CN108123634B - 一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法。该逆变器的主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、截止二极管、滤波电容、极性反转逆变桥、输出滤波电路、电网及解耦电路；其控制方法为：电网电压采样值经PLL获得单位正弦波，输入电压和电流采样值经MPPT获得最大直流输入功率，同时解耦电容电压采样值经电压环路获得其电压扰动信号，再经电流基准运算电路和调制信号生成电路得到五个调制波信号，最后通过PWM控制电路及逻辑电路，从而控制并网逆变器工作。本发明在隔离变压器原边加入由解耦开关管、解耦二极管和解耦电容构成的解耦电路，有效消除了直流电源输入侧二次电流纹波，且实现并网。

Description

一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法，属于微型、并网逆变器，其利用增加的解耦电路来消除直流输入侧二次电流纹波。

背景技术

近年来，能源短缺和环境污染问题受到了人们的广泛关注，光伏、燃料电池等新能源以其清洁、高效、可持续等优点而得到了快速发展，例如新能源发电系统等。对于这种新能源发电系统，并网逆变器输出功率中含有两倍于电网电压频率的功率纹波，该功率纹波必然会反馈到直流电源端，表现为二次电流纹波，对于光伏组件而言，将会影响其最大功率点跟踪，降低系统效率，因此解决新能源发电系统中的二次电流纹波问题具有十分重要的意义。通过并联大容量的电解电容能够有效的滤除二次电流纹波，但所需的电容容值将会很大，严重影响系统的功率密度，并且电解电容的使用寿命较短，可靠性较低。在电路中并联LC谐振电路，并将其谐振频率设计为两倍电网电压频率，也能够有效的滤除二次电流纹波，但该方案所采用的谐振电感的感值和谐振电容的容值均比较大，降低了系统的功率密度。总而言之，这些通过无源器件来滤除二次电流纹波的方法，存在着体积较大、可靠性较低、滤波性能不稳定等问题。为此，探索其它方法，包括新的拓扑方案、控制策略等，使得直流侧输入电流中不含有二次电流纹波，从而避免使用电解电容，使得寿命长、可靠性高的薄膜电容在逆变系统中的应用成为可能，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法，采用这种增加解耦电路的逆变器及其控制方法，实现了直流输入侧二次电流纹波的有效消除，从而使得系统不需要采用体积大、寿命短的电解电容。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器，包括直流电源、输入电容、隔离变压器、原边开关管、截止二极管、滤波电容、极性反转逆变桥、滤波电路及电网，其中直流电源的正极接输入电容的一端，直流电源的负极分别接输入电容的另一端和原边开关管的发射极，原边开关管的集电极接隔离变压器的原边绕组异名端，极性反转逆变桥包括两个晶闸管和两个开关管，第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阳极相连构成极性反转逆变桥的正输入端，第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连构成极性反转逆变桥的负输入端，第一晶闸管的阴极和第一开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥的正输出端，第二晶闸管的阴极和第二开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥的负输出端，隔离变压器副边绕组的非同名端和截止二极管的阳极相连接，隔离变压器副边绕组的同名端、滤波电容的一端和极性反转逆变桥的负输入端相连接，截止二极管的阴极、滤波电容的另一端和极性反转逆变桥的正输入端相连接，输出滤波电路包括一个输出滤波电感和一个输出滤波电容，输出滤波电感的一端、输出滤波电容的一端和极性反转逆变桥的正输出端相连接，输出滤波电感的另一端和电网的一端相连接，电网的另一端、输出滤波电容的另一端和极性反转逆变桥的负输出端相连接，还包括解耦电路，其中解耦电路包括解耦电感、解耦电容、两个解耦二极管和三个解耦开关管，第一解耦开关管的集电极、第一解耦二极管的阳极和直流电源的正极相连接，第一解耦二极管的阴极、第二解耦开关管发射极和隔离变压器原边绕组的同名端相连接，第二解耦开关管的集电极、解耦电容的一端和第二解耦二极管的阴极相连接，第二解耦二极管的阳极、直流电源的阴极和解耦电感的一端相连接，解耦电感的另一端、第一解耦开关管的发射极、解耦电容的另一端和第三解耦开关管的发射极相连接，第三解耦开关管的集电极和隔离变压器原边绕组的异名端相连接。

所述的具有功率解耦的极性反转输出型逆变器控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测输入电压信号，输入电流信号，解耦电容电压信号，电网电压信号；

步骤B，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入MPPT模块，获得最大直流输入功率；

步骤D，将步骤A得到的解耦电容电压信号输入电压环路，获得解耦电容电压扰动信号；

步骤E，将步骤A得到的解耦电容电压信号、步骤B得到的单位正弦波信号、步骤C得到的最大直流输入功率和步骤D得到的解耦电容电压扰动信号输入电流基准运算电路得到输入电流基准和原边电流基准；

步骤F，将步骤E得到的输入电流基准和原边电流基准接入调制信号生成电路，获得第一、第二、第三、第四、第五调制波信号；

步骤G，将步骤F得到的第一、第二、第三、第四调制波信号接入PWM控制电路，获得第一、第二、第三、第四逻辑信号；

步骤H，将步骤F得到的第五调制波信号接入过零比较器，获得第五逻辑信号；

步骤I，将步骤A得到的电网电压信号接入过零比较器，获得第六逻辑信号；

步骤J，将前述第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第六逻辑信号先直接输出得到极性反转逆变桥的第一晶闸管和第二开关管的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的第二晶闸管和第一开关管的控制信号；

将前述第一、第三、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第三逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第一和第五逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一和第五逻辑信号接入逻辑与门，再接入逻辑非门后，最后和第二、第五逻辑信号一同接入逻辑与门，获得第一解耦开关管的控制信号；

将前述第三、第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门，和第三逻辑信号一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，和第四逻辑信号、以及将第五逻辑信号接入非门后得到的信号一同接入逻辑与门，获得第二和第三解耦开关管的控制信号。

本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过控制解耦电路将低频纹波有效的转移到解耦电容上，从而达到消除直流输入侧二次电流纹波的目的，避免系统中使用体积大、可靠性低且寿命短的电解电容。

附图说明

附图1是本发明的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图2是本发明的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器进一步等效电路图。

附图3～附图4是本发明的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器两种主要工作波形示意图。

附图5～附图10是本发明的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器的各开关模态示意图。

附图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、解耦电感电流、解耦电容电压、并网电流及电网电压的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_in、电源电压。C_in、输入电容。S_p、原边开关管。L_x、解耦电感。C_x、解耦电容。S_x1～S_x3、均为解耦开关管。D_x1、D_x2、均为解耦二极管。T、隔离变压器。n₁、隔离变压器原边绕组。n₂、隔离变压器副边绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。D₁、截止二极管。C_o、滤波电容。S_t1、S_t2、均为晶闸管。S_s1、S_s2、均为开关管。L_f、输出滤波电感。C_f、输出滤波电容。v_grid、电网电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1所示的是一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。具有功率解耦的极性反转输出型逆变器主电路由直流电源、输入电容1、隔离变压器2、原边开关管3、截止二极管4、滤波电容5、极性反转逆变桥6、滤波电路7、电网8及解耦电路9组成。C_in是输入电容，S_p是原边开关管，S_x1～S_x3是解耦开关管，L_x是解耦电感，D_x1、D_x2是解耦二极管，C_x是解耦电容，T是隔离变压器，D₁是截止二极管，C_o是滤波电容，S_t1、S_t2是晶闸管，S_s1、S_s2是开关管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，v_grid是电网电压。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1的逆变器等效为附图2所示的电路。

检测输入电压信号V_in，输入电流信号I_in，解耦电容电压信号v_x，电网电压信号v_grid；将电网电压信号v_grid输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号sinωt；将输入电压信号V_in和输入电流信号I_in接入MPPT模块，获得最大直流输入功率P_in；将解耦电容电压信号v_x输入电压环路，获得解耦电容电压扰动信号Δv_x；将解耦电容电压信号v_x、单位正弦波信号sinωt、最大直流输入功率P_in和解耦电容电压扰动信号Δv_x输入电流基准运算电路得到输入电流基准I_1-ref和原边电流基准i_p-ref；将输入电流基准I_1-ref和原边电流基准i_p-ref接入调制信号生成电路，获得调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄及M₅；将调制波信号M₁、M₂、M₃及M₄接入PWM控制电路，获得逻辑信号C₁、C₂、C₃及C₄；将调制波信号M₅接入过零比较器，获得逻辑信号C₅；将电网电压信号v_grid接入过零比较器，获得逻辑信号C₆；将逻辑信号C₆输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₆先直接输出得到极性反转逆变桥的晶闸管S_t1和开关管S_s2的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的晶闸管S_t2和开关管S_s1的控制信号；将逻辑信号C₁、C₃及C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅接入逻辑非门后，和逻辑信号C₃一同接入逻辑与门，同时逻辑信号C₁和C₅接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管S_p的控制信号；将逻辑信号C₁、C₂及C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₁、C₅接入逻辑与门，经过逻辑非门后，再和逻辑信号C₂、C₅一同接入逻辑与门，获得解耦开关管S_x1的控制信号；将逻辑信号C₃、C₄及C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅接入逻辑非门，和逻辑信号C₃一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，和逻辑信号C₄、以及将逻辑信号C₅接入逻辑非门后得到的信号一同接入逻辑与门，获得解耦开关管S_x2、S_x3的控制信号。

下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图5～附图10叙述本发明的具体工作原理，其中只对反激变换器工作模态进行分析，而极性反转逆变桥的工作原理不再赘述。由于直流电源提供的输入功率为一直流量，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率P_in与瞬时输出功率p_o的大小将电路的工作模式分为两种：当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式I状态，如附图3所示；当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式II状态，如附图4所示。由附图3和附图4可以看出，无论逆变器工作于模式I或者模式II时，一个开关周期T_s内，逆变器均有4种开关模态，[t₀-t₁]、[t₁-t₂]、[t₂-t₃]、[t₃-t₄]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②解耦电容上电压在每个高频开关周期内是定值；③隔离变压器匝比为：n₁∶n₂＝1∶n。

下面对模式I下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图5]

t₀时刻，开通原边开关管S_p，变压器激磁电感L_m开始储能，原边电流i_p从零开始线性上升。t₁时刻，原边电流i_p上升至原边电流参考值i_p-ref，此时关断开关管S_p，该模态结束，此阶段中，i₁＝i_p，隔离变压器的激磁电感中仅储存负载所需要的能量，电流参考值i_p-ref可表示为：

进而可以得到调制波M₁(t)：

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图6]

t₁时刻，截止二极管D₁导通，变压器激磁电感中储存的能量传递到电网，无论是在开关模态2还是开关模态3，当隔离变压器激磁电感释能结束时，截止二极管D₁将不会再有电流流过，直到下一开关周期；同时，解耦开关管S_x1开通，解耦电感L_x承受电源电压，解耦电感电流i_Lx由零线性上升，直到其达到电流参考值i_Lx-ref。电流参考值i_Lx-ref：

进而可以得到调制波M₂(t)：

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图7]

t₂时刻，解耦开关管S_x1关断，解耦电感L_x因承受解耦电容上反向电压，电流i_Lx线性下降，解耦电容C_x储存能量。附图7所示的示意图中，截止二极管D₁处于导通状态，但其也可能工作在截止状态。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图8]

t₃时刻，解耦电感L_x上和截止二极管D₁上均没有电流，隔离变压器工作在断续模式，滤波电容C_o和C_f维持电网所需的能量。

下面对模式II下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[t₀-t₁][对应于附图5]

此过程与模式I下的开关模态1相同，变压器激磁电感承受电源正向电压，原边电流i_p从零开始线性上升，直到电流i_p上升至输入电流参考值I_1-ref，此时关断开关管S_p，电流i₁的高频分量流过输入电容C_in，所以直流输入侧的电流为一直流量。输入电流参考值I_1-ref可表示为：

进而可以得到调制波M₃(t)和M₅(t)：

M₅(t)＝I_1-ref-i_p-ref (7)

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图9]

t₁时刻，开通解耦开关管S_x2和S_x3，变压器激磁电感因承受解耦电容上正向电压继续储能，因而原边电流i_p继续线性上升，当其上升到原边电流参考值i_p-ref时，解耦开关管S_x2和S_x3同时关断，此模态结束。可以得到调制波M₄(t)：

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图10]

此阶段，储存在隔离变压器激磁电感中的能量向电网传递，副边电流i₂下降到零。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图8]

此过程与模式1下的开关模态4相同，滤波电容C_o和C_f提供电网所需的能量。

图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流I_in、解耦电感电流i_Lx、解耦电容电压v_x、并网电流i_grid及电网电压v_grid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明能够有效的消除直流输入侧的二次电流纹波。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)增加的解耦电路能够将输出功率带来的功率纹波完全转移到解耦电容上，使得直流侧输入电流中不再含有二次电流纹波，避免在系统中使用体积大、可靠性低的电解电容。

2)控制方法较为简单，实现了电能变换和纹波抑制的双重功能，且易实现。

3)系统中的电容均可采用容值小、寿命长的薄膜电容，大大的延长了逆变器使用寿命。

Claims (2)

1.一种具有功率解耦的极性反转输出型逆变器，包括直流电源(V_in)、输入电容(1)、隔离变压器(2)、原边开关管(3)、截止二极管(4)、滤波电容(5)、极性反转逆变桥(6)、输出滤波电路(7)及电网(8)，其中直流电源(V_in)的正极接输入电容(1)的一端，直流电源的负极分别接输入电容(1)的另一端和原边开关管(3)的发射极，原边开关管(3)的集电极接隔离变压器(2)的原边绕组异名端，极性反转逆变桥(6)包括两个晶闸管和两个开关管，第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阳极相连构成极性反转逆变桥(6)的正输入端，第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连构成极性反转逆变桥(6)的负输入端，第一晶闸管的阴极和第一开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥(6)的正输出端，第二晶闸管的阴极和第二开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥(6)的负输出端，隔离变压器(2)副边绕组的非同名端和截止二极管(4)的阳极相连接，隔离变压器(2)副边绕组的同名端、滤波电容(5)的一端和极性反转逆变桥(6)的负输入端相连接，截止二极管(4)的阴极、滤波电容(5)的另一端和极性反转逆变桥(6)的正输入端相连接，输出滤波电路(7)包括一个输出滤波电感和一个输出滤波电容，输出滤波电感的一端、输出滤波电容的一端和极性反转逆变桥(6)的正输出端相连接，输出滤波电感的另一端和电网(8)的一端相连接，电网(8)的另一端、输出滤波电容的另一端和极性反转逆变桥(6)的负输出端相连接，其特征在于：

还包括解耦电路(9)，其中解耦电路(9)包括解耦电感、解耦电容、两个解耦二极管和三个解耦开关管，第一解耦开关管的集电极、第一解耦二极管的阳极和直流电源(V_in)的正极相连接，第一解耦二极管的阴极、第二解耦开关管发射极和隔离变压器(2)原边绕组的同名端相连接，第二解耦开关管的集电极、解耦电容的一端和第二解耦二极管的阴极相连接，第二解耦二极管的阳极、直流电源(V_in)的阴极和解耦电感的一端相连接，解耦电感的另一端、第一解耦开关管的发射极、解耦电容的另一端和第三解耦开关管的发射极相连接，第三解耦开关管的集电极和隔离变压器(2)原边绕组的异名端相连接。

2.如权利要求1所述的具有功率解耦的极性反转输出型逆变器，其特征在于，该逆变器的控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测输入电压信号，输入电流信号，解耦电容电压信号，电网电压信号；

步骤B，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入MPPT模块，获得最大直流输入功率；

步骤D，将步骤A得到的解耦电容电压信号输入电压环路，获得解耦电容电压扰动信号；

步骤E，将步骤A得到的解耦电容电压信号、步骤B得到的单位正弦波信号、步骤C得到的最大直流输入功率和步骤D得到的解耦电容电压扰动信号输入电流基准运算电路得到输入电流基准和原边电流基准；

步骤F，将步骤E得到的输入电流基准和原边电流基准接入调制信号生成电路，获得第一、第二、第三、第四、第五调制波信号；

步骤G，将步骤F得到的第一、第二、第三、第四调制波信号接入PWM控制电路，获得第一、第二、第三、第四逻辑信号；

步骤H，将步骤F得到的第五调制波信号接入过零比较器，获得第五逻辑信号；

步骤I，将步骤A得到的电网电压信号接入过零比较器，获得第六逻辑信号；

步骤J，将前述第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第六逻辑信号先直接输出得到极性反转逆变桥的第一晶闸管和第二开关管的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的第二晶闸管和第一开关管的控制信号；

将前述第一、第三、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门后，和第三逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第一和第五逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一和第五逻辑信号接入逻辑与门，再接入逻辑非门后，最后和第二、第五逻辑信号一同接入逻辑与门，获得第一解耦开关管的控制信号；

将前述第三、第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号接入逻辑非门，和第三逻辑信号一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，和第四逻辑信号、以及将第五逻辑信号接入非门后得到的信号一同接入逻辑与门，获得第二和第三解耦开关管的控制信号。