CN112260567A - 一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器 - Google Patents

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CN112260567A CN202011147303.8A CN202011147303A CN112260567A CN 112260567 A CN112260567 A CN 112260567A CN 202011147303 A CN202011147303 A CN 202011147303A CN 112260567 A CN112260567 A CN 112260567A
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Abstract

本发明公开了一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，包括：第一电感、第二功率开关、第一功率开关、第一二极管、第二二极管、第一解耦电容、第二电感、第四功率开关、第三功率开关、第三二极管、第四二极管、第二解耦电容、第一直流电源、第二直流电源、滤波电容、第三电感、检测电路、控制电路；所述检测电路用于检测第一电感电流、第二电感电流、电网交流电压、入网电流，并反馈给所述控制电路，所述控制电路将所述检测电路的反馈信号转换成驱动信号并发送给所述第一至第四功率开关。本发明提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器结构简单，实现了纹波功率的解耦，并避免了大容量输入滤波器的使用，体积小，成本低，效率高。

Description

一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器。
背景技术
并网逆变器广泛应用于并网系统，实现能量并网。但是，在进行功率变换时，并网侧二次脉动功率导致低频输入电流纹波，不但影响最大功率点的跟踪，还会减少电容、电池等元器件寿命。因此，处理好输入输出端瞬时功率的不平衡，消除二次脉动功率对并网系统的影响具有现实意义。
另一方面，中国专利CN201310069154.1公开的电压电流混源型并网逆变器拓扑中，其具有电感压降小、导通损耗小、开关损耗小、高频下高效率的特点，但是输入侧并联着大电容，成本高。
本发明采用地控制结构简单，并在控制过程中实现了纹波功率的解耦，避免了大容量输入滤波器的使用，从而减小原有缓冲电容的容量，降低了成本，且本发明为非隔离并网逆变器，效率高，体积小，成本低且结构简单。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，以解决目前并网逆变器中存在的二次脉动功率对系统的影响及大容量输入滤波器的使用问题。
本发明提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，包括：第一逆变电路001、第二逆变电路002、第一直流电源E1、第二直流电源E2、滤波电容Cf、第三电感Lg、检测电路005、控制电路006；
所述第一逆变电路001包括第一电感L1、第一有源功率解耦电路003和第二功率开关S2，所述第一有源功率解耦电路003包括第一功率开关S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一解耦电容C1；
所述第二逆变电路002包括第二电感L2、第二有源功率解耦电路004和第四功率开关S4，所述第二有源功率解耦电路004包括第三功率开关S3、第三二极管D3、第四二极管D4、第二解耦电容C2；
所述第一直流电源E1正极与所述第一电感L1一端连接，所述第一电感L1另一端分别与所述第一二极管D1阳极、所述第一功率开关S1一端连接，所述第一功率开关S1另一端分别与所述第二二极管D2阳极、所述第一解耦电容C1一端连接，所述第一二极管D1阴极分别与所述第二功率开关S2一端、所述第一解耦电容C1另一端连接，所述第二功率开关S2另一端分别与所述第三电感Lg一端、所述滤波电容Cf一端、所述第四功率开关S4一端连接，所述第三电感Lg另一端与电网一端连接，所述第二二极管的D2阴极和所述第四二极管D4阳极的连接点分别与所述第一直流电源E1负极、所述第二直流电源E2正极、所述滤波电容Cf另一端、所述电网另一端及地线连接，所述第四二极管D4阴极分别与所述第三功率开关S3一端、所述第二解耦电容C2一端连接，所述第二解耦电容C2另一端分别与所述第四功率开关S4另一端、所述第三二极管D3阳极连接，所述第三二极管D3阴极分别与所述第三功率开关S3另一端、所述第二电感L2一端连接，所述第二电感L2另一端与所述第二直流电源E2负极连接；
所述检测电路005用于检测所述第一电感L1的第一电感电流iL1、所述第二电感L2的第二电感电流iL2、所述第三电感Lg的入网电流ig、电网交流电压Vg，并反馈给所述控制电路006；
所述控制电路006将所述检测电路005反馈的所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2、所述电网交流电压Vg、所述入网电流ig转换成驱动信号并发送所述驱动信号给所述第一至第四功率开关的受控端，以控制所述第一逆变电路001和所述第二逆变电路002。
优选地，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的最小容值取值均满足：
Figure BDA0002740067630000021
其中PPV为额定输入功率，Vav为所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的平均电压，△U为第一解耦电容电压、第二解耦电容电压最大值与最小值之差，wlive为工作角频率。
优选地，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的最小容值取值还满足：
Figure BDA0002740067630000022
其中其中PPV为额定输入功率，Ucmax为所述第一解耦电容电压、所述第二解耦电容电压的最大值、Ucmin为所述第一解耦电容电压、所述第二解耦电容电压的最小值，TS为工频周期。
优选地，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2均为薄膜电容。
优选地，所述第一至第四功率开关S1、S2、S3、S4均为MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
优选地，所述检测电路005采样获取第一电感电流iL1、第二电感电流iL2、入网电流ig、电网交流电压Vg，所述控制电路006将所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2分别取绝对值得到第一电感参考电流iL1 ref、第二电感参考电流iL2 ref，将所述第一电感参考电流iL1 ref、所述第二电感参考电流iL2 ref分别与所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2作差，差值分别经电流环控制器2、电流环控制器3放大作为直流控制信号，将所述直流控制信号分别经过经过PWM调制得出所述第一功率开关S1驱动信号、所述第三功率开关S3驱动信号；
所述控制电路006根据所述电网交流电压Vg获取包含交流侧相位信息的交流侧相位信息信号sin(wt)，将所述入网电流ig给定峰值与所述交流侧电流相位信息sin(wt)相乘生成实时的入网电流参考信号ig ref，将所述入网电流参考信号ig ref与所述入网电流ig作差，差值经电流环控制器1放大作为入网电流控制信号，将所述入网电流控制信号经过PWM调制得出所述第二功率开关S2、所述第四功率开关S4的驱动信号，同时判断入网电流控制信号，当入网电流控制信号大于零时，驱动信号驱动所述第二功率开关S2，反之则驱动所述第四功率开关S4。
由上述方案可知，本发明提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器结构简单，实现了纹波功率的解耦，并避免了大容量输入滤波器的使用，从而减小原有缓冲电容的容量，降低了成本，且本发明为非隔离并网逆变器，体积小，成本低，效率高。
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为本发明实施例提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器的主电路拓扑图；
图2为本发明实施例提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器的检测电路和控制电路的原理图；
图3为本发明实施例提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器的入网电流的控制方法框图；
图4为本发明实施例提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器的第一电感电流的控制方法框图；
图5为本发明实施例提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器的第二电感电流的控制方法框图。
其中，附图标记如下：
001、第一逆变电路；002、第二逆变电路；003、第一有源功率解耦电路；004、第二有源功率解耦电路；005、检测电路；006、控制电路；L1、第一电感；L2、第二电感；Lg、第三电感；S1、第一功率开关；S2、第二功率开关；S3、第三功率开关；S4、第四功率开关；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；C1、第一解耦电容；C2、第二解耦电容；Cf、滤波电容；E1、第一直流电源；E2、第二直流电源。
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。
本发明提供了一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，以解决现有技术中存在的二次脉动功率导致的电流纹波及并网侧大容量输入滤波器的使用问题。
请参阅图1和图2，图1为本发明实施例提供的主电路拓扑图，图2为本发明实施例提供的检测电路和控制电路的原理图，
本发明提供的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，包括：
第一逆变电路001、第二逆变电路002、第一直流电源E1、第二直流电源E2、滤波电容Cf、第三电感Lg、检测电路005、控制电路006；
第一逆变电路001包括第一电感L1、第一有源功率解耦电路003和第二功率开关S2，第一有源功率解耦电路003包括第一功率开关S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一解耦电容C1；
第二逆变电路002包括第二电感L2、第二有源功率解耦电路004和第四功率开关S4，第二有源功率解耦电路004包括第三功率开关S3、第三二极管D3、第四二极管D4、第二解耦电容C2；
第一直流电源E1正极与第一电感L1一端连接，第一电感L1另一端分别与第一二极管D1阳极、第一功率开关S1一端连接，第一功率开关S1另一端分别与第二二极管D2阳极、第一解耦电容C1一端连接，第一二极管D1阴极分别与第二功率开关S2一端、第一解耦电容C1另一端连接，第二功率开关S2另一端分别与第三电感Lg一端、滤波电容Cf一端、第四功率开关S4一端连接，第三电感Lg另一端与电网一端连接，第二二极管的D2阴极和第四二极管D4阳极的连接点分别与第一直流电源E1负极、第二直流电源E2正极、滤波电容Cf另一端、电网另一端及地线连接，第四二极管D4阴极分别与第三功率开关S3一端、第二解耦电容C2一端连接，第二解耦电容C2另一端分别与第四功率开关S4另一端、第三二极管D3阳极连接，第三二极管D3阴极分别与第三功率开关S3另一端、第二电感L2一端连接，第二电感L2另一端与第二直流电源E2负极连接；
滤波电容Cf用于对第一逆变电路001和第二逆变电路002输出的交流电进行滤波；
检测电路005用于检测所述第一电感L1的第一电感电流iL1、所述第二电感L2的第二电感电流iL2、所述第三电感Lg的入网电流ig、电网交流电压Vg，并反馈给控制电路006；
控制电路006将检测电路005反馈的第一电感电流iL1、第二电感电流iL2、电网交流电压Vg、入网电流ig转换成驱动信号并发送驱动信号给第一至第四功率开关的受控端，以控制第一逆变电路001和第二逆变电路002。
并网逆变器工作在工频正半周时，第一逆变电路001工作，第一逆变电路001在保证入网电流ig为满足要求的正弦电流的情况下，第一解耦电容电压呈近似正弦波动，第一功率开关S1高频工作，以控制单位开关周期内并网逆变器的输入能量稳恒，使第一电感电流iL1为直流电流，从而实现直流输入侧瞬时功率的平滑输出，第二功率开关S2高频工作，以实现正弦化输出电流注入电网，与此同时，第三功率开关S3高频工作，第四功率开关S4断开，使第二有源功率解耦电路004处于充电模式，有效缓冲直流电源提供的能量，保证能量高效利用，实现功率解耦；
并网逆变器工作在工频负半周时，第二逆变电路002工作，第二逆变电路002在保证入网电流ig为满足要求的正弦电流的情况下，第二解耦电容电压呈近似正弦波动，第三功率开关S3高频工作，以控制单位开关周期内并网逆变器的输入能量稳恒，使第二电感电流i2为直流电流，从而实现直流输入侧瞬时功率的平滑输出，第四功率开关S4高频工作，以实现正弦化输出电流注入电网，与此同时，第一功率开关S1高频工作，第二功率开关S2断开，使第一有源功率解耦电路003处于充电模式，有效缓冲直流电源提供的能量，实现功率解耦；
第一解耦电容C1、第二解耦电容C2的最小容值取值均满足：
Figure BDA0002740067630000061
其中PPV为额定输入功率，Vav为第一解耦电容C1、第二解耦电容C2的平均电压，△U为第一解耦电容电压、第二解耦电容电压最大值与最小值之差，wlive为工作角频率。
第一解耦电容C1、第二解耦电容C2的最小容值取值还满足：
Figure BDA0002740067630000062
其中其中PPV为额定输入功率，Ucmax为第一解耦电容电压、第二解耦电容电压的最大值、Ucmin为第一解耦电容电压、第二解耦电容电压的最小值，TS为工频周期。
第一解耦电容C1、第二解耦电容C2均为薄膜电容。
第一至第四功率开关S1、S2、S3、S4均为MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
请参阅图4和图5，图4为本发明实施例提供的第一电感电流的控制方法框图，图5为本发明实施例提供的第二电感电流的控制方法框图。检测电路005采样获取第一电感电流iL1、第二电感电流iL2、入网电流ig、电网交流电压Vg，控制电路006将第一电感电流iL1、第二电感电流iL2分别取绝对值得到第一电感参考电流iL1 ref、第二电感参考电流iL2 ref，将第一电感参考电流iL1 ref、第二电感参考电流iL2 ref分别与第一电感电流iL1、第二电感电流iL2作差，差值分别经电流环控制器2、电流环控制器3放大作为直流控制信号，将直流控制信号分别经过经过PWM调制得出第一功率开关S1驱动信号、第三功率开关S3驱动信号；
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的入网电流的控制方法框图，控制电路006根据电网交流电压Vg获取包含交流侧相位信息的交流侧相位信息信号sin(wt)，将入网电流ig给定峰值与交流侧电流相位信息sin(wt)相乘生成实时的入网电流参考信号ig ref，将入网电流参考信号ig ref与入网电流ig作差，差值经电流环控制器1放大作为入网电流控制信号，将入网电流控制信号经过PWM调制得出第二功率开关S2、第四功率开关S4的驱动信号，同时判断入网电流参考信号ig ref与入网电流ig所作差值是否大于零，大于零时驱动信号驱动第二功率开关S2，反之则驱动第四功率开关S4。
综上所述，本发明所公开的实施例结构简单，实现了纹波功率的解耦，并避免了大容量输入滤波器的使用，从而减小原有缓冲电容的容量，降低了成本，且本发明为非隔离并网逆变器，体积小，成本低，效率高。
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 (6)

1.一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，包括：第一逆变电路001、第二逆变电路002、第一直流电源E1、第二直流电源E2、滤波电容Cf、第三电感Lg、检测电路005、控制电路006；
所述第一逆变电路001包括第一电感L1、第一有源功率解耦电路003和第二功率开关S2，所述第一有源功率解耦电路003包括第一功率开关S1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一解耦电容C1；
所述第二逆变电路002包括第二电感L2、第二有源功率解耦电路004和第四功率开关S4，所述第二有源功率解耦电路004包括第三功率开关S3、第三二极管D3、第四二极管D4、第二解耦电容C2；
所述第一直流电源E1正极与所述第一电感L1一端连接，所述第一电感L1另一端分别与所述第一二极管D1阳极、所述第一功率开关S1一端连接，所述第一功率开关S1另一端分别与所述第二二极管D2阳极、所述第一解耦电容C1一端连接，所述第一二极管D1阴极分别与所述第二功率开关S2一端、所述第一解耦电容C1另一端连接，所述第二功率开关S2另一端分别与所述第三电感Lg一端、所述滤波电容Cf一端、所述第四功率开关S4一端连接，所述第三电感Lg另一端与电网一端连接，所述第二二极管的D2阴极和所述第四二极管D4阳极的连接点分别与所述第一直流电源E1负极、所述第二直流电源E2正极、所述滤波电容Cf另一端、所述电网另一端及地线连接，所述第四二极管D4阴极分别与所述第三功率开关S3一端、所述第二解耦电容C2一端连接，所述第二解耦电容C2另一端分别与所述第四功率开关S4另一端、所述第三二极管D3阳极连接，所述第三二极管D3阴极分别与所述第三功率开关S3另一端、所述第二电感L2一端连接，所述第二电感L2另一端与所述第二直流电源E2负极连接；
所述检测电路005用于检测所述第一电感L1的第一电感电流iL1、所述第二电感L2的第二电感电流iL2、所述第三电感Lg的入网电流ig、电网交流电压Vg，并反馈给所述控制电路006；
所述控制电路006将所述检测电路005反馈的所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2、所述电网交流电压Vg、所述入网电流ig转换成驱动信号并发送所述驱动信号给所述第一至第四功率开关的受控端，以控制所述第一逆变电路001和所述第二逆变电路002。
2.根据权利要求1所述的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的最小容值取值均满足：
Figure FDA0002740067620000021
其中PPV为额定输入功率，Vav为所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的平均电压，△U为第一解耦电容电压、第二解耦电容电压最大值与最小值之差，wlive为工作角频率。
3.根据权利要求1所述的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2的最小容值取值均满足：
Figure FDA0002740067620000022
其中其中PPV为额定输入功率，Ucmax为所述第一解耦电容电压、所述第二解耦电容电压的最大值，Ucmin为所述第一解耦电容电压、所述第二解耦电容电压的最小值，TS为工频周期。
4.根据权利要求1所述的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，所述第一解耦电容C1、所述第二解耦电容C2均为薄膜电容。
5.根据权利要求1所述的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，所述第一至第四功率开关S1、S2、S3、S4均为MOS型场效应管、绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
6.根据权利要求1所述的一种具有有源功率解耦功能的非隔离并网逆变器，其特征在于，所述检测电路005采样获取第一电感电流iL1、第二电感电流iL2、入网电流ig、电网交流电压Vg，所述控制电路006将所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2分别取绝对值得到第一电感参考电流iL1 ref、第二电感参考电流iL2 ref，将所述第一电感参考电流iL1 ref、所述第二电感参考电流iL2 ref分别与所述第一电感电流iL1、所述第二电感电流iL2作差，差值分别经电流环控制器2、电流环控制器3放大作为直流控制信号，将所述直流控制信号分别经过PWM调制得出所述第一功率开关S1驱动信号、所述第三功率开关S3驱动信号；
所述控制电路006根据所述电网交流电压Vg获取包含交流侧相位信息的交流侧相位信息信号sin(wt)，将所述入网电流ig给定峰值与所述交流侧电流相位信息sin(wt)相乘生成实时的入网电流参考信号ig ref，将所述入网电流参考信号ig ref与所述入网电流ig作差，差值经电流环控制器1放大作为入网电流控制信号，将所述入网电流控制信号经过PWM调制得出所述第二功率开关S2、所述第四功率开关S4的驱动信号，同时判断所述入网电流参考信号ig ref与所述入网电流ig所作差值是否大于零，大于零时驱动信号驱动第二功率开关S2，反之则驱动第四功率开关S4。
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