CN107508484A - 一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电学技术领域，涉及一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器及其控制方法，隔离变压器原边只用一个开关管就可实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量，该开关管不用同时承担最大功率点跟踪控制的任务；变压器副边采用两套高频整流控制电路，在每套高频整流控制电路中增加一个开关管、用来实现MPPT，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成可以并网的工频交流电；其电路结构简单，体积小，成本低，效率高，容易控制，可靠性高。
Description
技术领域：
本发明属于电学技术领域，涉及一种并网微逆变器及其控制方法，特别是一种针对输入为单块太阳能电池板的带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器及其控制方法。
背景技术：
传统的光伏并网微逆变器一般有以下三种结构形式：第一种为非隔离型两级式结构，即前级用非隔离Boost电路升压，后级用H桥逆变，其优点是电路相对简单，缺点是微逆变器的输出和电池板不隔离，会带来安全隐患，且其效率较低。第二种为隔离型两级式结构，即前级用隔离电压或电流型半桥LLC电路升压，后级用H桥逆变，其优点是微逆变器的输出和电池板实现了电气隔离，消除了安全隐患，且其前级电路可以通过谐振实现软开关，前级电路效率相对高一点，其缺点是逆变器体积相对较大，成本较高，前级为电流型半桥LLC电路控制相对复杂，且需要两个电感，增加了逆变器的体积；前级为电压型半桥LLC电路控制相对复杂，桥臂上下两个开关管容易直通而烧毁电路；第三种为隔离型单级式结构，目前变压器原边一般采用反激型、交错反激型或交错反激有源箝位型电路，变压器副边采用工频逆变，即用一级电路既可实现电气隔离又可逆变并网，省掉了后级H桥逆变电路，对于反激型或交错反激型电路，其优点是电路结构简单、容易控制，缺点是变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，开关管不能实现软开关，效率相对较低；对于交错反激有源箝位型电路，有源箝位支路中的开关管和主开关管互补导通，通过谐振使两个开关管都实现了零电压软开关，并且减小了开关管的耐压，相对提高了效率，但是现有的变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，增加了控制的复杂性。
综合传统光伏并网微逆变器的三种结构形式，对于隔离或非隔离两级式微逆变器，其后级一般用H桥逆变，存在着桥臂上下两个开关管容易直通而烧坏电路、控制难度高、可靠性低、效率低的缺点，再加上前后两级级联后致使微逆变器的体积增大，可靠性降低，效率进一步降低，目前逐步被隔离型单级式结构所取代，但隔离型单级式结构共同存在着变压器单向励磁、控制复杂的问题。因此，设计一款电路结构简单、体积小、成本低、效率高、容易控制、变压器双向励磁的新型单级式光伏并网微逆变器及其控制方法具有非常大的实用价值。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，设计提供一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器及其控制方法，即隔离变压器原边只用一个开关管就可实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量，该开关管不用同时承担最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking，MPPT)控制的任务；变压器副边采用两套高频整流控制电路，在每套高频整流控制电路中增加一个开关管、用来实现MPPT，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成可以并网的工频交流电。
为了实现上述目的，本发明所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频整流控制电路、第二高频整流控制电路、第四开关管、第五开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路、第一电源、第二电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路和第五驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为一块太阳能电池板的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感之间的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流控制电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二开关管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制；第二高频整流控制电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第三开关管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制，第四开关管和第五开关管工频交替导通，用于实现工频逆变，其中第四开关管在工频正半周期内导通，第五开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第四开关管和第五开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板的输出电压和输出电流信号进行最大功率点跟踪(MPPT)控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集微逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，电网电压采样电路采集电网电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的微逆变器的输出电流信号和电网电压信号进行电压电流反馈控制、锁相控制和孤岛检测；第一电源将太阳能电池板的输出电压降至一路+12V和一路+5V输出，+12V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为控制单片机、电网电压采样电路输出侧、电网电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧、第四驱动电路控制信号侧和第五驱动电路控制信号侧供电；第二电源将电网电压整流滤波后降至四路相互隔离的+12V输出，第一路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第四开关管源极电连接，为第四驱动电路驱动侧供电；第四路+12V输出的负极与第五开关管源极电连接，为第五驱动电路驱动侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序、孤岛检测及锁相程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第五驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管；第四驱动电路接收到控制单片机发来的第四开关管控制信号后经放大驱动第四开关管；第五驱动电路接收到控制单片机发来的第五开关管控制信号后经放大驱动第五开关管。
本发明实现带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器控制过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管、第二开关管、第三开关管采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)与脉冲频率调制(Pulse FrequencyModulation，PFM)相结合的方式软启动、即给定第一开关管、第二开关管、第三开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第四开关管和第五开关管按工频交替导通，使微逆变器输出电压幅值达到设定电压幅值311V；
(2)当软启动达到设定的电压幅值311V时，检测电网电压的幅值、相位和频率，控制单片机接收到电网电压采样电路和第二电流采样电路采集到的电网电压和电流信号，根据得到电网电压的幅值、相位与频率信息来调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号以及第四开关管、第五开关管的导通信号，使微逆变器输出的电压与电网电压幅值、相位与频率相匹配，实现并网；当电网电压相位发生改变时，需要调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号使之与电网电压相位一致，同时调整第四开关管、第五开关管的导通时间来实现输出电压的工频正负交替变化；微逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当微逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的一段时间T0(在微逆变器电路参数一定的情况下，T0的取值由第一开关管、第二开关管及第三开关管的开关频率和驱动信号的占空比决定)内时，固定第一开关管每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节微逆变器的输出，以减小电压畸变率；当微逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，跟随电网电压变化；并结合下一步的控制规律进行控制，以实现微逆变器输出电压全周期跟随电网电压的变化；
(3)当电网电压幅值发生改变时，通过PFM控制方法控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号，使微逆变器的输出电压跟随电网电压；电网电压采样电路、第二电流采样电路分别采集微逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，经过电压电流反馈控制程序的数字PID补偿后，对第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号进行PFM控制，若电网电压幅值不变，则保持第一开关管、第二开关管、第三开关管既定的调制信号，若电网电压幅值变大，则发出减小第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，若电网电压幅值变小，则发出增大第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，从而跟随电网电压幅值；
(4)孤岛检测通过第一中断来实现，第一中断的优先级优于其他所有中断；电网电压采样电路、第二电流采样电路采集到电网电压、微逆变器输出电流信号并送至控制单片机，由孤岛检测及锁相程序判断是否出现孤岛现象，若出现孤岛，则进入第一中断，封锁第四开关管、第五开关管的驱动信号，直至孤岛消失，第一中断返回；
(5)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第二中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第二中断的优先级次于第一中断，优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入第二中断，减小第一开关管、第二开关管、第三开关管控制信号的脉冲宽度基准值，保持第四开关管、第五开关管的驱动信号不变，第二中断返回，等待下一次检测；
(6)当太阳能电池板的最大功率点发生偏移时，通过第三中断控制第二开关管、第三开关管控制信号的占空比，来调节微逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断和第二中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到太阳能电池板的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第三中断，n的取值由程序设定，MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至微逆变器工作在最大功率点，第三中断Ⅲ返回；
(7)判断微逆变器是否需要停止工作，若微逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的驱动信号；若微逆变器不需要停止工作，则重新检测电网电压，重复上述步骤，实现微逆变器的控制。
本发明与现有单级式微逆变器相比，变压器原边只用一个开关管就能一级实现太阳能光伏逆变，开关管既能实现零电压开通又可实现零电压关断，并且使隔离变压器实现了双向励磁，同等功率下减小了变压器的体积，变压器副边的两套高频整流控制电路使得变压器副边绕组输出的不对称电压得到有效利用，从而使微逆变器的整体效率和可靠性进一步提高，并且控制高频开关管的导通占空比可以实现MPPT，减小了原边开关管的控制难度；变压器副边的可控逆变开关管工频交替导通、不存在直通问题；变压器原边并联的谐振电容与变压器原边电感进行谐振使得微逆变器输出/输入间具有较高的电压增益，并且可以通过改变原边开关管的开关频率进行调整，从而可以进一步减小变压器匝数比即减小变压器的体积；其电路结构简单，体积小，成本低，效率高，容易控制，可靠性高，除可专门用于光伏并网微逆变器外，可用于其他小型并网逆变器，在去除孤岛检测和锁相程序后也可推广应用到车载逆变器、UPS电源、变频器、隔离升压DC-AC变换器中。
附图说明：
图1为本发明所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的主体结构电路原理示意图。
图2为本发明所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的控制工艺流程图。
图3为本发明所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的电压调制示意图，其中Uo为微逆变器的输出电压。
图4为本发明所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的工作波形图，其中Ugs1为第一开关管Q1的驱动电压，Uds1为第一开关管Q1漏源极之间的电压，UP为谐振电容Cr两端的电压，IP为原边电感LP的电流。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例：
本实施例所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的主体结构包括反向截止二极管D、电容Ci、谐振电容Cr、第一开关管Q1、续流二极管DQ1、高频变压器1、第一高频整流控制电路2、第二高频整流控制电路3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、滤波电容Cf、滤波电感Lf、第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、电网电压采样电路8、第一电源9、第二电源16、控制单片机10、第一驱动电路21、第二驱动电路22、第三驱动电路23、第四驱动电路24和第五驱动电路25；输入电压Ui经过反向截止二极管D并由电容Ci滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压Ui为一块太阳能电池板的输出电压，反向截止二极管D用于防止反向电流流向太阳能电池板，电容Ci用于吸收高频变压器1原边电感LP回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器1的原边电感LP、谐振电容Cr、第一开关管Q1、续流二极管DQ1电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器1由原边电感LP、磁芯T、第一副边电感LS1、第二副边电感LS2、第三副边电感LS3、第四副边电感LS4连接组成，其中，磁芯T为带有气隙的磁芯，原边电感LP与第一副边电感LS1、原边电感LP与第二副边电感LS2、原边电感LP与第三副边电感LS3、原边电感LP与第四副边电感LS4之间的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感LS1与第三副边电感LS3的绕制完全相同，第二副边电感LS2与第四副边电感LS4的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器1原边电感LP两端，在高频变压器1副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器1用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流控制电路2由第一副边电感LS1、第二副边电感LS2、第一高频整流二极管D1、第二开关管Q2、第二高频整流二极管D2电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制；第二高频整流控制电路3由第三副边电感LS3、第四副边电感LS4、第三高频整流二极管D3、第三开关管Q3、第四高频整流二极管D4电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制，第四开关管Q4和第五开关管Q5工频交替导通，用于实现工频逆变，其中第四开关管Q4在工频正半周期内导通，第五开关管Q5在工频负半周期内导通；滤波电容Cf和滤波电感Lf电连接组成滤波电路，用于对第四开关管Q4和第五开关管Q5工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频交流电；第一电压采样电路4采集太阳能电池板的输出电压信号并送至控制单片机10，第一电流采样电路5采集太阳能电池板的输出电流信号送至控制单片机10，控制单片机10接收到采集来的太阳能电池板的输出电压和输出电流信号进行最大功率点跟踪(MPPT)控制；第二电压采样电路6采集第一开关管Q1漏源极间的电压信号并送至控制单片机10，在第一开关管Q1当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管Q1漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管Q1是否实现零电压开通；第二电流采样电路7采集微逆变器的输出电流信号并送至控制单片机10，电网电压采样电路8采集电网电压信号并送至控制单片机10，控制单片机10接收到采集来的微逆变器的输出电流信号和电网电压信号进行电压电流反馈控制、锁相控制和孤岛检测；第一电源9将太阳能电池板的输出电压降至一路+12V和一路+5V输出，+12V输出的负极GND1与太阳能电池板的负极电连接，为第一驱动电路21驱动侧供电；+5V输出的负极GND1与太阳能电池板的负极电连接，为控制单片机10、电网电压采样电路8输出侧、电网电压采样电路8直流偏置、第一驱动电路21控制信号侧、第二驱动电路22控制信号侧、第三驱动电路23控制信号侧、第四驱动电路24控制信号侧和第五驱动电路25控制信号侧供电；第二电源16将电网电压整流滤波后降至四路相互隔离的+12V输出，第一路+12V输出17的负极GND2与第二开关管Q2源极电连接，为第二驱动电路22驱动侧供电；第二路+12V输出18的负极GND3与第三开关管Q3源极电连接，为第三驱动电路23驱动侧供电；第三路+12V输出19的负极GND4与第四开关管Q4源极电连接，为第四驱动电路24驱动侧供电；第四路+12V输出19的负极GND5与第五开关管Q5源极电连接，为第五驱动电路25驱动侧供电；控制单片机10由第一电源9的+5V输出供电，控制单片机10接收到第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、电网电压采样电路8采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序11、软开关判断程序12、电压电流反馈控制程序13、孤岛检测及锁相程序14和PWM+PFM控制程序15共同生成第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路21、第二驱动电路22、第三驱动电路23、第四驱动电路24、第五驱动电路25；第一驱动电路21接收到控制单片机10发来的第一开关管Q1控制信号后经放大驱动第一开关管Q1；第二驱动电路22接收到控制单片机10发来的第二开关管Q2控制信号后经放大驱动第二开关管Q2；第三驱动电路23接收到控制单片机10发来的第三开关管Q3控制信号后经放大驱动第三开关管Q3；第四驱动电路24接收到控制单片机10发来的第四开关管Q4控制信号后经放大驱动第四开关管Q4；第五驱动电路25接收到控制单片机10发来的第五开关管Q5控制信号后经放大驱动第五开关管Q5。
本实施例实现带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器控制过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3采用PWM与PFM相结合的方式软启动、即给定第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的初始开关频率与初始导通时间，让第四开关管Q4和第五开关管Q5按工频交替导通，使微逆变器输出电压幅值达到设定电压幅值311V；
(2)当软启动达到设定的电压幅值311V时，检测电网电压的幅值、相位和频率，控制单片机10接收到电网电压采样电路8和第二电流采样电路7采集到的电网电压和电流信号，根据得到电网电压的幅值、相位与频率信息来调整第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的调制信号以及第四开关管Q4、第五开关管Q5的导通信号，使微逆变器输出的电压与电网电压幅值、相位与频率相匹配，实现并网；当电网电压相位发生改变时，需要调整第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的调制信号使之与电网电压相位一致，同时调整第四开关管Q4、第五开关管Q5的导通时间来实现输出电压的工频正负交替变化；微逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当微逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的一段时间T0(在微逆变器电路参数一定的情况下，T0的取值由第一开关管Q1、第二开关管Q2及第三开关管Q3的开关频率和驱动信号的占空比决定)内时，固定第一开关管Q1每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管Q2、第三开关管Q3控制信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节微逆变器的输出，以减小电压畸变率；当微逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管Q1驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管Q2、第三开关管Q3控制信号的频率与占空比，跟随电网电压变化；并结合下一步的控制规律进行控制，以实现微逆变器输出电压全周期跟随电网电压的变化；
(3)当电网电压幅值发生改变时，通过PFM控制方法控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的驱动信号，使微逆变器的输出电压跟随电网电压；电网电压采样电路8、第二电流采样电路7分别采集微逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机10，经过电压电流反馈控制程序13的数字PID补偿后，对第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3的驱动信号进行PFM控制，若电网电压幅值不变，则保持第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3既定的调制信号，若电网电压幅值变大，则发出减小第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3开关频率的信号，若电网电压幅值变小，则发出增大第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3开关频率的信号，从而跟随电网电压幅值；
(4)孤岛检测通过第一中断Ⅰ来实现，第一中断的优先级优于其他所有中断；电网电压采样电路8、第二电流采样电路7采集到电网电压、微逆变器输出电流信号并送至控制单片机10，由孤岛检测及锁相程序14判断是否出现孤岛现象，若出现孤岛，则进入第一中断Ⅰ，封锁第四开关管Q4、第五开关管Q5的驱动信号，直至孤岛消失，第一中断Ⅰ返回；
(5)通过检测第一开关管Q1开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管Q1是否实现零电压开通，通过第二中断Ⅱ用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管Q1的零电压开通，第二中断的优先级次于第一中断Ⅰ，优于其他中断；在第一开关管Q1当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路6采集第一开关管Q1漏源极间的电压信号并送至控制单片机10，若软开关判断程序12判断第一开关管Q1漏源极间的电压不为零，则第一开关管Q1没有实现零电压开通，进入第二中断Ⅱ，减小第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3控制信号的脉冲宽度基准值，保持第四开关管Q4、第五开关管Q5的驱动信号不变，第二中断Ⅱ返回，等待下一次检测；
(6)当太阳能电池板的最大功率点发生偏移时，通过第三中断Ⅲ控制第二开关管Q2、第三开关管Q3控制信号的占空比，来调节微逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断Ⅰ和第二中断Ⅱ；第一电压采样电路4、第一电流采样电路5采集到太阳能电池板的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机10，每隔n秒进入一次第三中断Ⅲ，n的取值由程序设定，MPPT控制程序11在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至微逆变器工作在最大功率点，第三中断Ⅲ返回；
(7)判断微逆变器是否需要停止工作，若微逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5的驱动信号；若微逆变器不需要停止工作，则重新检测电网电压，重复上述步骤，实现微逆变器的控制。
本实施例所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的工作过程包括以下阶段：
每工频半个周期内，用PFM、PWM结合的控制方法调制输出电压波形，正负半波对称且错开180°，滤波后获得可以并网的工频电压波形，以下为每个开关周期的工作过程：
t0-t1时段：在t0时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为高电平，此时原边电感LP的电流为负，第一开关管Q1不导通，原边电感LP通过续流二极管DQ1和电容Ci续流，第一开关管Q1漏源极间的电压为0，到t1时刻，原边电感LP的电流变为0，第一开关管Q1导通，第一开关管Q1实现零电压开通，此时段第一副边电感LS1、第一高频整流二极管D1和第二开关管Q2工作或者是第三副边电感LS3、第三高频整流二极管D3和第三开关管Q3工作；
t1-t2时段：输入电压Ui为原边电感LP充电，原边电感LP的电流逐渐增加，到t2时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为低电平，第一开关管Q1关断，此时段第一副边电感LS1、第一高频整流二极管D1和第二开关管Q2工作或者是第三副边电感LS3、第三高频整流二极管D3和第三开关管Q3工作；
t2-t3时段：谐振电容Cr为原边电感LP充电，原边电感LP的电流继续增加，到t3时刻，谐振电容Cr的电压降为0，原边电感LP的电流增加到最大，此时段第一副边电感LS1、第一高频整流二极管D1和第二开关管Q2工作或者是第三副边电感LS3、第三高频整流二极管D3和第三开关管Q3工作，第一副边电感LS1或第三副边电感LS3两端电压幅值降低；
t3-t4时段：原边电感LP反向为谐振电容Cr充电，谐振电容Cr的电压反向增大，到t4时刻，原边电感LP的电流下降为0，谐振电容Cr的电压反向增加到最大，此时段第二副边电感LS2和第二高频整流二极管D2工作或者是第四副边电感LS4和第四高频整流二极管D4工作，第二副边电感LS2或第四副边电感LS4两端电压幅值升高；
t4-t5时段：谐振电容Cr为原边电感LP反向充电，到t5时刻，谐振电容Cr的电压变为0，原边电感LP的电流反向增加到最大，此时段第二副边电感LS2和第二高频整流二极管D2工作或者是第四副边电感LS4和第四高频整流二极管D4工作，第二副边电感LS2或第四副边电感LS4两端电压幅值降低；
t5-t6时段：原边电感LP为谐振电容Cr反向充电，谐振电容Cr的电压逐渐增加，到t6时刻，谐振电容Cr的电压增加到与电容Ci的电压相等，第一开关管Q1漏源极间的电压为0，此时段第一副边电感LS1、第一高频整流二极管D1和第二开关管Q2工作或者是第三副边电感LS3、第三高频整流二极管D3和第三开关管Q3工作，第一副边电感LS1或第三副边电感LS3两端电压幅值升高；
t6-t7时段：原边电感LP通过续流二极管DQ1和电容Ci续流，第一开关管Q1漏源极间的电压为0，到t7时刻，第一开关管Q1的驱动电压Ugs1变为高电平，此时原边电感LP的电流为负，第一开关管Q1不导通，此时段第一副边电感LS1、第一高频整流二极管D1和第二开关管Q2工作或者是第三副边电感LS3、第三高频整流二极管D3和第三开关管Q3工作。
Claims (2)
1.一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器，其特征在于主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频整流控制电路、第二高频整流控制电路、第四开关管、第五开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路、第一电源、第二电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路和第五驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为一块太阳能电池板的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感之间的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流控制电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二开关管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制；第二高频整流控制电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第三开关管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制，第四开关管和第五开关管工频交替导通，用于实现工频逆变，其中第四开关管在工频正半周期内导通，第五开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第四开关管和第五开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板的输出电压和输出电流信号进行最大功率点跟踪控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集微逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，电网电压采样电路采集电网电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的微逆变器的输出电流信号和电网电压信号进行电压电流反馈控制、锁相控制和孤岛检测；第一电源将太阳能电池板的输出电压降至一路+12V和一路+5V输出，+12V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为控制单片机、电网电压采样电路输出侧、电网电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧、第四驱动电路控制信号侧和第五驱动电路控制信号侧供电；第二电源将电网电压整流滤波后降至四路相互隔离的+12V输出，第一路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第四开关管源极电连接，为第四驱动电路驱动侧供电；第四路+12V输出的负极与第五开关管源极电连接，为第五驱动电路驱动侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序、孤岛检测及锁相程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第五驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管；第四驱动电路接收到控制单片机发来的第四开关管控制信号后经放大驱动第四开关管；第五驱动电路接收到控制单片机发来的第五开关管控制信号后经放大驱动第五开关管。
2.一种如权利要求1所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的控制方法，其特征在于具体控制过程包括以下步骤：
(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管、第二开关管、第三开关管采用脉冲宽度调制与脉冲频率调制相结合的方式软启动、即给定第一开关管、第二开关管、第三开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第四开关管和第五开关管按工频交替导通，使微逆变器输出电压幅值达到设定电压幅值311V；
(2)当软启动达到设定的电压幅值311V时，检测电网电压的幅值、相位和频率，控制单片机接收到电网电压采样电路和第二电流采样电路采集到的电网电压和电流信号，根据得到电网电压的幅值、相位与频率信息来调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号以及第四开关管、第五开关管的导通信号，使微逆变器输出的电压与电网电压幅值、相位与频率相匹配，实现并网；当电网电压相位发生改变时，需要调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号使之与电网电压相位一致，同时调整第四开关管、第五开关管的导通时间来实现输出电压的工频正负交替变化；微逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当微逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的时间内时，固定第一开关管每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节微逆变器的输出，以减小电压畸变率；当微逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，跟随电网电压变化；并结合下一步的控制规律进行控制，以实现微逆变器输出电压全周期跟随电网电压的变化；
(3)当电网电压幅值发生改变时，通过PFM控制方法控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号，使微逆变器的输出电压跟随电网电压；电网电压采样电路、第二电流采样电路分别采集微逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，经过电压电流反馈控制程序的数字PID补偿后，对第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号进行PFM控制，若电网电压幅值不变，则保持第一开关管、第二开关管、第三开关管既定的调制信号，若电网电压幅值变大，则发出减小第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，若电网电压幅值变小，则发出增大第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，从而跟随电网电压幅值；
(4)孤岛检测通过第一中断来实现，第一中断的优先级优于其他所有中断；电网电压采样电路、第二电流采样电路采集到电网电压、微逆变器输出电流信号并送至控制单片机，由孤岛检测及锁相程序判断是否出现孤岛现象，若出现孤岛，则进入第一中断，封锁第四开关管、第五开关管的驱动信号，直至孤岛消失，第一中断返回；
(5)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第二中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第二中断的优先级次于第一中断，优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入第二中断，减小第一开关管、第二开关管、第三开关管控制信号的脉冲宽度基准值，保持第四开关管、第五开关管的驱动信号不变，第二中断返回，等待下一次检测；
(6)当太阳能电池板的最大功率点发生偏移时，通过第三中断控制第二开关管、第三开关管控制信号的占空比，来调节微逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断Ⅰ和第二中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到太阳能电池板的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第三中断，n的取值由程序设定，MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至微逆变器工作在最大功率点，第三中断Ⅲ返回；
(7)判断微逆变器是否需要停止工作，若微逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的驱动信号；若微逆变器不需要停止工作，则重新检测电网电压，重复上述步骤，实现微逆变器的控制。
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| A.CH.KYTITSIS等: "Optimum design of the Current-Source Flyback Inverter for Decentralized Grid-Connected Photovoltaic Systems", 《IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022121890A1 (zh) * | 2020-12-07 | 2022-06-16 | 昱能科技股份有限公司 | 一种供电系统及太阳能光伏逆变器 |
| CN115864795A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 昱能科技股份有限公司 | 一种一级逆变电路的控制方法、电子设备及可读存储介质 |
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| CN117277822A (zh) * | 2023-11-20 | 2023-12-22 | 威胜能源技术股份有限公司 | 一种用于换电柜的多路输出电路及其自动均流控制方法 |
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