CN107294417A - 一种逆变器及其控制方法、控制装置、控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种逆变器及其控制方法、控制装置、控制系统，该逆变器包括：逆变电路、开关电路以及控制系统，控制系统根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断，以使得逆变器在并网运行时，采用电流源模式输出，在离网运行时，采用电压源模式输出，满足负载的输出要求。除此，本发明中将第四开关与地相连，避免了漏电流的产生，且逆变电路选用H4桥，结构简单。

Description

一种逆变器及其控制方法、控制装置、控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，更具体地说，涉及一种逆变器及其控制方法、控制装置、控制系统。

背景技术

随着社会的不断发展，石油化工能源日益减少，新能源发电得到了快速的发展，其中，逆变器是光伏发电系统的核心设备之一，其将光能转化后的电能转换成预设伏值，输送给负载或电网。

目前，逆变器具有并网和离网两种输出模式，具体的，如图1所示，两种输出模式的接线方式不同，其中，U-O-W为逆变桥输出点，U1-O1-W1为并网点，U2-O2-W2为负载连接点，E为接地点，其中O1为变压器的中性点。逆变器内部对U1-O1和W1-O1进行电压采样以检测电网，其中，U1-O1和W1-O1的额定相电压为101Vac，U1-W1电压为202Vac。并网运行时，开关1和开关2闭合，开关3和开关4断开，逆变桥臂只需输出U-W相电压；离网运行时，开关1和开关2断开，开关3和开关4闭合，逆变桥臂输出U-O-W相电压，且需适应U-O相和W-O相之间的不平衡负载。并且，由于离网运行时O点相连接了大地，因此必须保证离网工况下的逆变系统没有漏电流。

通常，逆变桥采用三桥臂逆变电路，其中一个桥臂用于控制离网工况下的O点电位，如图2所示。该拓扑的优点是：多了一个O点控制桥臂(图2中的4-1)，可以适应U-O相和W-O相之间的不平衡负载；然而，多出的桥臂和电感增加了系统成本，且由于O点(图2中的5-5端点处)需接大地，因此，该控制方案会引入高频漏电流。

除此，为减小控制复杂度，如图3所示，将逆变桥选择常规的H4桥式拓扑，并在离网运行将W相通过开关3和开关4连接到O2点和大地上。此时，逆变桥仅输出101Vac的单相电压，即只供其中U2-O2相负载，而不能提供W2-O2相和U2-W2相的负载，需对离网负载做专门配置，降低了离网工况下逆变器的可用性，且离网工况下的漏电流问题也比较突出。

因此，如何提供一种逆变器及其控制方法、控制装置，既能满足负载的输出要求，又能避免漏电流，且结构简单，是本领域技术人员亟待解决的一大技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种逆变器及其控制方法、控制装置，满足负载的输出要求的同时避免了漏电流，且结构简单。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种逆变器，包括：

逆变电路，所述逆变电路的输入端与外接直流源相连，且所述逆变电路的输入侧具有第一输出中点；

开关电路，所述开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，所述第一开关以及所述第三开关并接在所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端之间，且，所述第一开关的输出端作为所述逆变器的并网输出端，所述第三开关的输出端作为所述逆变器的离网输出端；所述并网输出端通过所述第二开关管与所述离网输出端并联，所述第一输出中点分别与所述第三开关的输入中点以及所述第四开关相连，所述第四开关的输出端接地；

控制系统，所述控制系统与所述逆变电路以及所述开关电路相连，用于根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断。

可选的，所述逆变电路包括：

分压电路，并联在所述逆变电路的输入端，且，所述分压电路包括串联的至少两个滤波电容，所述滤波电容构成的支路的中点作为所述逆变电路的输入侧的所述第一输出中点；

逆变桥，并联在所述分压电路的两端，包括四个开关管；且具有第一输出端以及第二输出端；

以及，滤波器，并联在所述逆变桥的第一输出端以及第二输出端之间，且所述滤波器的输出端分别作为所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端。

可选的，所述逆变桥为H4桥或HERIC桥，所述滤波器为LC型结构、L型结构或LCL型滤波结构。

一种控制方法，应用于上述的逆变器，包括：

并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

可选的，包括：

所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式；

所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

可选的，还包括：

将所述外接直流源的输出电流经预设DCDC变换器转换后接入所述逆变电路的输入端。

一种控制装置，包括：

第一控制模块，用于在并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

第二控制模块，用于在离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

可选的，所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式；

所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

可选的，还包括：

转换模块，用于将所述外接直流源的输出电流经预设DCDC变换器转换后接入所述逆变电路的输入端。

一种控制系统，包括任意一项上述的控制装置。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种逆变器，包括：逆变电路、开关电路以及控制系统，控制系统根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断，以使得逆变器在并网运行时，采用电流源模式输出，在离网运行时，采用电压源模式输出，满足负载的输出要求，除此，本发明中将第四开关与地相连，避免了漏电流的产生，且逆变电路选用H4桥，结构简单。

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为现有技术提供的一种逆变器的结构示意图；

图2为现有技术提供的一种逆变器的电路结构图；

图3为现有技术提供的又一种逆变器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种逆变器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种逆变器的又一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种逆变器的又一结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种逆变器的又一结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种逆变器的又一结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图；

图10为对本发明实施例提供的逆变器的仿真图；

图11为对本发明实施例提供的逆变器的又一仿真图；

图12为本发明实施例提供的一种控制装置的结构示意图。

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。

具体的，请参阅图4，为本实施例提供的一种逆变器的结构示意图，包括：逆变电路、开关电路以及控制系统。

其中，所述逆变电路的输入端与外接直流源相连，且所述逆变电路的输入侧具有第一输出中点。

所述开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，所述第一开关以及所述第三开关并接在所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端之间，且，所述第一开关的输出端作为所述逆变器的并网输出端，所述第三开关的输出端作为所述逆变器的离网输出端；所述并网输出端通过所述第二开关管与所述离网输出端并联，所述第一输出中点分别与所述第三开关的输入中点以及所述第四开关相连，所述第四开关的输出端接地。

所述控制系统与所述逆变电路以及所述开关电路相连，用于根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断。

具体的，结合图5，所述逆变电路可以包括：分压电路、逆变桥以及滤波器。其中，分压电路，并联在所述逆变电路的输入端，且，所述分压电路包括串联的至少两个滤波电容，所述滤波电容构成的支路的中点作为所述逆变电路的输入侧的所述第一输出中点。逆变桥并联在所述分压电路的两端，包括四个开关管，且具有第一输出端以及第二输出端。滤波器并联在所述逆变桥的第一输出端以及第二输出端之间，且所述滤波器的输出端分别作为所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端。

以图5为例，开关管S1和S2构成桥臂1，S3和S4构成桥臂2，逆变桥也可以是HERIC或者其它单相逆变拓扑；直流母线并接滤波电容CP和CN以构成正负母线，其中点M连接于逆变电路输出中性点O处；输出滤波器采用LC型结构，也可以是L型或者LCL等结构形式，其中电感L根据需要可拆分为L1和L2或者其它结构形式，C0、C1、C2、C3和C4为交流输出滤波电容。

具体的，开关电路包括包含开关1、开关2、开关3和开关4，需要说明的是：开关1、开关2、开关3和开关4可以全部或者部分置于逆变器内部，部分置于逆变器外部的设备中，且，开关1-4可以是单个开关，也可以是2个或者多个串联的开关组。并网运行时：开关1和开关2闭合，开关3和开关4断开，O点被开关3和开关4断开，不与电网、负载和大地连接；负载则与电网直接并联，C1和C2为电网检测提供测量点。

离网运行时：开关1和开关2断开，开关3和开关4闭合，桥臂1和桥臂2分别与M-O中点通路构成两个单相半桥电路，CP-CN-S1-S2-L1-C3构成半桥电路1，CP-CN-S3-S4-L2-C4构成半桥电路2，负载由逆变桥输出直接供电，C3和C4为U-O相和W-O相的输出滤波电容，O点与负载供电中性点及大地相连，保证系统用电安全可靠。

需要说明的是，由于本方案中开关1和开关2的逻辑关系相同(同时开启或关闭)，开关3和开关4的逻辑关系相同，因此，开关1和开关2可以是两个独立控制的开关，也可以是同一个开关，然后通过接线连接在图5中的开关1和开关2处，即开关1和开关2为同一个开关的不同分相。同理，开关3和开关4也可以是两个独立控制的开关，或者是同一个开关的不同分相。

当然，由于开关1和开关3的逻辑相反，因此，开关1和开关3可以是不同的开关，也可以是将同一个开关进行不同的电路逻辑处理后的开关电路，如，将开关一的输出端进行反相处理后(例如增加一个反相器)，连入图5中开关3的位置。

除此，在上述实施例的基础上，本实施例还提供了多种逆变器的替代电路，如图6、图7以及图8所示，图6中将开关3的位置进行了前移，但开关3仍并联在所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端之间，且所述第一输出中点分别与所述开关3的输入中点相连。

图7是在图5的基础上，增加了第五开关，在并网运行时，控制M点处于悬空状态即可，其他工作原理请参见上述实施例。需要说明的是，该第五开关(图中开关5)的控制逻辑与开关3的控制逻辑相同。同理，开关5和开关3可以为相互独立控制的开关，也可以为同一个开关的不同分相。

图8是在图5的基础上，将第五开关并联在开关3上，并在开关3和开关5之间增加了串接的电容。同样的，本实施例中，开关3和开关5的控制逻辑相同，这样增加了离网口与负载以及电网的安规的可靠性，除此，还将离网输出所需的大电容放置在C5和C6处，其中，控制C3和C4取值小于C5和C6，这样可以保证并网工况下，逆变器网侧电容较小，有利于并网系统的稳定性。

结合上述的逆变结构，本实施例提供了一种控制方法，如下：

并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

其中，所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式，所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

具体的，结合图5和图9，并网运行时，无需考虑和控制O点电位，由于此时逆变电路未接入大地及电网中性点(只是提供电网监测的参考点)，且C3和C4也能提供漏电流旁路通道，因此系统漏电流较小，逆变电路可以采用双极性调制或者单极性调制(含多种可能的单极性调制)，逆变器运行于电流源模式。

离网运行时，逆变电路对半桥电路1和半桥电路2实行解耦控制，以获得正弦的相电压U-O和相电压W-O，保证电压U-O和W-O幅值和频率相同，但相位相差180°。由于系统独立控制了电压U-O和电压W-O，电压U-O和W-O彼此影响很小，U2-O2和W2-O2处所接负载可以不平衡(如其中一相满载，而另一相空载)，且U2-W2上也可接200Vac等级的交流负载。此外，由于系统构建的两个半桥电路的接地点O连接于直流母线电压中点，其电位相对稳定，系统漏电流很小。

需要说明的是，若CP和CN上的电压产生了偏差，可以在半桥电路1和/或半桥电路2的调制波中注入一定分量的直流量来进行调节。在本实施例中不进行详述。

为了进一步验证本实施例提供的逆变器以及控制方法的有效性，发明人对上述控制方法进行了仿真验证：设计U-O、W-O、U-W相电压分别为101Vac、101Vac和202Vac。三相上的负载分别为2kW、1kW和1kW，分别仿真并网和离网工况。

结合图10和图11，图10为并网运行的仿真波形，图11为离网运行的仿真波形，其中，在并网运行时，波形一和波形二为两相电网的并网电流(方便幅值对比，对其中一相电流进行了反向观测)，波形三为电网电压。由于本地负载不平衡，并网电流差异很大，但这种不平衡的功率无需逆变器处理，会由电网承担。

在离网运行时，波形一和波形二为两相电压的离网电压(方便幅值对比，对其中一相电压进行了反向观测)，波形三为输出电压。虽然本地负载不平衡较大，但两相负载分别由半桥电路1和半桥电路2独立处理，相电压U-O和相电压W-O幅值基本相同，U-W相电压也满足要求。

在上述实施例的基础上，如图12所示，本实施例还提供了一种控制装置，包括：

第一控制模块11，用于在并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

第二控制模块12，用于在离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

其中，所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式，所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

可选的，还包括：

转换模块13，用于将所述外接直流源的输出电流经预设DCDC变换器转换后接入所述逆变电路的输入端。

其工作原理请参见上述方法实施例，除此，本实施例还提供了一种控制系统，包括任意一项上述的控制装置。

综上，本发明提供了一种逆变器及其控制方法、控制装置、控制系统，该逆变器包括：逆变电路、开关电路以及控制系统，控制系统根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断，以使得逆变器在并网运行时，采用电流源模式输出，在离网运行时，采用电压源模式输出，满足负载的输出要求，除此，本发明中将第四开关与地相连，避免了漏电流的产生，且逆变电路选用H4桥，结构简单。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种逆变器，其特征在于，包括：

逆变电路，所述逆变电路的输入端与外接直流源相连，且所述逆变电路的输入侧具有第一输出中点；

开关电路，所述开关电路包括第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关，所述第一开关以及所述第三开关并接在所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端之间，且，所述第一开关的输出端作为所述逆变器的并网输出端，所述第三开关的输出端作为所述逆变器的离网输出端；所述并网输出端通过所述第二开关管与所述离网输出端并联，所述第一输出中点分别与所述第三开关的输入中点以及所述第四开关相连，所述第四开关的输出端接地；

控制系统，所述控制系统与所述逆变电路以及所述开关电路相连，用于根据所述逆变器的并网输出端电压、所述离网输出端电压以及所述逆变电路的输出端电压，输出控制信号，以控制所述开关电路中各开关的开启和关断。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变电路包括：

分压电路，并联在所述逆变电路的输入端，且，所述分压电路包括串联的至少两个滤波电容，所述滤波电容构成的支路的中点作为所述逆变电路的输入侧的所述第一输出中点；

逆变桥，并联在所述分压电路的两端，包括四个开关管；且具有第一输出端以及第二输出端；

以及，滤波器，并联在所述逆变桥的第一输出端以及第二输出端之间，且所述滤波器的输出端分别作为所述逆变电路的第一输出端以及第二输出端。

3.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述逆变桥为H4桥或HERIC桥，所述滤波器为LC型结构、L型结构或LCL型滤波结构。

4.一种控制方法，应用于如权利要求1-3所述的逆变器，其特征在于，包括：

并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，包括：

所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式；

所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：

将所述外接直流源的输出电流经预设DCDC变换器转换后接入所述逆变电路的输入端。

7.一种控制装置，其特征在于，包括：

第一控制模块，用于在并网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关闭合，控制所述第三开关以及所述第四开关断开，使所述逆变器采用电流源模式输出；

第二控制模块，用于在离网运行时，控制所述第一开关以及所述第二开关断开，控制所述第三开关以及所述第四开关闭合，使所述逆变器采用电压源模式输出。

8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于：

所述电流源模式输出包括双极性调制或单极性调制方式；

所述电压源模式输出中，所述逆变器分为第一半桥电路以及第二半桥电路，所述第一半桥电路与所述第二半桥电路单独控制输出。

9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，还包括：

转换模块，用于将所述外接直流源的输出电流经预设DCDC变换器转换后接入所述逆变电路的输入端。

10.一种控制系统，其特征在于，包括任意一项如权利要求7-9所述的控制装置。