一二极管Dr1传输给变压器Tr。主开关Q和第一MOS开关管Qr1的驱动信号互补，都是工作在高频，比如100kHz～1MHz。通过降压电路，电容Cr上的电压高于变压器Tr的输出，降压的比例可通过第二MOS开关管Qr2开关的占空比来控制。
图7为本发明一个实施例的消除直流输入端纹波的单相逆变器的一系列工作波形的简单示意图。如图所示，从上往下依次为：单相逆变器的输出电压和电流波形、功率波形、第一开关管Qr1的驱动信号、第二开关管Qr2的驱动信号和主开关Q的驱动信号。其中主开关Q、第一开关管Qr1和第二开关管Qr2的开关控制如上描述。
在本实施例中，控制能量储存单元的工作模式的方式至少有如下三种：
一种为比较即时输出功率po(t)与平均输出功率Po。交流检测电路检测输出电压和电流，计算即时输出功率po(t)和平均输出功率Po。比较输出功率po(t)和平均输出功率Po来控制工作模式。当po(t)＞Po时，为放电模式；当po(t)＜Po时，为充电模式。
一种为比较即时输入功率pin(t)与平均输入功率Pdc。直流检测电路检测输入电压和电流，计算即时输入功率pin(t)和平均输入功Pdc。比较输入功率pin(t)和平均输入功率Pdc来控制工作模式。当Pin(t)＞Pdc时，为放电模式。当Pin(t)＜Pdc时，为充电模式。
另一种为使用交流过零点控制。交流检测电路检测电压过零点，设为0相位，则+π/4相位点为纹波消除模式的转变点。如果在过零点电压由负到正，纹波控制由充电模式变换为放电模式。如果在过零点电压由正到负，纹波控制由放电模式变换为充电模式。
本发明的单相逆变器增加了纹波消除单元，通过检测纹波功率，控制能量储存单元里转换电路的工作模式。当输入直流功率高于输出功率时，为充电模式，能量储存单元储存能量。当输入直流功率低于输出功率时，为放电模式，能量储存单元释放能量补充给输出端。通过控制纹波消除单元内转换电路的开关，电容上的电压随能量波形变化，其上的电压和储存的能量决定电容值，电容的能量可以被控制为等同于双频纹波功率，实现充放电，从而消除单相逆变器直流侧输入端的双频纹波。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种消除直流输入端纹波的单相逆变器，连接于直流输入和交流输出之间，包括：直流检测电路，与所述直流输入相连接，用于检测输入的直流电信号；交流检测电路，与所述交流输出相连接，用于检测输出的交流电信号；直流-直流转换电路，与所述直流检测电路相连接，用于对所述直流电信号进行升压；直流-交流转换电路，分别与直流-直流转换电路和交流检测电路相连接，用于将所述直流电转换成所述交流电；电力转换控制电路，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路、所述直流-直流转换电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使所述单相逆变器产生与所述交流电压同相位的输出交流电；以及纹波消除单元，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除所述单相逆变器直流输入端的纹波；其中，所述纹波消除单元包括：纹波控制器，分别与所述直流检测电路和所述交流检测电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制所述纹波消除单元的工作模式；能量储存单元，与所述直流-直流转换电路相连接，用于储存或者释放所述直流输入端的能量；以及能量储存控制器，分别与所述纹波控制器和所述能量储存单元相连接，用于根据所述纹波控制器的指令，控制所述能量储存单元的开关，实行所述能量的储存和释放。
2.根据权利要求1所述的单相逆变器，其特征在于，所述能量储存单元为升压-降压双向转换器。
3.根据权利要求2所述的单相逆变器，其特征在于，所述能量储存单元包括所述转换器的副边线圈、电感、电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中：所述副边线圈与所述转换器的主边线圈相耦合；所述电感的第一端与所述副边线圈的第一端相连接，所述电感的第二端通过所述第二开关管连接到所述电容的第一端；所述电容的第二端连接到所述副边线圈的第二端；所述第一开关管跨接在所述电感的第二端和所述副边线圈的第二端之间；所述第一开关管和所述第二开关管分别通过所述能量储存控制器控制其开关，实行所述能量的储存和释放；所述第一二极管和所述第二二极管分别并联在所述第一开关管和所述第二开关管两端，所述第一二极管的正极连接到所述副边线圈的第二端，所述第一二极管的负极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的正极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的负极连接到所述电容的第一端。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单相逆变器，其特征在于，所述纹波消除单元的工作模式包括：充电模式和放电模式。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的单相逆变器，其特征在于，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器集成在同一电路里。
6.根据权利要求5所述的单相逆变器，其特征在于，所述纹波控制器、所述能量储存控制器和所述电力转换控制器以FPGA、CPU、MCU、DSP或者ASIC实现。
7.一种太阳能光伏发电系统，包括一个或者多个单相逆变器，所述单相逆变器连接于太阳能板和电网之间，所述单相逆变器包括：直流检测电路，与所述太阳能板相连接，用于检测输入的直流电信号；交流检测电路，与所述电网相连接，用于检测输出的交流电信号；直流-直流转换电路，与所述直流检测电路相连接，用于对所述直流电信号进行升压；直流-交流转换电路，分别与直流-直流转换电路和交流检测电路相连接，用于将所述直流电转换成所述交流电；电力转换控制电路，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路、所述直流-直流转换电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电压和电流以及输出的交流电压和电流通过基准电流控制开关，使所述单相逆变器产生与所述交流电压同相位的输出交流电；以及纹波消除单元，分别与所述直流检测电路、所述交流检测电路和所述直流-交流转换电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号消除所述单相逆变器直流输入端的纹波；其中，所述纹波消除单元包括：纹波控制器，分别与所述直流检测电路和所述交流检测电路相连接，用于根据输入的直流电信号和输出的交流电信号控制所述纹波消除单元的工作模式；能量储存单元，与所述直流-直流转换电路相连接，用于储存或者释放所述直流输入端的能量；以及能量储存控制器，分别与所述纹波控制器和所述能量储存单元相连接，用于根据所述纹波控制器的指令，控制所述能量储存单元的开关，实行所述能量的储存和释放。
8.根据权利要求7所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述能量储存单元为升压-降压双向转换器。
9.根据权利要求8所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述能量储存单元包括所述转换器的副边线圈、电感、电容、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管，其中：所述副边线圈与所述转换器的主边线圈相耦合；所述电感的第一端与所述副边线圈的第一端相连接，所述电感的第二端通过所述第二开关管连接到所述电容的第一端；所述电容的第二端连接到所述副边线圈的第二端；所述第一开关管跨接在所述电感的第二端和所述副边线圈的第二端之间；所述第一开关管和所述第二开关管分别通过所述能量储存控制器控制其开关，实行所述能量的储存和释放；所述第一二极管和所述第二二极管分别并联在所述第一开关管和所述第二开关管两端，所述第一二极管的正极连接到所述副边线圈的第二端，所述第一二极管的负极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的正极连接到所述电感的第二端，所述第二二极管的负极连接到所述电容的第一端。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的太阳能光伏发电系统，其特征在于，所述纹波消除单元的工作模式包括：充电模式和放电模式。
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