CN109742960B - 一种家用储能变流器和家用储能变流器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家用储能变流器和一种家用储能变流器的控制方法，所述家用储能变流器包括：供电模块，用于向所述家用储能变流器供电；逆变模块，用于将直流电转变为交流电，所述逆变模块包括双BUCK拓扑；整流模块，用于将交流电转变为直流电；所述整流模块包括整流双BOOST拓扑；主控模块，用于控制所述逆变模块和所述整流模块的工作状态，并从所述逆变模块或所述整流模块获取电量信息；所述主控模块还用于协调其它模块，所述其它模块至少包括通信模块、计量模块；所述通信模块用于所述家用储能变流器的各模块间的信息交换；所述计量模块通过从所述主控模块获取电量信息，统计所述电量信息。所述家用储能变流器交直流转换效率高，降低购电成本。

Description

一种家用储能变流器和家用储能变流器的控制方法

技术领域

本发明涉及储能领域，特别是指一种家用储能变流器和家用储能变流器的控制方法。

背景技术

家用储能变流器是一种在家庭户内环境下使用的设备，控制储能电池充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。家用储能变流器由直流-交流双向变流器、控制模块以及其它模块构成。家用储能变流器的控制器通过通信单元接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。家用储能变流器通过CAN(Controller Area Network，控制局域网)接口与BMS(Battery Management System，电池管理系统)通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

现有的家用储能变流器在5KW级电能双向转换效率一般在90％～96％之间，较低的转换效率会增加用户的购电成本，一次需要一种高转换效率的家用储能变流器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高转换效率的家用储能变流器。

基于上述目的本发明提供的一种家用储能变流器，一种家用储能变流器，包括：供电模块，用于向所述家用储能变流器供电；逆变模块，用于将直流电转变为交流电，所述逆变模块包括双BUCK拓扑；整流模块用于，将交流电转变为直流电；所述整流模块包括整流双BOOST拓扑；主控模块，用于控制所述逆变模块和所述整流模块的工作状态，并从所述逆变模块或所述整流模块获取电量信息；所述主控模块还用于协调其它模块，所述其它模块至少包括通信模块、计量模块；所述通信模块用于所述家用储能变流器的各模块间的信息交换；所述计量模块通过从所述主控模块获取电量信息，统计所述电量信息。

在一些实施方式中，所述逆变模块包括多支BUCK电路和至少两个用于控制所述多支BUCK电路截止或导通的控制管，还包括与直流侧相连的第一电容以及与交流侧相连的第二电容；每支所述多支BUCK电路的输入端与所述第一电容并联，输出端与所述第二电容并联；每支所述多支BUCK电路至少包括一个电感、一个二极管和一个晶体管，所述一个电感与所述至少两个控制管之一构成充电回路，所述一个电感与所述一个二极管构成放电回路，所述一个晶体管用于开关所述充电回路或所述放电回路。

在一些实施方式中，所述多支BUCK电路包括：第一BUCK电路，包括第一电感、第一二极管和第一晶体管，所述第一电感的一端与所述第一二极管的正极和所述第一晶体管的源极相连，另一端与第一控制管的第一端相连，所述第一二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第一控制管的第二端相连，所述第一晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；第二BUCK电路，包括第二电感、第二二极管和第二晶体管，所述第二电感的一端与所述第二二极管的正极和所述第二晶体管的源极相连，另一端与所述第一控制管的第一端相连，所述第二二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第一控制管的第二端相连，所述第二晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；第三BUCK电路，包括第三电感、第三二极管和第三晶体管，所述第三电感的一端与所述第三二极管的正极和所述第三晶体管的源极相连，另一端与第二控制管的第一端相连，所述第三二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第二控制管的第二端相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；第四BUCK电路，包括第四电感，第四二极管和第四晶体管，所述第四电感的一端与所述第四二极管的正极和所述第四晶体管的源极相连，另一端与所述第二控制管的第一端相连，所述第三二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第二控制管的第二端相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连。

在一些实施方式中，所述第二控制管的第一端与所述第一电容的第一端相连，第二端与所述第二电容的第一端相连；所述第一控制管的第一端与所述第一电容的第一端相连，第二端与所述第二电容的第二端相连；所述第一控制管和所述第二控制管还包括第三段，用于接收调制信号。

在一些实施方式中，所述家用储能变流器至少包括与所述主控模块相连的第一处理器和第二处理器，所述第一处理器和所述第二处理器并行工作；所述第一处理器至少用于状态机控制或电压电流双环控制，所述第二处理器至少用于ADC采样，并将采样数据发送给全局共享存储；所述第一处理器从所述全局共享存储获取所述采样数据。

在一些实施方式中，所述家用储能变流器中的晶体管为碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管。

在一些实施方式中，所述家用储能变流器还包括：显示模块，用于显示信息；直流侧开关，用于开启或关闭直流供电；并网侧开关，用于与电网连接或断开；所述主控模块控制所述计量模块将所述电量信息传输给所述通信模块，所述通信模块将所述电量信息传输给所述显示模块，所述显示模块显示所述电量信息。

本发明还提供一种家用储能变流器的控制方法，用于控制如上一所述的家用储能变流器，述家用储能变流器的并网控制方法为3P3Z控制方法。

本发明还提供一种家用储能变流器的控制方法，包括：使用双BUCK拓扑将直流电转变为交流电；使用整流双BOOT拓扑将交流电转变成直流电；使用并行结构算法进行任务处理与信息处理；所述任务处理至少包括ADC采样、状态机控制或电压电流双环控制；所述并行结构算法进行任务处理与信息处理包括状态机控制与ADC采样并行进行。

在一些实施方式中，所述使用双BUCK拓扑将直流电转变为交流电包括：使用至少两个开关管控制多支BUCK电路；使用所述至少两个开关管中的一个控制部分所述多支BUCK电路进行正向电压的降压，使用所述至少两个开关管中的另一个控制剩余所述多支BUCK电路进行负向电压的降压。

从上面所述可以看出，本发明提供的家用储能变流器的逆变模块为无桥双BOOST拓扑，其交直流最大转换效率高，可以降低用户的购电成本。

进一步，所述家用储能变流器中的晶体管为碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，其导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，而且高温稳定性优良。

附图说明

图1为本发明实施例的一种家用储能变流器的整体方案示意图；

图2为图1中逆变模块的结构示意图；

图3为图1中变流器单元在逆变模式下的工作示意图；

图4为图1中家用储能变流器的算法结构示意图；

图5为图1中家用储能变流器的一种电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图1所示，图1是本发明实施例的一种家用储能变流器10的整体方案示意图，该家用储能变流器10包括主控模块11、变流器单元12、通信模块13、计量模块14和供电模块15。家用储能变流器10的一侧与储能电池相连，一侧与电网相连。其中，供电模块15用于向家用储能变流器10供电，以提供家用储能变流器10中的各个模块所需的电能。

变流器单元12用于将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电，变流器单元12还可以用于交流电与直流电转换过程中的整流、滤波等。变流器单元12至少包括逆变模块121和整流模块122，逆变模块121用于将直流电转换为交流电，整流模块122用于将交流电转换为直流电。

在一些实施方式中，逆变模块121可以为双BUCK拓扑。

在一些实施方式中，整流模块122可以为整流双BOOST拓扑。

主控模块11还用于协调其它模块，例如图1中所示出的通信模块13、计量模块14。

通信模块13用于家用储能变流器10的各模块间的信息交互。

计量模块14通过从主控模块11获取电量信息，统计电量信息。

需要说明的是，图1中的单向箭头或双向箭头表示的为各模块或单元间的信息流方向，例如主控模块11与通信模块13间的双向箭头表示，主控模块11与通信模块13间可以相互通信，互相发送信息流；又如，主控模块11与变流器单元12间的双向箭头表示，主控模块11与变流器单元12间可以相互通信，互相发送信息流。同理，可据此理解图1中其它箭头所表达的含义。

如图1所示，主控模块11与变流器单元12间可以互相传送信息，主控模块11可以控制变流器单元12在逆变模式工作或者在整流模式工作。当主控模块11控制变流器单元12进入逆变模式工作时，逆变模块121开始工作；当主控模块11控制变流器单元12进入逆变模式工作时，整流模块122开始工作。

在一些实施方式中，主控模块11与通信模块13可以相互传送信息，主控模块11可以从变流器单元12获取变流器单元12的工作状态信息(如变流器单元12处于逆变模式或整流模式)，然后将工作状态信息传送给通信模块13，控制通信模块13将该工作状态信息发送至其它模块或其它设备。例如，通信模块13可以通过无线通讯的方式与平板电脑相连，通讯模块13将工作状态信息发送给平板电脑后，平板电脑可以用于显示该工作状态信息。

在一些实施方式中，家用储能变流器10还包括变流控制器16，变流控制器16与主控模块11可以相互传送信息，变流控制器16与变流器单元12件可以相互传送信息，主控模块11可以通过变流控制器16控制变流器单元12的工作模式，例如逆变模式或整流模式。

在一些实施方式中，变流控制器16可以用于采样、PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制)调制或I/O通讯。

在一些实施方式中，计量模块14与变流控制器16可以相互发送信息，计量模块可以通过变流控制器16统计电量信息。

需要说明的是，图1中示出了家用储能变流器10包括变流控制器16的实施方式，但是没有变流控制器16时，计量模块14可以直接从变流器单元12获取电量信息。

图2是图1中逆变模块121的结构示意图。图2中为逆变模块121的主拓扑，即双BUCK逆变拓扑。变流器单元12工作在逆变模式下时，家用储能变流器10按照双BUCK逆变拓扑运行。

逆变模块121包括多支BUCK电路和两个用于控制多支BUCK电路截止或导通的控制管，图2中的两个控制管为晶体管T5和晶体管T6。逆变模块121还包括与直流侧相连的第一电容C1以及与交流侧相连的第二电容C2。第二电容靠近交流侧并联有电感L5和电感L6，构成交流侧的整流回路。

逆变模块121中的电感L1、二极管D1和晶体管T1构成第一BUCK电路；电感L2、二极管D2和晶体管T2构成第二BUCK电路；电感L3、二极管D3和晶体管T3构成第三BUCK电路；电感L4、二极管D4和晶体管T4构成第四BUCK电路D。每支BUCK电路的输入端与第一电容C1并联，输出端与第二电容C2并联。

第一BUCK电路中第一电感L1的一端与第一二极管D1的正极和第一晶体管T1的源极相连，另一端与晶体管T5的漏极相连；第一二极管D1的负极与第一电容C1的第一端和晶体管T5的源极相连，第一晶体管T1的漏极与第一电容C1的第二端相连。

第二BUCK电路中的第二电感L1的一端与第二二极管D2的正极和第二晶体管T2的源极相连，另一端与晶体管T5的漏极相连；第二二极管D2的负极与第一电容C1的第一端和晶体管T5的源极相连，第二晶体管T2的漏极与第一电容C1的第二端相连。

第三BUCK电路中的第三电感L3的一端与第三二极管D3的正极和第三晶体管T3的源极相连，另一端与晶体管T6的漏极相连，第三二极管D3的负极与第一电容C1的第一端和晶体管T6的源极相连，第三晶体管T3的漏极与第一电容C1的第二端相连。

第四BUCK电路中的第四电感L4的一端与第四二极管D4的正极和第四晶体管T4的源极相连，另一端与晶体管T6的漏极相连，第三二极管D3的负极与第一电容C1的第一端和晶体管T6的源极相连，第三晶体管T3的漏极与第一电容C1的第二端相连。

晶体管T6的源极第一电容C1的第一端相连，漏极与第二电容C2的第一端相连；晶体管T5的源极与第一电容C1的第一端相连，漏极与第二电容C2的第二端相连；晶体管T4和晶体管T6的栅极用于接收调制信号，调制信号来自变流控制器16中的PWM。

需要说明的是，控制管的数量并不仅限于图2中所示出的两个，可以根据实际需要设置数量合理的控制管，例如，可以对每一支BUCK电路使用一个控制管进行控制。

接下来对该逆变模块121的控制方法进行说明。

逆变模块121将直流电转变为交流电的过程分为四个阶段。

第一阶段，晶体管T6开启，晶体管T5关闭，晶体管T6控制第一BUCK电路和第二BCUK电路开启，第一BUCK电路中的第一晶体管T1开启，第二BUCK电路中的第二晶体管T2开启。此时电流从晶体管T6流出，经过第一电感L1和第一晶体管T1，构成一个充电回路；经过第二电感L2和第二晶体管T2，构成另一个充电回路，此时对第一电感L1和第二电感L2充电，第一电感L1和第二电感L2中的电流线性上升。

第二阶段，晶体管T6开启，晶体管T5关闭，第一晶体管T1和第二晶体管T2关闭。此时，电流从第一电感L1流经第一二极管D1、晶体管T6，构成一个放电回路；电流从第二电感L2流经第二二极管D2、晶体管T6，构成另一个放电回路。此时第一电感L2和第二电感L2放电，第一电感L1和第二电感L2中的电流线性下降。

第三阶段，晶体管T5开启，晶体管T6关闭，晶体管T5控制第三BUCK电路和第四BUCK电路开启，第三BUCK电路中的第三晶体管T3开启，第四BUCK电路中的第四晶体管T4开启。此时电流从晶体管T5流出，经过第三电感L1和第三晶体管T3，构成一个充电回路；经过第四电感L4和第四晶体管T4，构成另一个充电回路，此时对第三电感L3和第四电感L4充电，第三电感L3和第四电感L4中的电流线性上升。

第四阶段，晶体管T5开启，晶体管T6关闭，第三晶体管T3和第四晶体管T4关闭。此时，电流从第三电感L3流经第三二极管D3、晶体管T5，构成一个放电回路；电流从第四电感L4流经第四二极管D4、晶体管T5，构成另一个放电回路。此时第三电感L3和第四电感L4放电，第三电感L3和第四电感L4中的电流线性下降。

经过第一阶段至第四阶段，直流向交流电的变换完成。其中，晶体管T6作为第一控制管，控制第一BUCK电路和第二BUCK电路的开启或关闭，晶体管T5作为第二控制管，控制第三BUCK电路和第四BCUK电路的开启或关闭。

需要说明的是，第一阶段和第二阶段处理的为正向电压，第三阶段和第四阶段处理的为负向电压。

需要说明的是，控制管的数量并不仅限于图2中所示出的两个，可以根据实际需要设置数量合理的控制管，例如，可以对每一支BUCK电路使用一个控制管进行控制。

在一些实施方式中，可以根据所需电压的幅值或频率，设置数量合适的BUCK电路数量，或者设置每支BUCK电路开启的时机。例如，第一阶段和第二阶段时，可仅开启第一BUCK电路；第二阶段和第三阶段时，可仅开启第三BCUK电路。

在一些实施方式中，可以使用至少两个开关管中的一个控制部分多支BUCK电路进行正向电压的降压，使用至少两个开关管中的另一个控制剩余多支BUCK电路进行负向电压的降压。

需要说明的是，图2所示出的晶体管可以为薄膜晶体管、场效应管或其类型的晶体管。

需要说明的是，图2中的晶体管T5和晶体管T6工作在工频(50赫兹)，晶体管T1、晶体管T2、晶体管T3和晶体管T4工作在高频(例如，100赫兹)。

在一些实施方式中，图2中的二极管为SiC(碳化硅)材料制成的二极管，使其具有较快的开关速度和较好的续流能力。

传统桥式电路中，为避免功率元件烧毁，需要设置一个死区，死区即在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥；或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥。与传统桥式电路相比，双BUCK拓扑无需设置死区，不存在电路中桥臂直通的问题，可靠性好，转换效率提高。

在一些实施方式中，整流模块122为整流双BOOST拓扑，家用储能变流器10按照无桥双BOOST拓扑运行，该拓扑无需设置额外的整流桥，可以提高整流模式下的转换效率，减小设备体积，降低硬件成本。

图3是图1中变流器单元12在逆变模式下的工作示意图。需要说明的是，图3中示出的为逆变模块121开始工作时与外部系统的连接关系，并不表示变流器单元12只包括逆变模块121，也不表示只有逆变模块121会与外部系统连接。例如，在整流模式下，与外部系统连接的可以是图1中的整流模块122。

在一些实施方式中，本发明实施例提供的家用储能变流器至少包括第一处理器和第二处理器，第一处理器和第二处理器并行工作。

需要说明的是，处理器的数量可以为三或更多，可也根据实际需要选择数量合适的处理器。

需要说明的是，处理器可以设置于主控模块11中，也可以集成于变流控制器16中，或者通过其他方式接入本发明实施例中的家用储能变流器。可以根据实际需要，在合适的位置设置处理器。

如图4所示，图4是图1中家用储能变流器10的算法结构示意图。其中，第一处理器为CPU1，第二处理器为CPU2。

在一些实施方式中，第一处理器和第二处理器并行工作；第一处理器至少用于状态机控制或电压电流双环控制，第二处理器至少用于ADC采样，并将采样数据发送给全局共享存储；第一处理器从所述全局共享存储获取该采样数据。

CPU1完成初始化后，进行背景循环，即主程序循环，使程序一直保持在所需要运行的情况。

在背景循环过程中，CPU1可以进行各种中断。即，当外设未准备好时，CPU1循环等待，不执行其它程序。当CPU1进行主程序操作时，外设的数据已存入输入端口的数据寄存器；或端口的数据输出寄存器已空，由外设通过接口电路向CPU1发出中断请求信号，CPU1在满足一定的条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入或输出操作的子程序，待输入或输出操作执行完毕之后CPU1即返回继续执行原来被中断的主程序。这样CPU1避免了把大量时间耗费在等待、查询状态信号的操作上，使其工作效率得以提高。能够向CPU1发出中断请求的设备或事件称为中断源。例如，CPU1可以执行中断1，在中断1过程中执行状态机子程序或者访问人机接口；或者，CPU2可以执行中断2，在中断2过程中进行电压电流双环控制或者进行PWM更新。可以根据实际需要，选择中断过程中所要执行的子程序，而不仅限于图4中所列举出的例子。

需要说明的是，状态机是指，由于在通信的过程中很自然地存在不同的状态，每种状态所对应的处理总体上讲应该是不同的，从而存在状态变迁的过程。而对应的软件模块则使用状态机来描述通信过程中的状态变化和相应的处理。

CPU2完成初始化后，进行ADC(ADC，Analog to Digital Converte，模数转换器)采样，然后执行保护子程序。ADC采样完成后，也将采集到的信号发送给通过锁相环，锁相环再将所提的信号发送给GSR(Global Shared Resource，全局共享存储)。

需要说明的是，上述保护子程序是指对输出电流的保护、对输入输出电压保护的程序或者欠压保护，可以根据实际需要选择这些保护中的一个或者多个。

在一些实施方式中，CPU2还可以将ADC采集的数据进行数字滤波处理，然后发送给GSR。需要说明的是，可以根据实际需要选择是否进行数字滤波处理，所以这一过程在图4中使用虚线框示出。

需要说明的是，CPU1与CPU2所处理的任务可以互换，亦即可以根据实际需要分配任务给每个处理器，只要使得处理器并行工作即可。

在一些实施方式中，不同处理器还以通过处理器间通讯模块进行信息交互。

在一些实施方式中，CPU2可以将所采集的信息传送个GSR，然后CPU1可以从GSR获取CPU2所采集的信息。

在一些实施方式中，不同处理器均可以与PWM模块进行信息交互。

对于单CPU程序结构，即使各运算模块之间相对独立，如ADC采样、状态机等没有直接数据传输关系相对独立功能模块，运算只能顺序执行。单CPU结构中断机制虽然能够执行多个控制程序，但只能交替进行，并不能缩短总计算时间，计算速度并没有实质性提升。与单CPU中断机制不同，图4中的双CPU并行结构可以同时运行相对独立的运算模块，总计算时间可以大幅减小。

需要说明的是，虽然在图4中仅示出了两块CPU，但是可以增加更多的CPU。也可以根据实际需要分配每个CPU的处理任务，并不仅局限于图4中所示出的方式。例如，可以使用三块CPU，可以使用第一块CPU进行ADC采样，使用第二块CPU处理状态机，再使用第三块CPU处理电压电流双环控制和PWM更新。

在一些实施方式中，家用储能变流器10中的开关晶体管为SiC MOSFET(SiCMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管)。与Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。另外，SiC MOSFET与相同功率等级的SiMOSFET相比，SiC MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，减小无源滤波器件的体积。再次，由于SiC MOSFET的高温工作特性，提高了其高温稳定性。

在一般情况下，家用储能变流器温度升高会出现当机及转换效率降低的情况发生，一般为解决设备散热问题，多在设备内部增加风机散热，其中风机会产生较大噪声，不利于家庭内部使用。家用储能变流器10采用新型半导体器件，采用多层板设计，优化电路布局布线，降低设备整体运行温度，进而设备可以采用自然风冷散热，使设备处于无噪声运行状态，更适用于家庭环境。

在一些实施方式中，家用储能变流器10还包括显示模块，显示模块用于显示信息。

在一些实施方式中，家用储能变流器10的主控模块11可以根据所接受的指令，控制计量模块14将电量信息传输给通信模块13，通信模块13将电量信息传输给显示模块，显示模块可以据此显示电量信息。显示模块可以是液晶显示屏、LED显示屏、OLED显示屏等，可以根据实际需要选择合适的显示模块。

在在一些实施方式中，家用储能变流器10还包括直流侧开关，用于开启或关闭直流供电。例如，如果设备需要进行试验，直流侧连接400V直流电源，直流侧开关负责关断400V直流源，起到开关、保护作用

在一些实施方式中，家用储能变流器10还包并网侧开关，用于与电网连接或断开。例如，如果设备需要并网试验，交流侧连接电网，并网侧开关负责起到开关、保护作用。

图5是图1中家用储能变流器10的一种电路结构示意图。需要说明的是，为了便于理解，图5中部分相同或相似的元件仅标注了一次。

图5中示出了BUCK电感、电源采样、SiC MOSFET、控制卡槽、滤波电容、直流端子、网侧电感、继电器、共模电感、串口通信、交流端子等元件的位置。

图5中电路为PCB板上设置的电路结构，可以根据实际需要设计PCB板中的走线，进而实现图1中家用储能变流器10的电路结构。

图5中的控制卡槽用于与处理器连接，例如集成了两块CPU的板卡可以插入控制卡槽，进而用于家用储能变流器10的数据处理、数据采集或任务控制。

图5中的PCB板可以放置于留有接口的外壳内，该外壳具有直流电400V的接口和单相交流电220V的接口。

上述外壳可以支持壁挂式和立式两种安置方案，具有此外壳的家用储能变流器10长30.5cm、宽22cm、高11cm，采用高频功率半导体器件，提高设备的工作频率至50～100kHz，减小无源滤波器件的体积，使得该家用储能变流器10体积小，功率密度高，适宜家庭环境下安装使用。

需要说明的是，家用储能变流器10的外壳尺寸并仅限于上述尺寸，也可以根据需要选择合适的尺寸。

如上所述的家用储能变流器10采用ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)双Buck全桥拓扑结构，选用新型半导体材料进一步优化关断损耗，可以实现5kW级电能双向高效变换，交直流最大转换效率大于98％。如表1所示，表1是图1中家用储能变流器10的转换效率的测试数据。无论是逆变模式还是整流模式，该家用储能变流器10的转换效率均不低于98％。

并且，该家用储能变流器10是可以在家庭环境下实现与电网间能量交换的设备，通过设备的整流和逆变工作模式，完成高效率的交直流转换，有效的解决家庭用电设备、分布式电源、储能单元之间互联互通、协同优化的问题，最大化的降低了用户的购电成本。

而且，该家用储能变流器10具有宽范围的MPP(max power point，最大功率点)，其最大电压可达550V。

表1

在一些实施方式中，图1中的家用储能变流器10还可以具有如下功能：

(1)互动电量信息查询：

1)削峰电量查询：在用电高峰时段对家庭用电设备进行供电，减少电网购电行为，可实现日、月、年互动电量查询。

2)填谷电量信息查询：通过主动需求响应单元的电价的激励机制信号，在用电低谷时段向电网购电，可实现日、月、年互动电量查询。

3)查询电能质量状态：例如电能的谐波信号或频率。

4)功率查询：实时功率及当日最大功率查询(含有功无功)。

5)输出电压，电流信息查询：实时电压，电流出口信息。

(2)储能信息查询：

1)查询储能电池剩余电量查询(SOC，State of Charge)。

2)储能电池充放电状态查询。

3)电池组均衡情况查询。

(3)状态监测及保护：

1)过压预警。

2)温度异常预警。

3)过载预警。

4)短路预警。

5)反接预警(针对两个组串接入对比分析)。

(4)智能化控制：

1)光伏-储能智能控制策略：提醒安装分布式电源的家庭用户优先充电或优先并网售电。

2)快速判断与响应能力：对于高渗透型配电网的闪变具有快速判断和响应能力，除了满足安全保护之外，还应可以实现按上级计划受控运行，以及向上级提供并网发电信息。

(5)数据分析

1)结合用户用电行为习惯、电网价格信号、激励机制信号、分布式光伏受气象影响情况，分析各时段与电网友好互动情况。

2)充放电损耗分析，寿命分析。

需要说明的是，上述功能中，(1)(2)(3)可以由计量模块14和通信模块13完成，其他模块配合，本机主要支持输出这些信息，其中(1)项具体显示实现还可以借助其他平台配合实现。上述功能中，(4)(5)主要是主控模块实现，支持输出，也可以和其他平台配合显示。

在一些实施方式中，可以通过PAD(portable android device，平板电脑)上位机与家用储能变流器10进行交互，利用PAD来实现具体信息的显示。

如上所述，家用储能变流器10可实现智能启动与休眠功能，可根据输入电流自动匹配逆变器载率；主动检测与被动检测相结合，具有完善的孤岛保护；启动功率低，可延长发电时间，具备集中控制与管理功能；自然冷散热设计，能够提高装置的稳定性；装置的输出为纯正的正弦波，采用锁相技术，电流谐波含量小，对电网无污染无冲击；具备输出过载、短路、防反接、过压、过热等一系列报警和保护功能。

在一些实施方式中，家用储能变流器10还可以包括GPRS模块、wifi模块或RS485模块。因为具备GPRS无线通信、wifi、RS485等功能，所以支持多种通信规约；而且具备遥测、遥信和遥控功能，可将数据通过串口液晶显示终端进行统一展示。需要说明的是，上述模块可以内嵌于通信模块中，也可以另外设置于家用储能变流器10中。

本发明的实施例还提供一种家用储能变流器的控制方法，用于控制上上述任一实施例中的家用储能变流器，其并网控制方法为3P3Z控制方法。

在并网控制中，需要针对交流信号进行无差跟踪。常用的控制方法中，PI(比例积分控制)控制针对的是直流信号，无法完成对交流信号的无静差跟踪；PR(比例谐振控制)控制虽然能够跟随交流信号，但是由于为二阶控制器，对三阶LCL滤波电路，存在电流畸变大、控制环路不稳定等因素。为此，对于本发明实施例中的家用储能变流器，使用3P3Z(三极点三零点)的控制方法，该方法结合LCL滤波电路的数学模型，通过零极点的配置，可对控制环路的性能进行定量分析和设计。参数设计可借助Matlab等设计工具完成，可视化程度高，设计便捷。此外，参数设计可集成到控制系统中，通过DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)进行控制系统的环路分析和参数在线优化，提高系统的控制性能。

本发明的实施例还提供一种家用储能变流器的控制方法，该控制方法至少包括如下步骤：

使用双BUCK拓扑将直流电转变为交流电的步骤；使用整流双BOOT拓扑将交流电转变成直流电的步骤；使用并行结构算法进行任务处理与信息处理的步骤；使用并行结构算法进行任务处理与信息处理的步骤。

在一些实施方式中，任务处理至少包括ADC采样、状态机控制或电压电流双环控制；信息处理至少包括统计电量信息、统计储能信息、状态监测、状态保护或数据分析。

在一些实施方式中，并行结构算法进行任务处理与信息处理包括状态机控制与ADC采样并行进行。

需要说明的是，上述步骤并无先后关系，可以在不同时间段内进行，也可以同时进行。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (7)

1.一种家用储能变流器，其特征在于，包括：

供电模块，用于向所述家用储能变流器供电；

逆变模块，用于将直流电转变为交流电，所述逆变模块包括双BUCK拓扑；所述逆变模块包括多支BUCK电路和至少两个用于控制所述多支BUCK电路截止或导通的控制管，每个所述控制管控制至少两支BUCK电路；还包括与直流侧相连的第一电容以及与交流侧相连的第二电容；每支所述多支BUCK电路的输入端与所述第一电容并联，输出端与所述第二电容并联；每支所述多支BUCK电路至少包括一个电感、一个二极管和一个晶体管，所述一个电感与所述至少两个控制管之一构成充电回路，所述一个电感与所述一个二极管构成放电回路，所述一个晶体管用于开关所述充电回路或所述放电回路；其中，所述晶体管为碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管；

整流模块用于，将交流电转变为直流电；所述整流模块包括整流双BOOST拓扑；

主控模块，用于控制所述逆变模块和所述整流模块的工作状态，并从所述逆变模块或所述整流模块获取电量信息；

所述主控模块还用于协调其它模块，所述其它模块至少包括通信模块、计量模块；

所述通信模块用于所述家用储能变流器的各模块间的信息交换；

所述计量模块通过从所述主控模块获取电量信息，统计所述电量信息；

变流控制器，所述主控模块通过所述变流控制器控制所述逆变模块和所述整流模块；所述变流控制器至少用于采样、PWM调制或I/O通讯；

所述多支BUCK电路包括：

第一BUCK电路，包括第一电感、第一二极管和第一晶体管，所述第一电感的一端与所述第一二极管的正极和所述第一晶体管的源极相连，另一端与第一控制管的第一端相连，所述第一二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第一控制管的第二端相连，所述第一晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；

第二BUCK电路，包括第二电感、第二二极管和第二晶体管，所述第二电感的一端与所述第二二极管的正极和所述第二晶体管的源极相连，另一端与所述第一控制管的第一端相连，所述第二二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第一控制管的第二端相连，所述第二晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；

第三BUCK电路，包括第三电感、第三二极管和第三晶体管，所述第三电感的一端与所述第三二极管的正极和所述第三晶体管的源极相连，另一端与第二控制管的第一端相连，所述第三二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第二控制管的第二端相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连；

第四BUCK电路，包括第四电感，第四二极管和第四晶体管，所述第四电感的一端与所述第四二极管的正极和所述第四晶体管的源极相连，另一端与所述第二控制管的第一端相连，所述第三二极管的负极与所述第一电容的第一端和所述第二控制管的第二端相连，所述第三晶体管的漏极与所述第一电容的第二端相连。

2.根据权利要求1所述的家用储能变流器，其特征在于，所述第二控制管的第一端与所述第一电容的第一端相连，第二端与所述第二电容的第一端相连；所述第一控制管的第一端与所述第一电容的第一端相连，第二端与所述第二电容的第二端相连；所述第一控制管和所述第二控制管还包括第三段，用于接收调制信号。

3.根据权利要求1所述的家用储能变流器，其特征在于，所述家用储能变流器至少包括与所述主控模块相连的第一处理器和第二处理器，所述第一处理器和所述第二处理器并行工作；所述第一处理器至少用于状态机控制或电压电流双环控制，所述第二处理器至少用于ADC采样，并将采样数据发送给全局共享存储；所述第一处理器从所述全局共享存储获取所述采样数据。

4.根据权利要求1所述的家用储能变流器，其特征在于，所述家用储能变流器还包括：

显示模块，用于显示信息；

直流侧开关，用于开启或关闭直流供电；

并网侧开关，用于与电网连接或断开；

所述主控模块控制所述计量模块将所述电量信息传输给所述通信模块，所述通信模块将所述电量信息传输给所述显示模块，所述显示模块显示所述电量信息。

5.一种家用储能变流器的控制方法，用于控制如权利要求1至4任一所述的家用储能变流器，其特征在于，所述家用储能变流器的并网控制方法为3P3Z控制方法。

6.一种家用储能变流器的控制方法，至少包括：

使用双BUCK拓扑将直流电转变为交流电；

使用整流双BOOT拓扑将交流电转变成直流电；

使用并行结构算法进行任务处理与信息处理；

所述任务处理至少包括ADC采样、状态机控制或电压电流双环控制；

所述并行结构算法进行任务处理与信息处理包括状态机控制与ADC采样并行进行。

7.根据权利要求6所述的家用储能变流器的控制方法，其特征在于，所述使用双BUCK拓扑将直流电转变为交流电包括：

使用至少两个开关管控制多支BUCK电路；

使用所述至少两个开关管中的一个控制部分所述多支BUCK电路进行正向电压的降压，使用所述至少两个开关管中的另一个控制剩余所述多支BUCK电路进行负向电压的降压。

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