CN203243242U - 一种单相光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种单相光伏并网逆变器，主要包括DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器、电流和电压检测电路、控制器及控制电路。DC/DC部分采用LLC谐振半桥电路完成直流电压的转换，并加入了输出电压的闭环控制电路，使DC/DC的输出的是与电网同频并且同相位的馒头状电压波形，对电路中的谐振电感和谐振电容进行设计，有效地降低开关损耗和开关噪声；在DC/AC部分，提出以馒头波做输入电压接入逆变器的直流侧，在实现电压有效逆变的同时降低了逆变电路中滤波电感两端的电压差，使输出电流更为平滑，谐波含量降低。该光伏逆变器体积小，效率高，性能稳定，逆变后谐波含量少，谐波抑制电路体积小且易实现。

Description

一种单相光伏并网逆变器

技术领域

本实用新型涉及单相光伏并网逆变器领域，更具体地，涉及一种单相光伏并网逆变器。 

背景技术

随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。地球中的化石能源是有限的，总有一天会被消耗尽。随着化石能源的减少，其价格也会提高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。可再生能源是满足世界能源需求的一种重要资源，特别是对于我们这个人口大国来讲更加重要。其中太阳能资源在我国非常丰富，其应用具有很好的前景。 

光伏并网发电系统的核心技术是并网逆变器，直接影响到发电系统的经济性和可靠性。因此提高光伏并网逆变器的工作性能成为近年研究的热点。 

目前关于单相光伏并网逆变器的研究，在DC/DC部分通常采用传统的Boost电路进行电压变换和功率跟踪，这种电路能量利用率偏低，设计复杂。在DC/AC部分通常采用分立元件全桥逆变器，这种电路开发周期长，稳定性差，并且逆变器的直流侧接收来自DC/DC部分输出的直流电压，逆变后的正弦电压谐波含量大。在控制芯片选择上，通常采用DSP处理器，虽然DSP处理器性能优，但价格昂贵，这样会大大的增加并网逆变器的成本。 

综上所述，现有的单相光伏并网逆变控制器存在功率利用率低，稳定性差，开发周期长，成本高，逆变后输出的正弦电压谐波含量高等缺点。 

实用新型内容

为了克服现有技术中单相光伏并网逆变器功率利用率差、稳定性差及逆变后输出的正弦电压谐波含量高的不足，本实用新型提出一种单相光伏并网逆变器，本实用新型的单相光伏并网逆变器在提高功率利用率的同时，增强了其稳定性，并降低了并网输出电流的谐波含量。 

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为： 

一种单相光伏并网逆变器，主要包括DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器、电流和电压检测电路及控制器及控制电路；光伏电池接入DC/DC电压转换器，DC/DC电压转换器的输出端接DC/AC电压逆变器；电流和电压检测电路检测DC/DC电压转换器输出端的电压、电流，将输出信号传输至控制器及控制电路，电流和电压检测电路还检测DC/AC电压逆变器输出端的电流传输至控制器及控制电路，所述控制器及控制电路控制DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器； 

所述DC/DC电压转换器含有用于对光伏电池输出的电压进行升压及最大功率点跟踪的LLC谐振半桥电路和PWM跟踪控制硬件电路；以及用于输出与电网同频、同相的馒头状电压波形的输出电压闭环控制电路。 

LLC谐振半桥电路接收光伏电池输出的直流电压，进行升压控制和最大功率跟踪。在DC/DC部分采用加强版LLC集成控制芯片与LLC谐振电路完成电压转换和最大功率跟踪。输出电压闭环控制电路使得DC/DC部分输出与电网同频并且同相位的馒头状电压波形。 

优选地，所述LLC谐振半桥电路包括两个开关器件Q₁、Q₂、体二极管D’₁-D’₂以及寄生电容C’₁-C’₂、串联谐振电感L_r、串联谐振电容C_r、并联谐振电感L_m、带中间抽头的变压器T、全波整流二极管D₁-D₂、输出电感L_o、输出电容C_o和负载R_o； 

所述开关器件Q₁与体二极管D’₁、寄生电容C’₁并联，为第一并联电路，开关器件Q₂与体二极管D’₂，为第二并联电路、寄生电容C’₂并联，上述第一、二并联电路串联，第二并联电路的一端通过串联谐振电感L_r接变压器T的原边的一端，第二并联电路的另一端通过串联谐振电容C_r接变压器T的原边的另一端，并联谐振电感L_m接变压器T的原边的两端，变压器T的副边一端接二极管D₁的正极，二极管D₁的负极分别接输出电容C_o和负载R_o的一端，电容C_o和负载R_o的另一端接变压器T的副边中间抽头，二极管D₁的负极还接二极管D₂的负极，二极管D₂的正极接变压器T的副边的另一端。 

优选地，所述输出电压闭环控制电路包括电压传感器、分压电阻及运放器，所述电压传感器采样电网电压输入到运放器，所述分压电阻采样变压器T副边的输出电压输入到运放器，运放器的输出端接DC/DC电压转换器的输入端； 

所述变压器T原、副边采样光耦隔离器隔离。 

由于反馈信号来自DC/DC电压转换器变化输出端（变压器副边），控制信号用于变压器原边，而为了保证变压器原副边的电磁解耦，原副边不共地，所以使用了光耦隔离，保证控制信号的准确可靠。 

优选地，所述DC/AC电压逆变器采用集成功率的全桥逆变电路实现电压逆变。DC/AC电压逆变器接收DC/DC电压转换器输出馒头波电压波形，采用全桥逆变电路实现电压逆变。DC/AC电压逆变器采用集成功率模块代替常见的分立元件全桥逆变器，同时片上系统芯片采用定时比较完成PWM跟踪控制。 

优选地，所述控制器及控制电路采用单片机作为控制器。在控制芯片的选择上采用单片机系统代替价格昂贵的DSP处理器，完成电路控制，信号处理及跟踪控制。 

优选地，所述电流和电压检测电路包括电压霍尔传感器、信号调理电路，电压霍尔传感器的输出端通过信号调理电路接控制器及控制电路。由于单片机AD转换采样值只能为0～VREF，而传感器输出的是正负值相减的信号，所以在连接到AD采样端之前，需设计一个信号调理电路。设计中的做法为传感器输出信号与一个基准电压信号经过同相加法器叠加，并略微放大或缩小，使达到AD转换的量程。这部分功能有运放来完成。 

在本实用新型中，DC/DC部分采用LLC谐振半桥电路，代替传统Boost电路，实现电压转换和最大功率跟踪。为缩小器件体积，在DC/AC部分用集成功率模块代替常见的分立元件全桥逆变器，同时缩短开发周期，并由片上系统芯片采用定时比较完成PWM跟踪控制。除此之外，为降低并网输出电流的谐波含量，提出以“馒头波”做输入电压代替传统的直流电压接入逆变器的直流侧。为达到这个目的，在DC/DC电路中加入了输出电压的闭环控制技术，使DC/DC部分输出不再是恒定的直流电压，而是与电网同频并且同相位的馒头状电压波形。 

DC/DC部分中的LLC谐振半桥电路，接收太阳能电池板输出的直流电压，进行升压控制和最大功率点跟踪，并对电流和电压采样电路获取PWM信号分进行比较。DC/AC部分接收DC/DC部分输出的与电网同频并且同相位的馒头状电压波形，并由全桥逆变电路实现电压逆变。 

与现有技术相比，本实用新型的优点在于： 

1.在DC/DC部分采用LLC谐振半桥电路，代替传统的Boost电路，并由集成控制芯片和辅助电路构成LLC谐振半桥电路，并加入输出电压闭环控制技术，使得太阳能电池能量利用率高，设计简单，性能稳定。 

2.在DC/AC部分采用集成功率模块代替常见的分立元件—全桥逆变器，使得电路稳定性好，并大大缩短开发周期。 

3.在控制芯片的选择上，放弃昂贵的DSP处理器，采用价格实惠且功能不逊的单片机，有效降低并网逆变器的开发成本。 

4.为降低并网输出电流的谐波含量，提出以馒头波做输入电压代替传统的直流电压接入逆变器的直流侧。为达到这个目的，在DC/DC电路中加入了电压闭环控制技术，使DC/DC输出端不再是恒定的直流电压，而是与电网同频并且同相位的馒头状电压波形。 

附图说明

图1为单相光伏并网逆变器原理框架图。 

图2为LLC谐振变换器原理图。 

图3为通过改变导通率a搜寻最大功率点的曲线图。 

图4为全桥单相有源逆变拓扑示意图。 

图5为直流电压输入的逆变输出电流图。 

图6馒头状电压输入的逆变输出电流。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。 

本实用新型是一种单相光伏并网逆变器，其原理框图如附图1，主要包括DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器、电流和电压检测、控制器及控制电路。DC/DC部分中的LLC谐振半桥电路接收光伏电池输出的直流电压，完成升压控制和最大功率点跟踪，并由电流和电压霍尔采样电路获取PWM信号分进行比较，实现输出电压的闭环控制，输出与电网同频、同相的馒头状电压波形。DC/AC部分中的集成功率模块接收DC/DC部分输出馒头波电压，完成电压逆变，并采用定时比较的PWM完成跟踪控制。 

本实用新型是一种单相光伏并网逆变器，本实用新型的单相光伏并网逆变 器的实现方法的具体实施步骤如下 

根据系统的整体设计思想，系统的前端DC/DC变换与后端的DC/AC逆变器相对独立工作，前者负责升压控制以及生成馒头状波形，后者负责逆变和电流控制，并由控制器对采用电路采集到的信号进行协调控制。 

1.DC/DC电压变换部分 

(1)升压控制 

DC/DC部分中的LLC谐振半桥电路接收太阳能电池板输出的直流电压，进行升压控制。LLC谐振半桥电路原理拓扑如附图2所示。 

从附图2可知，LLC谐振半桥电路拓扑组成元件有：两个开关器件Q₁、Q₂、体二极管D’₁-D’₂以及寄生电容C’₁-C’₂、串联谐振电感L_r（电感值较小时，可仅由变压器漏电感L_k实现）、串联谐振电容C_r、并联谐振电感L_m（一般由变压器励磁电感实现）、带中间抽头变压器T；全波整流二极管D₁-D₂、输出电感L_o、输出电容C_o和负载R_o。 

其中开关器件Q₁与体二极管D’₁、寄生电容C’₁并联，为第一并联电路，开关器件Q₂与体二极管D’₂，为第二并联电路、寄生电容C’₂并联，上述第一、二并联电路串联，第二并联电路的一端通过串联谐振电感L_r接变压器T的原边的一端，第二并联电路的另一端通过串联谐振电容C_r接变压器T的原边的另一端，并联谐振电感L_m接变压器T的原边的两端，变压器T的副边一端接二极管D₁的正极，二极管D₁的负极分别接输出电容C_o和负载R_o的一端，电容C_o和负载R_o的另一端接变压器T的副边中间抽头，二极管D₁的负极还接二极管D₂的负极，二极管D₂的正极接变压器T的副边的另一端。 

LLC谐振半桥电路的软开关原理主要在于Q₁和Q₂的零电压导通，在某段比较窄的频段内即在fs附近可做到Q₁和Q₂的零电流关断。这种新型的电路拓扑在降低开关器件损耗方面具有较大的竞争力。同时可看出这种不对称的半桥电路，变压器原边电压峰值为V_in，对比对称型半桥电路的V_in/2，变压器的升压空间倍增。在Q₁关断的情况下，电流的持续是依靠谐振来实现的，而对称型半桥则是依靠中点电压来实现电流持续，可见能量利用率更高，且这种拓扑电路的变压器体积可以缩小。 

谐振电路的输出电压调节方式以调频为主，而非脉冲宽度调制，为了满足 谐振要求，上下桥臂导通脉冲占空比均略低于0.5。由于LLC谐振拓扑结合传统串联谐振和并联谐振，其工作频率相对于传统谐振拓扑较宽，若以L_r-C_r的谐振频率为 $f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_r\·C_r}},$ 以L_r-L_m-C_r的谐振频率为 $f_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(L_r+L_m)\·C_r}}.$

传统串联谐振开关频率必须高于谐振频率，即f>f_r，而LLC谐振变换器还可以工作于f_m<f<f_r和f=f_r两种状态，可见，基于调频为主的谐振拓扑，LLC谐振变换器更加具有调压优势。关于LLC谐振半桥电路参数设计，依据对LLC谐振拓扑的结构分析，可以得出LLC谐振频率f>f_r，所选芯片的最高工作频率为500kHz，顾及到电路元件参数误差的存在，以及电容寄生电阻的存在，将工作频率初始设计值定为150-200kHz，以加大后期参数优化的调试范围。由： 

$f_r=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{L_r\&CenterDot;C_r}}---\left(1\right)$

可得，当选取C_r值为常见的0.1uF时， 

$L_r=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\&pi;f}\right)}^2{C}_r}---\left(2\right)$

可得，L_r值为11.26μH～6.33μH。 

然而由上面的拓扑分析也可以知道，当变压器的漏感L_k存在时，以及励磁电感L_m，对电路的谐振工作频率有很大的影响，这些因素都会降低电路的谐振频率，μH级的漏感在实际应用中是常见的，开关电源变压器的励磁电感也是μH级的，所以L_r取较小值，选用常见的6.5μH。谐振电容以及谐振电感的选取定为：L_r=6.5μH，C_r=0.1μF。 

(2)馒头波的形成 

在LLC谐振半桥电路的基础上，DC/DC部分加入输出电压的闭环控制技术，从而使得DC/DC部分输出与电网同频并且同相位的馒头状电压波形。使用运放芯片实现比较功能，通过电压传感器从电网采样电压信号作为期望信号，并通过分压电阻采样输出电压值。由于反馈信号来自DC/DC变化输出端（变压器副边），控制信号用于变压器原边，而为了保证变压器原副边的电磁解耦，原副边不共地，所以使用了光耦隔离，保证控制信号的准确可靠。 

(3)最大功率跟踪 

本方法使用增量电导法完成系统的最大功率跟踪控制。该方法通过判断工作电流I与最大功率点电流I_max之间的关系，对开关器件的导通率a进行控制，来增大或者减少电池的输出电流，使电池的功率稳定在最大功率点P_max上或者附近，如附图3。 

2.DC/AC电压逆变部分 

在DC/AC部分接收DC/DC部分输出的与电网同频并且同相位的馒头状电压波形，并由全桥逆变电路实现电压逆变。在本设计中采用全桥逆变电路，其原理拓扑结构图如附图4所示。 

全桥单相有源逆变的拓扑结构如附图4所示，其拓扑元件有：4个开关器件Q₃～Q₆，4个续流二极管D₃～D₆，储能电感L’_r和隔离变压器T’。在逆变电路中，开关器件目前主要使用MOSFET或者IGBT，这两种开关器件的体二极管均无法满足较大功率的续流要求，大部分情况下均要在开关器件并联高性能的续流二极管。电路中可通过Q₅和Q₆的通断来控制电流的方向，Q₃和Q₄的通断来控制电流的大小。当然任一对上下桥臂的开关管都可以控制电流的方向和大小,如关断Q₅也能控制电流大小。特别是在大功率逆变状态下，可以通过对称的改变，来平均流经四个续流二极管的工作电流，增加器件的工作寿命。 

在逆变电路的设计中，主要涉及电路的自举电容以及滤波电容滤波电感的选择。自举电容大小的选择，选定的功率集成模块的数据手册提供的自举电容选择的应用经验，很快选定自举电容为2.2μF。滤波电容滤波电感的选择依据对全桥逆变的拓扑分析，可知：

其中Δt取单片机的控制转变步长50μs（20kHz），ΔI为负载电流的10%，ΔU为前级输出电压峰值与隔离变压器原边电压峰值只差。 

$L=\frac{\mathrm{\&Delta;U}\&CenterDot;T}{\mathrm{\&Delta;I}}=\frac{36\&times;50\&times;{10}^6}{3.6\&times;10\%}=5\mathrm{mH}---\left(3\right)$

滤波电容的选择主要考虑耐压值，而其电容值一般考虑1-10μF之间。 

3.电流和检测部分 

为实现隔离电压采样，设计采用闭环电压霍尔传感器，来进行电压检测。由于单片机AD转换采样值只能为0～V_REF，而传感器输出的是正负值相减的信 号，所以在连接到AD采样端之前，还需要设计一个信号调理电路。做法为传感器输出信号与一个基准电压信号经过同相加法器叠加，并略微放大或缩小，使达到AD转换的量程。 

4.控制电路和控制器设计 

(1)控制方法介绍 

在逆变部分采用的是PWM跟踪控制法。这种方法把期望的电流波形作为参考信号，把实际电流的波形作为反馈信号，提供两种的瞬时值来进行比较，以决定逆变电路开关器件的通断，使得实际的输出跟踪期望信号的变化。 

(2)定时采样程序 

为完成系统的测控功能，单片机必须定时采样系统的瞬时电气值，作为反馈量。根据定时比较PWM跟踪控制方法的要求，需要一个期望值与反馈进行比较，因此电网电压波形是期望值，并网输出电流波形是被控量，将作为反馈量，所以单片机将采样这两个电气量进行控制。 

为提高控制精度，决定单独使用单片机的12位ADC完成两个信号的采样。（该单片机内部集成了一个12位和一个8位AD转换器，各具有8个采样通道）。AD的采样由定时器2溢出触发，AD转换完成后溢出触发中断，进行采样值处理。 

程序将两个不同信号存放在数组中，AD循环采样，数组循环保存。单片机通过改变AMX0SL通道寄存器值来分配采样通道。 

(3)定时比较PWM控制 

在逆变拓扑分析中，正向逆变时，Q₃、Q₆导通，实际电流幅值大于期望幅值时，Q₃关闭；反向逆变时，Q₄、Q₅导通，实际电流幅值大于期望幅值时，Q₄关闭。PWM跟踪比较也是采用这种方法， 

基于PSIM的仿真说明 

（1）创新性应用与传统电路之间的仿真比较 

在并网逆变系统中，并网电流必须与电网电压同频同相，逆变器输出的电流谐波含量必须低于一定的标准值，否则将影响到电网的正常运行，而电流谐波的产生，源于直流逆变成交流的过程中，电网与开关器件之间电压差的存在。虽然提高开关器件开关频率可降低输出电流的谐波含量，但对于较大功率器件 开关频率的提高，目前的应用一直卡在10-50kHz这个瓶颈上，输出电流谐波含量的降低一直是开发设计者关注的焦点，也是涉及到光伏逆变器可否大规模应用的一个关键问题。本方法提出一种新的应用架构，即不直接采用直流逆变成交流，而在逆变电路的前端构造一个类似正弦全波整流后的馒头状波形，在本实用新型中称为馒头状波形。 

附图5和6是在同样开关频率下，分别输入直流电压和馒头电压得到的逆变输出电压。通过对比可知，使输出电流显得更为平滑，谐波含量降低。这是因输入馒头状电压时可有效降低逆变电路中滤波电感两端的电压差。通过比较可知，本文设计采用的前级预先反馈的做法，优势明显。 

以上所述的本实用新型的实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种单相光伏并网逆变器，主要包括DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器、电流和电压检测电路及控制器及控制电路；光伏电池接入DC/DC电压转换器，DC/DC电压转换器的输出端接DC/AC电压逆变器；电流和电压检测电路检测DC/DC电压转换器输出端的电压、电流，将输出信号传输至控制器及控制电路，电流和电压检测电路还检测DC/AC电压逆变器输出端的电流传输至控制器及控制电路，所述控制器及控制电路控制DC/DC电压转换器、DC/AC电压逆变器；其特征在于， 

所述DC/DC电压转换器含有用于对光伏电池输出的电压进行升压及最大功率点跟踪的LLC谐振半桥电路和PWM跟踪控制硬件电路；以及用于输出与电网同频、同相的电压波形的输出电压闭环控制电路。 

2.根据权利要求1所述的单相光伏并网逆变器，其特征在于，所述LLC谐振半桥电路包括两个开关器件Q₁、Q₂、体二极管D’₁-D’₂以及寄生电容C’₁-C’₂、串联谐振电感L_r、串联谐振电容C_r、并联谐振电感L_m、带中间抽头的变压器T、全波整流二极管D₁-D₂、输出电感L_o、输出电容C_o和负载R_o； 

所述开关器件Q₁与体二极管D’₁、寄生电容C’₁并联，为第一并联电路，开关器件Q₂与体二极管D’₂，为第二并联电路、寄生电容C’₂并联，上述第一、二并联电路串联，第二并联电路的一端通过串联谐振电感L_r接变压器T的原边的一端，第二并联电路的另一端通过串联谐振电容C_r接变压器T的原边的另一端，并联谐振电感L_m接变压器T的原边的两端，变压器T的副边一端接二极管D₁的正极，二极管D₁的负极分别接输出电容C_o和负载R_o的一端，电容C_o和负载R_o的另一端接变压器T的副边中间抽头，二极管D₁的负极还接二极管D₂的负极，二极管D₂的正极接变压器T的副边的另一端。 

3.根据权利要求1所述的单相光伏并网逆变器，其特征在于，所述输出电压闭环控制电路包括电压传感器、分压电阻及运放器，所述电压传感器采样电网电压输入到运放器，所述分压电阻采样变压器T副边的输出电压输入到运放器，运放器的输出端接DC/DC电压转换器的输入端； 

所述变压器T原、副边采样光耦隔离器隔离。 

4.根据权利要求1-3所述任一项的单相光伏并网逆变器，其特征在于，所述 DC/AC电压逆变器采用集成功率的全桥逆变电路实现电压逆变。 

5.根据权利要求1所述的单相光伏并网逆变器，其特征在于，所述控制器及控制电路采用单片机作为控制器。 

6.根据权利要求5所述的单相光伏并网逆变器，其特征在于，所述电流和电压检测电路包括电压霍尔传感器、信号调理电路，电压霍尔传感器的输出端通过信号调理电路接控制器及控制电路。 

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