CN116565980B - 具有无功支撑的逆变系统及其控制方法 - Google Patents

具有无功支撑的逆变系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有无功支撑的逆变系统及其控制方法，涉及电网调度领域。逆变系统包括逆变桥、电感以及控制器；逆变桥包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关；电感连接在逆变桥与电网之间；控制器用以在每个工频周期的第一时间段内，控制第二功率开关和第三功率开关均导通，或者第一功率开关和第四功率开关均导通，其中第一时间段为电网的电流变为零的时刻到电网的电压变为零的时刻，并且在第一时间段内电网的电流与电网的电压反相，使得无功功率存储在电感中。本发明能够在节省大容量的电解电容的情况下实现电网的无功支撑，节省了系统的体积和成本。

Description

具有无功支撑的逆变系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电网调度领域，尤其涉及一种具有无功支撑的逆变系统及其控制方法。
背景技术
无功支撑是电网调度中对稳定电网提出的一种功能，在并网光伏逆变器中是相对较难的技术点。
如图1所示，现有的具有无功支撑的逆变系统包括变换器11、电容Cbus、逆变桥12以及滤波器13。变换器11的输入端用于接收光伏组件输出的电压PV+及PV-；逆变桥12的输入端连接变换器11的输出端；滤波器13的输入端连接逆变桥12的输出端；滤波器13的输出端连接电网；母线电容Cbus并联连接在变换器11的输出端，其中母线电容为大容量的电解电容，其容值为几十uF到几百uF。
结合图1和图2，通过控制逆变桥12的功率开关，使得电网的电压Vac和电流Iac之间存在相位差，即电压Vac和电流Iac不同相。如图2所示，在t10时间段内，电压Vac>0，电流Iac>0，输出功率，此时逆变桥12对电网输出功率；在t11时间段内，电压Vac>0，电流Iac<0，输出功率/>，逆变桥12不再对电网输出功率，而是从电网吸收功率；在t12时间段内，电压Vac<0，电流Iac<0，输出功率/>，此时逆变桥12对电网输出功率；在t13时间段内，电压Vac<0，电流Iac>0，输出功率/>，逆变桥12不再对电网输出功率，而是从电网吸收功率；因此需要有电容Cbus来吸收这部分功率，这部分功率就是无功功率，可见在一个工频周期内会存在两次无功功率吸收，不利于无功功率的计算和控制。
如图1所示，当电压Vac和电流Iac不同相时，电流Iac反向流入母线电容Cbus，通过母线电容Cbus存储无功功率，从而实现对电网的无功支撑。
对于没有大的母线电容的逆变桥，则没办法做无功支撑。因此，如何在没有大的母线电容的情况下实现电网的无功支撑，是电网调度领域一直关注的热点问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有无功支撑的逆变系统及其控制方法，能够在节省了大容量的电解电容的情况下实现电网的无功支撑，节省了系统的成本以及体积。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有无功支撑的逆变系统，包括：逆变桥，包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关；所述第一功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端相连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端相连接，所述第四功率开关的第二端与所述第三功率开关的第一端相连接，所述第二功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端相连接；
电感，连接在所述逆变桥与电网之间；以及
控制器，分别与所述第一功率开关的控制端、所述第二功率开关的控制端、所述第三功率开关的控制端以及所述第四功率开关的控制端连接，用于在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，其中所述第一时间段为所述电网的电流变为零的时刻到所述电网的电压变为零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网的电流和所述电网的电压反相，使得所述无功功率存储在所述电感中。
可选地，所述控制器用于根据所述逆变系统需要发出的无功量控制所述第一时间段之前的第三时间段的时长，其中在所述第三时间段内所述电网的电压和电流同相，且所述电网的电流为一个馒头波。
可选地，所述控制器用于在所述第一时间段之后的第二时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述电感存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段为从所述电网的电压过零的时刻到所述电网的电流过零的时刻。
可选地，所述电感连接在所述第一功率开关的第二端和所述电网的第一端之间；或者所述电感连接在所述第四功率开关的第二端和所述电网的第二端之间。
可选地，所述电感包括第一电感和第二电感，所述第一电感连接在所述第一功率开关的第二端和所述电网的第一端之间；所述第二电感连接在所述第四功率开关的第二端和所述电网的第二端之间。
可选地，所述逆变系统还包括滤波电容，所述滤波电容连接在所述第一功率开关的第一端与所述第二功率开关的第二端之间，所述滤波电容的容值为几十nF至几百nF。
可选地，所述滤波电容为薄膜电容、高压陶瓷电容或者高分子聚合物电容。
可选地，在所述第一时间段之前的第三时间段内，所述控制器用于通过输出控制所述第一功率开关和所述第三功率开关的高频开关控制信号，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关的高频开关控制信号，以控制所述第三时间段的时长。
可选地，逆变系统还包括变换器，所述变换器的输入端连接外部电源，所述变换器的输出端连接所述逆变桥的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关。
可选地，在所述第一时间段之后的第三时间段内，所述控制器通过输出控制所述变换器的功率开关的开关控制信号，控制所述第三时间段的时长。
可选地，所述变换器为flyback、LLC、buck、或者boost。
可选地，所述逆变桥还包括第五功率开关和第六功率开关；所述第五功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端连接，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端连接，所述第六功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端连接；所述控制器分别与所述第五功率开关的控制端和所述第六功率开关的控制端连接。
基于同一发明构思，本发明还提供一种具有无功支撑的逆变系统的控制方法，所述逆变系统包括：逆变桥、电感和控制器；所述逆变桥包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关；所述第一功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端相连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端相连接，所述第四功率开关的第二端与所述第三功率开关的第一端相连接，所述第二功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端相连接；所述电感连接在所述逆变桥和电网之间；所述控制器分别与所述第一功率开关、所述第二功率开关、所述第三功率开关和所述第四功率开关相连接；所述控制方法包括：
在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，其中所述第一时间段为所述电网的电流变为零的时刻到所述电网的电压变为零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网的电流和所述电网的电压反相，使得所述无功功率存储在所述电感中。
可选地，根据所述逆变系统需要法出的无功量控制位于所述第一时间段之前的第三时间段的时长，其中在所述第三时间段内所述电网的电压和电流同相，且所述电网的电流为一个馒头波。
可选地，还包括：在所述第一时间段之后的第二时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述电感存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段为从所述电网的电压过零的时刻到所述电网的电流过零的时刻。
可选地，在所述第一时间段之前的第三时间段内，控制所述第一功率开关和所述第二功率开关均导通或所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于高频开关状态，或者，控制所述第二功率开关和所述第四功率开关均导通或所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于高频开关状态，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率；其中，所述第三时间段为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻；
在所述第二时间段之后的第四时间段内，控制所述第一功率开关和所述第三功率开关均导通，或控制所述第二功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率，其中，所述四时间段为所述电网的电流过零时刻至所述电网的电流和电压均过零的时刻。
可选地，在所述第三时间段内，所述控制器通过输出控制所述第一功率开关和所述第三功率开关的高频开关控制信号，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关的高频开关控制信号，控制所述第三时间段的时长。
可选地，所述逆变系统还包括变换器，所述变换器的输入端连接外部电源，所述变换器的输出端连接所述逆变桥的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关；所述控制方法还包括：控制所述变换器的功率开关，以控制所述第三时间段的时长。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：
通过控制器在每个工频周期的第一时间段内控制逆变桥的所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述逆变系统需要发出的无功功率存储在所述电感中；在一个工频周期内只存储一次无功功率，更有利于计算和控制；而且在无需大容量的电解电容的情况下实现电网的无功支撑，节省了系统的成本以及体积。
附图说明
图1为现有具有无功支撑的逆变系统的结构示意图。
图2为图1中电网的电压和电流波形。
图3为有功功率、无功功率和视在功率的关系图。
图4为本发明一实施例的具有无功支撑的逆变系统的结构示意图。
图5为本发明另一实施例的具有无功支撑的逆变系统的结构示意图。
图6为本发明另一实施例的具有无功支撑的逆变系统的结构示意图。
图7为本发明一实施例的图4以及图6中电网电压和电流的波形图。
图8为本发明另一实施例的图4以及图6中电网的电压和电流的波形图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在本实施例的交流电网中，视在功率S表征交流电压有效值与交流电流有效值的乘积，即。有功功率P指在一个工频周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值，也称平均功率/>，而无功功率Q是指电路中电抗器（例如电容或电感）两端的电压与流过的电流有90°的相位差，所以不能做功，也不消耗有功功率，但它参与电网的能量交换，降低了供电效率。如图3所示，视在功率S，有功功率P以及无功功率Q的相互关系为/>。
由于现有技术中，需要在逆变桥输入端并接大容量的电解电容来做无功支撑。如果逆变桥的输入端不允许并接大容量的电解电容，则没有办法做无功支撑，本发明适用于逆变桥的输入端不允许或不需要并接大容量的电解电容的应用场合。
本发明一实施例中，在于提供一种具有无功支撑的逆变系统，请参照图4所示的本发明一实施例的具有无功支撑的逆变系统的结构示意图。本发明一实施例的具有无功支撑的逆变系统，包括：逆变桥41，所述逆变桥41包括第一功率开关HQ1、第二功率开关HQ2、第三功率开关HQ3以及第四功率开关HQ4；所述第一功率开关HQ1的第一端与所述第四功率开关HQ4的第一端相连接，所述第一功率开关HQ1的第二端与所述第二功率开关HQ2的第一端相连接，所述第四功率开关HQ4的第二端与所述第三功率开关HQ3的第一端相连接，所述第二功率开关HQ2的第二端与所述第三功率开关HQ3的第二端相连接；
电感L，连接在所述逆变桥与电网AC之间；以及
控制器43，分别与所述第一功率开关HQ1的控制端、所述第二功率开关HQ2的控制端、所述第三功率开关HQ3的控制端以及所述第四功率开关HQ4的控制端连接，用于在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关HQ2和所述第三功率开关HQ3均导通，或者控制所述第一功率开关HQ1和所述第四功率开关HQ4均导通，使得所述电感L被短路，其中所述第一时间段为所述电网AC的电流过零的时刻到所述电网AC的电压过零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网AC的电流与所述电网AC的电压反相，使得无功功率存储在所述电感中。
其中所述电感L为逆变桥输出侧必需的。本实施例通过控制器在每个工频周期的第一时间段内控制所述第二功率开关HQ2和所述第三功率开关HQ3均导通，或者控制所述第一功率开关HQ1和所述第四功率开关HQ4均导通，使得所述电感L被短路，无功能量存储于电感L上，采用逆变系统中本来就有的电感L来完成无功支撑，从而无需大容量的电解电容完成无功支撑，因此节省了系统的成本和体积。
在本实施例中，逆变系统还包括输出电容C1，所述输出电容C1并联连接在电网AC的两端，该输出电容C1用于减少流入电网AC的高频纹波。
在本实施例中，控制器43输出第一控制信号S1、第二控制信号S2、第三控制信号S3以及第四控制信号S4以分别控制第一功率开关HQ1、第一功率开关HQ2、第一功率开关HQ3以及第一功率开关HQ4的导通或断开。
结合图4和图7，图7为图4中电网电压和电流的波形图，控制器接收无功指令CM，其中该无功指令可以来自调度中心，当控制器43根据所述无功指令CM选择负向无功时，控制逆变桥中相应的功率开关导通或断开。具体地，在每个工频周期的所述第一时间段t1之前的第三时间段t0内控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4均导通或控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4处于高频开关状态，其中第三时间段为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻。此时，所述电网的电压Vac和电流Iac同相，所述电网的电流Iac为一个馒头波，即电网的电压Vac<0，电网的电流Iac<0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。在每个工频周期的第一时间段t1内控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4导通，使得电感L被短路，电网的电压完全加在电感L上，满足Vac=L*Δi，电感L的电流上升，此时，电网的电压Vac<0，电网的电流Iac>0，输出的功率小于零，逆变桥不是在输出功率，而是从电网吸收无功功率，这部分无功功率存在电感L上，从而实现无功支撑。当电网的电压Vac过零时刻，电感L的电流达到最大值且变化率为0。在每个工频周期的第一时间段t1之后的第二时间段t2内继续控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4导通，使得所述电感L存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段t2为从所述电网的电压Vac变为零的时刻到所述电网的电流Iac变为零的时刻，此时，电网的电压Vac反向，即Vac>0，电感的L电流减小，最终减小到0，整个电感电流的变化满足Vac=L*Δi，电网的电压Vac以该过零点前后斜率完全对称，可以避免电感L饱和，能量释放回电网。在每个工频周期第二时间段t2之后的第四时间段t3内控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3导通，此时，电网的电压Vac>0，电网的电流Iac>0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。本实施例在一个工频周期内只存储一次无功功率，更有利于计算和控制。
结合图4和图8，图8为图4中电网电压和电流的波形图，控制器接收无功指令CM，其中该无功指令可以来自调度中心，当控制器43根据所述无功指令CM选择正向无功时，控制逆变桥中相应的功率开关导通或断开。具体地，在每个工频周期的第一时间段t1之前的第三时间段t0内控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3均导通或控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3处于高频开关状态，其中第三时间段t0为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻，此时，所述电网的电压Vac和电流Iac同相，且所述电网的电流Iac为一个馒头波，即电网的电压Vac>0，电网的电流Iac>0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。在每个工频周期的第一时间段t1内控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4导通，使得电感L被短路，电网的电压完全加在电感L上，满足Vac=L*Δi，电感L的电流上升，此时，电网的电压Vac>0，电网的电流Iac<0，输出的功率小于零，逆变桥不是在输出功率，而是从电网吸收无功功率，这部分无功功率存在电感L上，从而实现无功支撑。当电网的电压Vac过零时刻，电感L的电流达到最大值且变化率为0。在每个工频周期的第一时间段t1之后的第二时间段t2内继续控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4均导通，使得所述电感L存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段t2为从所述电网的电压Vac变为零的时刻到所述电网的电流Iac变为零的时刻，此时，电网的电压Vac反向，即Vac<0，电感的L电流减小，最终减小到0，整个电感电流的变化满足Vac=L*Δi，电网的电压Vac以该过零点前后斜率完全对称，可以避免电感L饱和，能量释放回电网。在每个工频周期的第二时间段t2之后的第四时间段t3内控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4导通，此时，电网的电压Vac<0，电网的电流Iac<0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。
在一些实施例中，一个工频周期内只需要进行一次无功功率的存储，相对于传统方案需要存储两次无功功率，更利于计算和控制，且无功功率存储于电感L中，节省了大容量的电解电容，节省了系统的成本和体积。
结合图4、图7以及图8，在一些实施例中，控制器根据逆变系统需要发出的无功量控制所述第三时间段t0的时长。当所述逆变桥接收的电压为直流压且电压值为固定值（这里的固定值可有一定的纹波，如电压平均值上下10%的波动），所述控制器根据逆变系统需要发出的无功量输出控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4的开关控制信号，或者控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3的开关控制信号，此期间第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4，或者控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3处于高频开关状态，使得在所述第三时间段t0内电网的电流Iac为一个馒头波，并在所述第三时间段t0结束的时刻过零，之后进入所述第一时间段t1，以将无功能量存储于电感L上，完成无功支撑。由于所述第三时间段t0和所述第一时间段t1共同形成电网的电压Vac的一个工频周期，因此可见所述第三时间段t0的时长决定了所述第一时间段t1的时长，进而决定了逆变系统发出的无功量。因此在实际应用中，控制器43可根据逆变系统需要发出的无功量，通过控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4的高频开关控制信号，或者控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3的高频开关控制信号，实现控制所述第三时间段t0的时长，进而控制所述第一时间段t1的时长。
在一些实施例中，所述电感L连接在所述第一功率开关HQ1的第二端和所述电网的第一端之间；或者所述电感L连接在所述第四功率开关HQ4的第二端和所述电网的第二端之间。
在一些实施例中，所述电感包括第一电感和第二电感，所述第一电感连接在所述第一功率开关HQ1的第二端和所述电网的第一端之间；所述第二电感连接在所述第四功率开关HQ4的第二端和所述电网的第二端之间。
参照图5，在一些实施例中，逆变系统还包括小容量的滤波电容Crec，该滤波电容Crec连接在第一功率开关HQ1的第一端和第二功率开关HQ2的第二端之间，用于减少流入电网的高频纹波。该小容量的电容可以为薄膜电容、陶瓷电容、或者高分子聚合物电容等，该电容的容值为几pF到几十pF。在本实施例中，这个滤波电容Crec的容值远小于现有技术中电解电容的容量，无法用做无功支撑。本实施例中采用电感L来做无功吸收的元件，可以很好地适用于无大容量电解电容或无需大容量电解电容的逆变系统中，有利于节省系统的体积和成本。
参照图6所示的本发明另一实施例的具有无功支撑的逆变系统的结构示意图，该具有无功支撑的逆变系统还包括变换器51，所述变换器的输入端连接外部电源，例如太阳能电池板PV，所述变换器51的输出端连接所述逆变桥52的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关FQ。其电网电压和电流的波形同样可参阅图7和图8所示。
当变换器51输出的直流电压为直流的馒头波时，也即逆变桥52接收的直流电压为直流的馒头波时，控制器可以根据逆变系统需要发出的无功量控制所述变换器51的功率开关FQ，以控制所述第三时间段t0的时长。控制器53可以输出控制变换器51的功率开关FQ的控制信号P1，使得在所述第三时间段t0内电网的电流Iac为一个馒头波，并在所述第三时间段t0结束的时刻过零，之后进入所述第一时间段t1，以将无功能量存储于电感L上，完成无功支撑，此所述第三时间段t0期间内，对应的控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3，或者第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4处于导通状态即可。同样的，由于所述第三时间段t0和所述第一时间段t1共同形成电网的电压Vac的一个工频周期，因此可见所述第三时间段t0的时长决定了所述第一时间段t1的时长，进而决定了逆变系统发出的无功量。因此在实际应用中，控制器53可根据逆变系统需要发出的无功量控制变换器51的功率开关FQ，实现控制所述第三时间段t0的时长，进而控制所述第一时间段t1的时长。
如图6所示，控制器53还也输出控制信号S1、S2、S3以及S4以控制第一功率开关HQ1、第二功率开关HQ2、第三功率开关HQ3以及第四功率开关HQ4的导通或断开。
在一些实施例中，变换器51可以是隔离型变换电路，例如LLC或者flyback等，也可以是非隔离型变换电路，例如buck或者boost等。
继续参照图6，变换器51为flyback，包括输入电容Cin、变压器T以及功率开关FQ。变压器T的原边绕组的第二端与功率开关FQ的第一端连接，输入电容Cin的第一端连接变压器T的原边绕组的第一端，输入电容Cin的第二端连接功率开关的第二端，输入电容Cin的两端并联连接太阳能电池板PV，变压器T的副边绕组的第一端连接第一功率开关HQ1的第一端，变压器T的副边绕组的第二端连接第二功率开关HQ2的第二端。变换器51可输出上述馒头波状的直流电或电压值固定的直流电。
在一些实施例中，所述逆变桥还包括第五功率开关和第六功率开关；所述第五功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端连接，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端连接，所述第六功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端连接；所述控制器分别与所述第五功率开关的控制端和所述第六功率开关的控制端连接，而形成三相逆变桥。三相逆变桥由于三相平衡，其输入端无需大容量的电解电容。现有技术中为了完成无功支撑，而在其输入端特意加大容量的电解电容。通过采用本申请的由逆变系统本就有的电感完成无功支撑，则无需特意加大容量的电解电容，大大降低了成本和逆变系统的体积。
本申请还提供一种具有无功支撑的逆变系统的控制方法，如图4所示，逆变系统包括：逆变桥，所述逆变桥包括第一功率开关HQ1、第二功率开关HQ2、第三功率开关HQ3以及第四功率开关HQ4；所述第一功率开关HQ1的第一端与所述第四功率开关HQ4的第一端相连接，所述第一功率开关HQ1的第二端与所述第二功率开关HQ2的第一端相连接，所述第四功率开关HQ4的第二端与所述第三功率开关HQ3的第一端相连接，所述第二功率开关HQ2的第二端与所述第三功率开关HQ3的第二端相连接；
电感L，连接在所述逆变桥与电网AC之间；以及
控制器，分别与所述第一功率开关HQ1的控制端、所述第二功率开关HQ2的控制端、所述第三功率开关HQ3的控制端以及所述第四功率开关HQ4的控制端连接；
所述控制方法包括：在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关HQ2和所述第三功率开关HQ3均导通，或者控制所述第一功率开关HQ1和所述第四功率开关HQ4均导通，其中所述第一时间段t1为所述电网AC的电流变为零的时刻到所述电网AC的电压变为零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网的电流Iac和电网的电压Vac反相，使得所述电网AC的无功功率存储在所述电感L中。
具体地，结合图4和图7所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择负向无功时，在每个工频周期的第一时间段t1内控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4均导通，使得电感L被短路，电网的电压完全加在电感L上，满足Vac=L*Δi，电感L的电流上升，此时，电网的电压Vac<0，电网的电流Iac>0，输出的功率小于零，逆变桥不是在输出功率，而是从电网吸收无功功率，这部分无功功率存在在电感L上，从而实现无功支撑。当电网的电压Vac过零时刻，电感L的电流达到最大值且变化率为0。
具体地，结合图4和图8所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择正向无功时，在每个工频周期的第一时间段t1内控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4均导通，使得电感L被短路，电网的电压完全加在电感L上，满足Vac=L*Δi，电感L的电流上升，此时，电网的电压Vac>0，电网的电流Iac<0，输出的功率小于零，逆变桥不是在输出功率，而是从电网吸收无功功率，这部分无功功率存在在电感L上，从而实现无功支撑。当电网的电压Vac过零时刻，电感L的电流达到最大值且变化率为0。
在一些实施例中，控制方法还包括：在所述第一时间段之后的第二时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述电感存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段为从所述电网的电压变为零的时刻到所述电网的电流变为零的时刻。
具体地，结合图4和图7所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择负向无功时，在每个工频周期的第一时间段t1之后的第二时间段t2内继续控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4均导通，使得所述电感L存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段t2为从所述电网的电压Vac变为零的时刻到所述电网的电流Iac变为零的时刻，此时，电网的电压Vac反向，即Vac>0，电感的L电流减小，最终减小到0，整个电感电流的变化满足Vac=L*Δi，电网的电压Vac以该过零点前后斜率完全对称，可以避免电感L饱和，能量释放回电网。
具体地，结合图4和图8所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择正向无功时，在每个工频周期的第一时间段t1之后的第二时间段t2内继续控制第一功率开关HQ1和第四功率开关HQ4均导通，或者第二功率开关HQ2和第三功率开关HQ4均导通，使得所述电感L存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段t2为从所述电网的电压Vac变为零的时刻到所述电网的电流Iac变为零的时刻，此时，电网的电压Vac反向，即Vac<0，电感的L电流减小，最终减小到0，整个电感电流的变化满足Vac=L*Δi，电网的电压Vac以该过零点前后斜率完全对称，可以避免电感L饱和，能量释放回电网。
在一些实施例，所述控制方法还包括：在所述第一时间段之前的第三时间段内，控制所述第一功率开关和所述第三功率开关均导通或所述第一功率开关和所述第三功率开关均处于高频开关状态，或者，控制所述第二功率开关和所述第四功率开关均导通或所述第二功率开关和所述第四功率开关均处于高频开关状态，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率；其中，所述第三时间段为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻。
具体地，结合图4和图7所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择负向无功时，在每个工频周期的所述第一时间段t1之前的第三时间段t0内控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4均导通或控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4处于高频开关状态，其中第三时间段t0为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻，此时，所述电网的电压Vac和电流Iac同相，且所述电网的电流Iac为一个馒头波，即电网的电压Vac<0，电网的电流Iac<0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。
具体地，结合图4和图8所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择正向无功时，在每个工频周期的第一时间段t1之前的第三时间段t0内控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3均导通或控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3均处于高频开关状态，其中第三时间段为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻，此时，所述电网的电压Vac和电流Iac同相，且所述电网的电流Iac为一个馒头波，即电网的电压Vac>0，电网的电流Iac>0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。
在一些实施例，所述控制方法还包括：在所述第二时间段之后的第四时间段内，控制所述第一功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率；其中，所述第四时间段为为所述电网的电流过零时刻至所述电网的电流和电压均过零的时刻。
具体地，结合图4和图7所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择负向无功时，在每个工频周期第二时间段之后的第四时间段t3内控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3均导通，此时，电网的电压Vac>0，电网的电流Iac>0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。
具体地，结合图4和图8所示，当控制器43接收无功指令CM且根据无功指令CM选择正向无功时，在每个工频周期的第二时间段之后的第四时间段t3内控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4均导通，此时，电网的电压Vac<0，电网的电流Iac<0，输出的功率大于零，逆变桥给电网提供功率。
在一些实施例中，结合图4、图7以及图8，在一些实施例中，控制器根据逆变系统需要发出的无功量控制所述第三时间段t0的时长。当所述逆变桥接收的电压为直流压且电压值为固定值（这里的固定值可有一定的纹波，如电压平均值上下10%的波动），所述控制器根据逆变系统需要发出的无功量输出控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4的开关控制信号，此期间第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4，或者输出控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3的开关控制信号，此期间第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3处于高频开关状态，使得在所述第三时间段t0内电网的电流Iac为一个馒头波，并在所述第三时间段t0结束的时刻过零，之后进入所述第一时间段t1，以将无功能量存储于电感L上，完成无功支撑。由于所述第三时间段t0和所述第一时间段t1共同形成电网的电压Vac的一个工频周期，因此可见所述第三时间段t0的时长决定了所述第一时间段t1的时长，进而决定了逆变系统发出的无功量。因此在实际应用中，控制器43可根据逆变系统需要发出的无功量，通过控制第二功率开关HQ2和第四功率开关HQ4的高频开关控制信号，或者控制第一功率开关HQ1和第三功率开关HQ3的高频开关控制信号，实现控制所述第三时间段t0的时长，进而控制所述第一时间段t1的时长。
在一些实施例中，一个工频周期内只需要进行一次无功功率的存储，相对于传统方案需要存储两次无功功率，更利于计算和控制，且无功功率存储于电感L中，可以很好地适用于无大容量电解电容或无需大容量电解电容的逆变系统中，节省了大容量的电解电容，节省了系统的成本和体积。
在一些实施例中，所述逆变系统还包括变换器，所述变换器的输入端连接外部电源，所述变换器的输出端连接所述逆变桥的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关；所述控制方法还包括：控制所述变换器的功率开关，以控制所述第三时间段t0的时长。
具体地，参照图6所示，该具有无功支撑的逆变系统还包括变换器51，所述变换器的输入端连接外部电源，例如太阳能电池板PV，所述变换器51的输出端连接所述逆变桥52的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关FQ。其电网电压和电流的波形同样可参阅图7和图8所示。
当变换器51输出的直流电压为直流的馒头波时，也即逆变桥52接收的直流电压为直流的馒头波时，控制器53根据逆变系统需要发出的无功量控制所述变换器51的功率开关FQ的，以控制所述第三时间段t0的时长。
本实施例的具有无功支撑的逆变系统的控制方法，控制逆变系统在一个工频周期内只进行一次无功功率的存储，相对于传统方案需要存储两次无功功率，更利于计算和控制，且无功功率存储于电感L中，节省了大容量的电解电容，节约了系统的成本和体积。
本申请以单相逆变桥为例进行原理说明，其也可以用于三相逆变桥。由于三相逆变桥本身三相平衡，无需在逆变桥输入端并接电解电容，但是为了做无功支撑，在现有技术中会在逆变桥的输入端并接电解电容来吸收无功功率，从而增大了系统的体积，也增加了系统的成本。通过本申请的技术方案，在交流电压的正半周期或负半周期内通过控制功率开关使交流电流提前过零，让交流电压以及交流电流波形中出现一段时间的交流电压和交流电流反相，并控制该反相的时间段内的电感被短路，让无功功率存储于电感中，另外在该反相的时间段之后控制电感向电网释放无功功率，进而实现无功支撑的目的，减小了三相逆变系统的体积和成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (18)

1.一种具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，包括：
逆变桥，包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关；所述第一功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端相连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端相连接，所述第四功率开关的第二端与所述第三功率开关的第一端相连接，所述第二功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端相连接；所述逆变桥的输入端无需并接有母线电容；
电感，连接在所述逆变桥与电网之间；以及
控制器，分别与所述第一功率开关的控制端、所述第二功率开关的控制端、所述第三功率开关的控制端以及所述第四功率开关的控制端连接，用于在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，其中所述第一时间段为所述电网的电流过零的时刻到所述电网的电压过零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网的电流与所述电网的电压反相，使得无功功率存储在所述电感中。
2.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述控制器用于根据所述逆变系统需要发出的无功量控制位于所述第一时间段之前的第三时间段的时长，其中在所述第三时间段内所述电网的电压和电流同相，且所述电网的电流为一个馒头波。
3.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述控制器用于在所述第一时间段之后的第二时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述电感存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段为从所述电网的电压过零的时刻到所述电网的电流过零的时刻。
4.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述电感连接在所述第一功率开关的第二端和所述电网的第一端之间；或者所述电感连接在所述第四功率开关的第二端和所述电网的第二端之间。
5.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述电感包括第一电感和第二电感，所述第一电感连接在所述第一功率开关的第二端和所述电网的第一端之间；所述第二电感连接在所述第四功率开关的第二端和所述电网的第二端之间。
6.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，还包括滤波电容，所述滤波电容连接在所述第一功率开关的第一端与所述第二功率开关的第二端之间，所述滤波电容的容值为几十nF至几百nF。
7.根据权利要求6所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述滤波电容为薄膜电容、高压陶瓷电容或者高分子聚合物电容。
8.根据权利要求2所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，在所述第三时间段内，所述控制器通过输出控制所述第一功率开关和所述第三功率开关，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关的高频开关控制信号，控制所述第三时间段的时长。
9.根据权利要求2所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，还包括变换器，所述变换器的输入端连接外部电源，所述变换器的输出端连接所述逆变桥的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关。
10.根据权利要求9所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，在所述第三时间段内，所述控制器通过输出控制所述变换器的功率开关的开关控制信号，控制所述第三时间段的时长。
11.根据权利要求9所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述变换器为flyback、LLC、buck、或者boost。
12.根据权利要求1所述的具有无功支撑的逆变系统，其特征在于，所述逆变桥还包括第五功率开关和第六功率开关；所述第五功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端连接，所述第五功率开关的第二端与所述第六功率开关的第一端连接，所述第六功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端连接；所述控制器分别与所述第五功率开关的控制端和所述第六功率开关的控制端连接。
13.一种具有无功支撑的逆变系统的控制方法，其特征在于，所述逆变系统包括：逆变桥、电感和控制器；所述逆变桥包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关；所述第一功率开关的第一端与所述第四功率开关的第一端相连接，所述第一功率开关的第二端与所述第二功率开关的第一端相连接，所述第四功率开关的第二端与所述第三功率开关的第一端相连接，所述第二功率开关的第二端与所述第三功率开关的第二端相连接；所述逆变桥的输入端无需并接有母线电容；所述电感连接在所述逆变桥和电网之间；所述控制器分别与所述第一功率开关、所述第二功率开关、所述第三功率开关和所述第四功率开关相连接；所述控制方法包括：
在每个工频周期的第一时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，其中所述第一时间段为所述电网的电流过零的时刻到所述电网的电压过零的时刻，并且在所述第一时间段内所述电网的电流与所述电网的电压反相，使得无功功率存储在所述电感中。
14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述控制器用于根据所述逆变系统需要发出的无功量控制位于所述第一时间段之前的第三时间段的时长，其中在所述第三时间段内所述电网的电压和电流同相，且所述电网的电流为一个馒头波。
15.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第一时间段之后的第二时间段内，控制所述第二功率开关和所述第三功率开关均导通，或者控制所述第一功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述电感存储的无功功率反馈到所述电网，其中所述第二时间段为从所述电网的电压过零的时刻到所述电网的电流过零的时刻。
16.根据权利要求15所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第一时间段之前的第三时间段内，控制所述第一功率开关和所述第三功率开关，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率，其中，所述第三时间段为所述每个工频周期的起始时刻至所述电网的电流过零的时刻；
在所述第二时间段之后的第四时间段内，控制所述第一功率开关和所述第三功率开关均导通，或控制所述第二功率开关和所述第四功率开关均导通，使得所述逆变桥给所述电网提供有功功率，其中，所述第二时间段为所述电网的电流过零时刻至所述电网的电流和电压均过零的时刻。
17.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，在所述第三时间段内，所述控制器通过输出控制所述第一功率开关和所述第三功率开关，或者控制所述第二功率开关和所述第四功率开关的高频开关控制信号，控制所述第三时间段的时长。
18.根据权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述逆变系统还包括变换器，所述变换器的输入端连接外部电源，所述变换器的输出端连接所述逆变桥的输入端，所述控制器连接所述变换器的功率开关；所述控制方法还包括：控制所述变换器的功率开关，以控制所述第三时间段的时长。
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