CN109586603A - 模块化双sepic升降压输出反并联组合型逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,包括输入并联电路单元、结构相同的SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元,在正半周期和负半周期,SEPIC正、反组输出单元中的选通用功率开关管分别保持长通,分别选通正、反组输出单元,调制用功率开关管的驱动信号均由SPWM调制产生,从而控制SEPIC正、反组输出单元分别输出正弦电压正、负半周。由于SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元电路结构完全相同,便于模块化生产,在某一部件损坏时可直接更换其所在模块,维修快捷方便,降低了使用成本,减小了维修时间。另外,本申请可大大提高最大输出电压。

Description

模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置中的逆变器,具体涉及一种模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器。
背景技术
近年来,为了应对能源危机和环境污染,太阳能、风能等新能源得到了广泛应用。新能源受气候、气象和环境等外界因素的影响较大,意味着其输出的电压变化范围较大,要求逆变器能够在宽输入电压范围内正常工作。为了解决上述问题,传统的太阳能光伏发电系统大多采用两级式并网光伏逆变器,该逆变器主要由前级高频隔离DC/DC变换器和后级网侧逆变器构成,在并网发电前将光伏阵列输出的电压升压,再接入网侧逆变器,但增加的升压变换电路,将导致系统结构复杂化,增加了整机的体积和重量,不利于提高系统的工作效率。单级式逆变器在太阳能光伏发电系统中得到了越来越广泛的应用,相比于两级式光伏并网逆变器,单级逆变器能够更好的降低系统的复杂性,节省成本,提高可靠性。
申请号为2010105047364的双SEPIC升降压输出并联组合型逆变器,利用两个SEPIC变换器组成的一种既可以升压又可以降压的单级逆变器,在输入直流侧电压高于或低于输出交流电压峰-峰值时,此种逆变器仍能正常工作,具有较宽的输入电压范围;采用单周期控制的方法,对输入侧电压的波动具有较强的抑制能力。但由于整个逆变器是一个整体,任何一个器件损坏,在更换时均需整体更换,维修复杂且成本较高;另外,由于第一SEPIC电路和第二SEPIC电路的输入电压值均为外接电源电压值的一半,导致输出电压恒定时,外接电源电压值偏高。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,采用两个SEPIC变换器输出端反并联的连接方式,并应用半周控制策略,实现单级DC/AC逆变。半周控制的双SEPIC单级逆变器,工作电流仅通过单个SEPIC变换电路,流经的器件少,有利于提高变换效率。
为解决上述问题,本发明采取的技术方案为:模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,包括输入并联电路单元电路结构相同的SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元;输入并联电路单元包括电源,SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元的输入端均连接至电源;SEPIC正组输出单元/SEPIC反组输出单元中,第一功率二极管的阳极接电源的正极,阴极接第一电感的一端,第一电感的另一端接调制用功率开关管的集电极和电容的一端,调制用功率开关管的发射极接电源的负极及选通用功率开关管的发射极,电容的另一端接第二电感的一端和第二功率二极管的阳极,第二电感的另一端接选通用功率开关管的发射极;SEPIC正组输出单元/SEPIC反组输出单元中第二功率二极管的阴极和选通用功率开关管的集电极构成电压输出端,SEPIC正组输出单元的电压输出端接储能电容和负载电阻的并联连接点、SEPIC反组输出单元的电压输出端反接储能电容和负载电阻的并联连接点。
SEPIC正组输出单元中的第一电感和第二电感耦合于同一磁芯,SEPIC反组输出单元中的第一电感和第二电感耦合于同一磁芯,两磁芯相互独立。通过耦合的方法使单个电感的值和体积都可以减小,减少整体使用磁芯的数量。
该逆变器输入电压为宽输入电压,电源的大小可低于或高于输出交流电压的峰值。
该逆变器采用半周控制法,SEPIC正组输出单元中调制用功率开关管、选通用功率开关管控制SEPIC正组输出单元的导通关断,SEPIC反组输出单元中调制用功率开关管、选通用功率开关管控制SEPIC反组输出单元的导通关断,在正半周期和负半周期,SEPIC正组输出单元、SEPIC反组输出单元中的选通用功率开关管分别保持长通,分别选通SEPIC正组输出单元、SEPIC反组输出单元,调制用功率开关管的驱动信号均由SPWM调制产生,从而控制SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元分别输出正弦电压正半周和正弦电压负半周。
本发明是利用两个SEPIC变换器组成的一种既可以升压又可以降压的单级逆变器,可实现单级升降压逆变输出,在低于或高于输出交流电压峰值的宽输入直流电压范围内均可正常工作;SEPIC变换器在DC/DC变换中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中,保证双SEPIC输出单元工作于断续导通模式,使电路正常工作;对光伏电池电压变化有很好的适应性,且转换效率较高,系统简单,成本低,可广泛应用于光伏并网发电系统。
本发明所提出的模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,包括三个独立单元:输入并联电路单元、SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元,其中,SEPIC正组输出单元和SEPIC反组输出单元电路结构完全相同,便于模块化生产,在某一部件损坏时可直接更换其所在模块,维修快捷方便,降低了使用成本,减小了维修时间。另外,本申请可大大提高最大输出电压。
附图说明
图1是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器的电路结构示意图;
图2-7是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器的六个工作阶段模态示意图;
图8是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器的功率开关管的驱动波形图;
图9是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器的正组驱动信号S1、S2和输出电压VO波形图;
图10是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器正组电感电流iL1、iL10和输出电压VO波形图;
图11是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器控制方案;
图12是本发明模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器光伏并网控制方案;
上述附图中的主要符号名称:1.输入并联电路单元;2.SEPIC正组输出单元;3.SEPIC反组输出单元;C1~C2——SEPIC变换器电容,C——输出滤波电容。D1、D10、D2、D20——功率二极管,L1、L10、L2、L20——线性电感。S1~S4——功率开关管,E——逆变器输入电压即直流侧母线电压;R——负载阻抗。Vref——参考电压。iref——参考电流。Ip——并网电流幅值。Vgrid——并网电压。I0——并网电流实际值。Ipv——光伏模块电流。Vpv——光伏模块电压。
具体实施方式
如附图1所示,模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,包括输入并联电路单元1、电路结构相同的SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3;输入并联电路单元1包括电源E,SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3的输入端均连接至电源E;SEPIC正组输出单元2/SEPIC反组输出单元3中,第一功率二极管D1/D2的阳极接电源E的正极,阴极接第一电感L1/L2的一端,第一电感L1/L2的另一端接调制用功率开关管S1/S3的集电极和电容C1/C2的一端,调制用功率开关管S1/S3的发射极接电源E的负极及选通用功率开关管S2/S4的发射极,电容C1/C2的另一端接第二电感L10/L20的一端和第二功率二极管D10/D20的阳极,第二电感L10/L20的另一端接选通用功率开关管S2/S4的发射极;SEPIC正组输出单元2/SEPIC反组输出单元3中第二功率二极管D10/D20的阴极和选通用功率开关管S2/S4的集电极构成电压输出端,SEPIC正组输出单元2的电压输出端接储能电容C和负载电阻R的并联连接点AB、SEPIC反组输出单元3的电压输出端反接储能电容C和负载电阻R的并联连接点AB。SEPIC正组输出单元2中的第一电感L1和第二电感L10耦合于同一磁芯,SEPIC反组输出单元3中的第一电感L2和第二电感L20亦耦合于同一磁芯,两磁芯相互独立。
该逆变器采用半周控制法,调制用功率开关管S1和选通用功率开关管S2控制SEPIC正组输出单元2的导通关断,调制用功率开关管S3和选通用功率开关管S4控制SEPIC反组输出单元3的导通关断,选通用功率开关管S2和S4分别用于选通SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3,调制用功率开关管S1和S3分别用于控制SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3输出正弦电压的正负半周。当选通用功率开关管S2导通,选通用功率开关管S4关断时,SEPIC正组输出单元2工作,SEPIC反组输出单元3不工作。此时电路包括三个工作阶段:
工作阶段I
如附图2所示,第一阶段调制用功率开关管S1导通,直流电压源Vdc对第一电感L1充电,第一电感电流iL1线性增长;与此同时电容C1对第二电感L10充电,流过第二电感电流iL10线性增长;第二电感L10将储能电容C短路,第二功率二极管D10不能导通,储能电容C给负载电阻R供电,储能电容C电压下降,因储能电容C较大,故储能电容C电压下降很少,可以近似认为VC=VO,VO为输出电压;流过调制用功率开关管S1的电流iS1=iL1+iL10
工作阶段II
如附图3所示,第二阶段调制用功率开关管S1断开,直流电压源Vdc、第一电感L1、电容C1、第二电感L10构成回路,VL10大于VC,第二功率二极管D10导通,第一电感L1和第二电感L10同时向储能电容C充电,流过第一电感电流iL1与第二电感电流iL10线性下降。
工作阶段III
如附图4所示,第三阶段第一电感L1和第二电感L10的电流之和减小到零,同理流过第二功率二极管D10的电流减小至零,而此时调制用功率开关管S1仍然关断。第一电感L1、电容C1、第二电感L10形成低频振荡,在开关周期内,振荡电流近似恒定。
当选通用功率开关管S4导通,选通用功率开关管S2关断时,SEPIC反组输出单元3工作,SEPIC正组输出单元2不工作。此时电路包括三个工作阶段:
工作状态IV、V、VI
如附图5、附图6、附图7所示,器件工作原理同正组一样。控制调制用功率开关管S3导通关断,使A、B两点间的电压为正弦电压的负半周。选通用功率开关管S2导通时,SEPIC正组输出单元2输出正弦电压的正半周和选通用功率开关管S4导通时,SEPIC反组输出单元3输出的正弦电压负半周组合在一起就是完整的正弦电压输出。
为实现上述工作原理,采用控制方案如附图11所示,采用单极性调制,驱动信号S2和S4分别控制SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3的选通用功率开关,可通过检测给定信号的过零点实现SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3交替切换工作;驱动信号S1和S3分别控制SEPIC正组输出单元2和SEPIC反组输出单元3的调制用功率开关,可采用单极性SPWM调制产生,确保模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器输出按照正弦规律变化;S2和S4采用互补导通工作方式,对应正弦电压的正/负半周,必要时可在两驱动信号之间加入死区延时,以防止发生直通而危及设备安全。半周控制模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器的正组输出单元和反组输出单元分别输出正弦电压的正、负半周,如此循环切换工作即可输出完整的正弦电压波形。

Claims (4)

1.模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,其特征在于,包括输入并联电路单元(1)、电路结构相同的SEPIC正组输出单元(2)和SEPIC反组输出单元(3);输入并联电路单元(1)包括电源(E),SEPIC正组输出单元(2)和SEPIC反组输出单元(3)的输入端均连接至电源(E);SEPIC正组输出单元(2)/SEPIC反组输出单元(3)中,第一功率二极管(D1/D2)的阳极接电源(E)的正极,阴极接第一电感(L1/L2)的一端,第一电感(L1/L2)的另一端接调制用功率开关管(S1/S3)的集电极和电容(C1/C2)的一端,调制用功率开关管(S1/S3)的发射极接电源(E)的负极及选通用功率开关管(S2/S4)的发射极,电容(C1/C2)的另一端接第二电感(L10/L20)的一端和第二功率二极管(D10/D20)的阳极,第二电感(L10/L20)的另一端接选通用功率开关管(S2/S4)的发射极;SEPIC正组输出单元(2)/SEPIC反组输出单元(3)中第二功率二极管(D10/D20)的阴极和选通用功率开关管(S2/S4)的集电极构成电压输出端,SEPIC正组输出单元(2)的电压输出端接储能电容(C)和负载电阻(R)的并联连接点(AB)、SEPIC反组输出单元(3)的电压输出端反接储能电容(C)和负载电阻(R)的并联连接点(AB)。
2.根据权利要求1所述的模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,其特征在于,SEPIC正组输出单元(2)中的第一电感(L1)和第二电感(L10)耦合于同一磁芯,SEPIC反组输出单元(3)中的第一电感(L2)和第二电感(L20)耦合于同一磁芯,两磁芯相互独立。
3.根据权利要求1所述的模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,其特征在于,该逆变器输入电压为宽输入电压,电源(E)的大小可低于或高于输出交流电压的峰值。
4.根据权利要求1所述的模块化双SEPIC升降压输出反并联组合型逆变器,其特征在于,该逆变器采用半周控制法,SEPIC正组输出单元(2)中调制用功率开关管(S1)、选通用功率开关管(S2)控制SEPIC正组输出单元(2)的导通关断,SEPIC反组输出单元(3)中调制用功率开关管(S3)、选通用功率开关管(S4)控制SEPIC反组输出单元(3)的导通关断,在正半周期SEPIC正组输出单元(2)中的选通用功率开关管(S2)保持长通,选通SEPIC正组输出单元(2),调制用功率开关管(S1)的驱动信号由SPWM调制产生,控制SEPIC正组输出单元(2)输出正弦电压正半周;在负半周期SEPIC反组输出单元(3)中的选通用功率开关管(S4)保持长通,选通SEPIC反组输出单元(3),调制用功率开关管(S3)的驱动信号由SPWM调制生成,控制SEPIC反组输出单元(3)输出正弦电压负半周。
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