具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器及功率解耦方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微型單相光伏并網(wǎng)逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體公開了一種具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器及其功率解耦控制方法，逆變器包括升降壓變流器、單相兩橋臂逆變電路、交流低通輸出濾波電路以及主動(dòng)功率解耦電路，所述主動(dòng)功率解耦電路嵌入所述單相兩橋臂逆變電路中組成三橋臂逆變電路；逆變器的直流輸入源與所述升降壓變流器的輸入端連接，其間并聯(lián)一輸入濾波電容，所述升降壓變流器的輸出端與所述三橋臂逆變電路的輸入端連接，所述三橋臂逆變電路輸出端與所述交流低通輸出濾波電路的輸入端連接；采用采用脈寬能量調(diào)制法進(jìn)行功率解耦控制。本發(fā)明可以使用非電解電容作為解耦電容，避免使用電解電容，從而延長逆變器的故障間隔時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器及功率解耦方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微型單相光伏并網(wǎng)逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種具有主動(dòng)功率解耦 功能的單相并網(wǎng)逆變器及其功率解耦控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 住宅供電多以單相電為主，故單相并網(wǎng)逆變器拓?fù)浔粡V泛地應(yīng)用于家庭分布式發(fā) 電系統(tǒng)中。但單相并網(wǎng)逆變器在滿足并網(wǎng)要求的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逆變器的輸入側(cè)出現(xiàn)兩倍工 頻的功率脈動(dòng)。輸入側(cè)低頻功率脈動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響直流輸入源能量利用率和增加輸出并網(wǎng)電 流的總諧波畸變率。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中通常采用被動(dòng)功率解耦的方法解決這一問題，即通過在直流輸入源與 逆變器中間并聯(lián)大容值的輸入濾波電容，利用電容自身特性被動(dòng)吸收脈動(dòng)功率以實(shí)現(xiàn)逆變 器輸入與輸出的瞬時(shí)功率平衡，并保證輸入側(cè)直流功率恒定。輸入濾波電容容值為：
[0004] C = Wstore_total/( Δ V * Vin)
[0005] 其中，WstOTe-tQtal = Pin/?是功率解耦所需吸收的總能量，取決于直流輸入側(cè)瞬時(shí)功 率，故穩(wěn)恒；Λ V是直流輸入電壓脈動(dòng)的峰峰值；Vin是直流輸入電壓的平均值。輸入濾波電 容在完全吸收脈動(dòng)功率的同時(shí)還需減少直流輸入電壓的脈動(dòng)。為得到比較寬泛的直流輸入 工作電壓以提高直流輸入能量利用率，直流輸入電壓的平均值應(yīng)該盡量取小。這一特性使 得采用被動(dòng)功率解耦方法惟有增加輸入濾波電容容值，通過大容值的電解電容去除輸入側(cè) 的兩倍工頻的功率脈動(dòng)。例如，直流輸入側(cè)瞬時(shí)功率為400瓦，直流輸入電壓為96伏，直流 輸入電壓脈動(dòng)的峰峰值取10%，則輸入濾波電容至少選用容值為133毫法的電解電容。然 而電解電容的平均故障間隔時(shí)間短的特點(diǎn)會(huì)制約逆變器的平均故障間隔時(shí)間，從而降低系 統(tǒng)的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有的逆變器功率解耦系統(tǒng)可靠性低的缺陷，提供一種具 有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器以及功率解耦控制方法，其可避免使用電解電容延 長逆變器的故障間隔時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其包括升降壓變流器、單相兩橋 臂逆變電路、交流低通輸出濾波電路以及主動(dòng)功率解耦電路，所述主動(dòng)功率解耦電路嵌入 所述單相兩橋臂逆變電路中組成三橋臂逆變電路；逆變器的直流輸入源與所述升降壓變流 器的輸入端連接，其間并聯(lián)一輸入濾波電容，所述升降壓變流器的輸出端與所述三橋臂逆 變電路的輸入端連接，所述三橋臂逆變電路輸出端與所述交流低通輸出濾波電路的輸入端 連接。
[0009] 優(yōu)選地，所述主動(dòng)功率解耦電路包括上橋臂解耦開關(guān)管、下橋臂解耦開關(guān)管、上橋 臂回路開關(guān)管、下橋臂回路開關(guān)管、解耦二極管、回路二極管以及解耦電容；所述上橋臂解 耦開關(guān)管的漏極以及所述上橋臂回路開關(guān)管的漏極分別與直流輸入源的負(fù)極端相連接；所 述下橋臂解耦開關(guān)管的源極以及所述回路二極管的陰極分別與升降壓變流器相連接；解耦 電容一端分別與解耦二級管的陰極以及下橋臂解耦開關(guān)管的漏極相連接，另一端與上橋臂 回路開關(guān)管的源極和下橋臂回路開關(guān)管的漏極相連接；所述上橋臂解耦開關(guān)管的源極與 解耦二極管的陽極、下橋臂解耦開關(guān)管的漏極依次串聯(lián)連接組成解耦橋臂；所述上橋臂回 路開關(guān)管的源極與下橋臂解耦開關(guān)管的漏極、回路二極管的陽極依次串聯(lián)連接組成回路橋 臂。
[0010] 優(yōu)選地，所述升降壓變流器包括升降壓開關(guān)管、第一升降壓二極管、第二升降壓二 極管以及升降壓電感；逆變器的直流輸入源的正極端與第一升降壓二極管的陽極、升降壓 開關(guān)管的漏極依次串聯(lián)連接；升降壓開關(guān)管的源極分別與第二升降壓二極管的陰極以及升 降壓電感升降壓電感的一端相連接；升降壓電感的另一端與直流輸入源的負(fù)極端相連接。 [0011] 優(yōu)選地，所述單相兩橋臂逆變電路包括與主動(dòng)功率解耦電路共用的上橋臂回路開 關(guān)管、下橋臂回路開關(guān)管以及回路二極管，還包括上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂極性轉(zhuǎn) 換開關(guān)管、上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管以及下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管，所述上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān) 管的漏極與所述上橋臂回路開關(guān)管的漏極相連接；所述下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管的陰極與所 述回路二極管的陰極相連；所述上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管的源極分別與上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極 管的陽極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管的漏極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管的陽極依次串聯(lián)連接組 成極性轉(zhuǎn)換橋臂。
[0012] 優(yōu)選地，所述交流低通輸出濾波電路包括濾波電容以及第一濾波電感，所述第一 濾波電感的一端與下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管的漏極和上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管的陰極相連接， 另一端與電網(wǎng)的N端連接；或者所述第一濾波電感一端與上橋臂回路開關(guān)管的源極和下橋 臂回路開關(guān)管的漏極相連接，另一端與電網(wǎng)的L端連接，所述濾波電容的一端與所述上橋 臂回路開關(guān)管的源極、下橋臂回路開關(guān)管的漏極相連接，另一端與上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管 的陰極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管的漏極相連接。
[0013] 優(yōu)選地，所述交流低通輸出濾波電路還包括第二濾波電感，所述第一濾波電感的 一端與下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管的漏極和上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管的陰極相連接，另一端與電 網(wǎng)的N端連接，所述第二濾波電感的一端與上橋臂回路開關(guān)管的源極和下橋臂回路開關(guān)管 的漏極相連接，另一端與電網(wǎng)的L端連接。
[0014] 優(yōu)選地，所述濾波電容、輸入濾波電容與解耦電容均為非電解電容。
[0015] 一種單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法，采用脈寬能量調(diào)制：
[0016] 通過控制升降壓變流器中升降壓開關(guān)管的導(dǎo)通來控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器的 輸入能量穩(wěn)恒，實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)瞬時(shí)功率平滑輸出；根據(jù)單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸入能量 計(jì)算出單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量；通過控制主動(dòng)功率解耦電路中回路橋臂中上 橋臂回路開關(guān)管、下橋臂回路開關(guān)管的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)逆變器能量流向的切換，達(dá)到控制單位開 關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出能量的目的，保證輸出瞬時(shí)功率按照兩倍工頻脈動(dòng)且輸出平均功率等 于輸入直流瞬時(shí)功率；通過控制單相兩橋臂逆變電路中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂 極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管，對正弦半波化輸出電流按照工頻進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)正弦化輸出電流注 入電網(wǎng)。
[0017] 優(yōu)選地，所述單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法為：當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆 變器輸入能量大于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)，所述主動(dòng)功率解耦電路主動(dòng)儲(chǔ) 存多余的能量；所述逆變器解耦橋臂的上橋臂解耦開關(guān)管導(dǎo)通，下橋臂解耦開關(guān)管關(guān)閉； 所述逆變器回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)所述解耦電容 儲(chǔ)存能量達(dá)到要求時(shí)，通過所述逆變器回路橋臂切換逆變器能量流向；所述逆變器回路橋 臂配合極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管構(gòu)成回路向電網(wǎng)側(cè) 饋送能量直至能量為零；所述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂極性 轉(zhuǎn)換開關(guān)管按照電網(wǎng)電壓極性開通關(guān)斷；當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器輸入能量小于單位 開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)，所述主動(dòng)功率解耦電路主動(dòng)釋放所需的能量；所述逆 變器解耦橋臂的上橋臂解耦開關(guān)管關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管導(dǎo)通；所述逆變器回路橋臂中 上橋臂回路開關(guān)管、下橋臂解耦開關(guān)管導(dǎo)通，回路二極管反偏關(guān)斷；當(dāng)所述解耦電容釋放能 量達(dá)到要求時(shí)，所述逆變器解耦橋臂的下橋臂解耦開關(guān)管關(guān)斷；所述逆變器回路橋臂配合 極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管構(gòu)成回路向電網(wǎng)側(cè)饋送能 量直至能量為零；所述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管、下橋臂極性轉(zhuǎn)換 開關(guān)管按照電網(wǎng)電壓極性開通關(guān)斷。
[0018] 優(yōu)選地，所述單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法中：
[0019] 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的輸入能量Win為：
[0020] ?；=仁:嘆 & (郵=H ⑴ / 2
[0021] 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的所需輸出能量Wwt為：
[0022] Wout = Win (1-cos (2 ω kTs))
[0023] 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器解耦電路的能量Wst_為：
[0024] Wstore = ffin-ffout = ffin · cos (2 ω kTs)
[0025] 其中Pin為直流輸入源的恒定輸出功率；TS為所述逆變器的開關(guān)周期；ω為電網(wǎng)角 頻率。
[0026] 本發(fā)明所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器及其功率解耦方法，其有益 效果為：
[0027] 通過附加功率解耦電路主動(dòng)儲(chǔ)存和釋放能量，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的交流側(cè)瞬時(shí)功率 兩倍工頻時(shí)變同時(shí)保持直流側(cè)瞬時(shí)功率平滑，并且使得直流側(cè)瞬時(shí)功率等于交流側(cè)平均 功率在無損的系統(tǒng)下。通過解耦電容移除輸入濾波電容上低頻功率脈動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)降低輸 入濾波電容容值要求。通過升降壓電路對解耦電容電壓自舉升壓有利于減少解耦電容容 值。由于附加的解耦電路與直流輸入源和逆變電路是三端連接，增大解耦電容電壓脈動(dòng)并 不影響直流激勵(lì)的伏安外特性。故通過增加解耦電容電壓脈動(dòng)也有利于減少解耦電容容 值，這兩個(gè)特性使得可以使用非電解電容作為解耦電容，避免使用電解電容延長逆變器的 故障間隔時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器的原理圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器在整功率因數(shù)下 一個(gè)工頻周期內(nèi)的運(yùn)行區(qū)間示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器一個(gè)工頻周期內(nèi) 在四種基本工作模式下的開關(guān)管開關(guān)序列。
[0031] 其中：
[0032] 1、升降壓變流器；11、升降壓開關(guān)管；12、第一升降壓二極管；13、第二升降壓二極 管；14、升降壓電感；2、單相兩橋臂逆變電路；21、上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管；22、下橋臂極性 轉(zhuǎn)換開關(guān)管；23、上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管；24、下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管；3、交流低通輸出濾 波電路；31、濾波電容；32、第一濾波電感；33、第二濾波電感；4、主動(dòng)功率解耦電路；41、上 橋臂解耦開關(guān)管；42、下橋臂解耦開關(guān)管；43、上橋臂回路開關(guān)管；44、下橋臂回路開關(guān)管； 45、解耦二極管；46、回路二極管；47、解耦電容；5、三橋臂逆變電路；6、直流輸入源；7、電 網(wǎng)；8、輸入濾波電容。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述。
[0034] 實(shí)施例：
[0035] 請參照圖1，本發(fā)明所述的具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其包括升降 壓變流器1、單相兩橋臂逆變電路2、交流低通輸出濾波電路3以及主動(dòng)功率解耦電路4,主 動(dòng)功率解耦電路4嵌入單相兩橋臂逆變電路2中組成三橋臂逆變電路5 ;逆變器的直流輸 入源6與升降壓變流器1的輸入端連接，其間并聯(lián)一輸入濾波電容8,升降壓變流器1的輸 出端與三橋臂逆變電路5的輸入端連接，三橋臂逆變電路5輸出端與交流低通輸出濾波電 路3的輸入端連接，形成單相并網(wǎng)逆變器的電路。
[0036] 其中，主動(dòng)功率解耦電路4包括上橋臂解耦開關(guān)管41、下橋臂解耦開關(guān)管42、上橋 臂回路開關(guān)管43、下橋臂回路開關(guān)管44、解耦二極管45、回路二極管46以及解耦電容47 ; 上橋臂解耦開關(guān)管41的漏極以及上橋臂回路開關(guān)管43的漏極分別與直流輸入源6的負(fù)極 端相連接；下橋臂解耦開關(guān)管42的源極以及所述回路二極管46的陰極分別與升降壓變流 器1相連接；解耦電容47 -端分別與解耦二級管45的陰極以及下橋臂解耦開關(guān)管42的漏 極相連接，另一端與上橋臂回路開關(guān)管43的源極和下橋臂回路開關(guān)管44的漏極相連接；上 橋臂解耦開關(guān)管41的源極與解耦二極管45的陽極、下橋臂解耦開關(guān)管42的漏極依次串聯(lián) 連接組成解耦橋臂；所述上橋臂回路開關(guān)管43的源極與下橋臂解耦開關(guān)管42的漏極、回路 二極管46的陽極依次串聯(lián)連接組成回路橋臂。
[0037] 升降壓變流器1包括升降壓開關(guān)管11、第一升降壓二極管12、第二升降壓二極管 13以及升降壓電感14 ;逆變器的直流輸入源6的正極端與第一升降壓二極管12的陽極、升 降壓開關(guān)管11的漏極依次串聯(lián)連接；升降壓開關(guān)管11的源極分別與第二升降壓二極管13 的陰極以及升降壓電感升降壓電感14的一端相連接；升降壓電感14的另一端與直流輸入 源6的負(fù)極端相連接。
[0038] 單相兩橋臂逆變電路2包括與主動(dòng)功率解耦電路4共用的上橋臂回路開關(guān)管43、 下橋臂回路開關(guān)管44以及回路二極管46,還包括上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn) 換開關(guān)管22、上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管23以及下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管24,上橋臂極性轉(zhuǎn)換開 關(guān)管21的漏極與所述上橋臂回路開關(guān)管43的漏極相連接；所述下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管24 的陰極與所述回路二極管46的陰極相連；所述上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21的源極分別與上 橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管23的陽極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22的漏極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管 24的陽極依次串聯(lián)連接組成極性轉(zhuǎn)換橋臂。
[0039] 交流低通輸出濾波電路3包括濾波電容31以及第一濾波電感32,其中第一濾波電 感32的連接方式可以是：第一濾波電感32 -端與下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22的漏極和上 橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管23的陰極相連接，另一端與電網(wǎng)7的N端連接；或者第一濾波電感32 的一端與上橋臂回路開關(guān)管43的源極和下橋臂回路開關(guān)管44的漏極相連接，另一端與電 網(wǎng)7的L端連接。濾波電容31的一端與所述上橋臂回路開關(guān)管43的源極、下橋臂回路開 關(guān)管44的漏極相連接，另一端與上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管23的陰極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管 22的漏極相連接。上述只包括一個(gè)濾波電感的電路未在圖中示出。
[0040] 還可以在交流低通輸出濾波電路3中設(shè)置兩個(gè)濾波電感，即交流低通輸出濾波電 路3還包括第二濾波電感33,此時(shí)第一濾波電感32 -端與下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22的漏 極和上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管23的陰極相連接，另一端與電網(wǎng)7的N端連接，第二濾波電感 33 -端與上橋臂回路開關(guān)管43的源極和下橋臂回路開關(guān)管44的漏極相連接，另一端與電 網(wǎng)7的L端連接。
[0041] 其中，濾波電容31、輸入濾波電容8與解耦電容47均為非電解電容。
[0042] 上述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，是通過控制升降壓變流器1中升 降壓開關(guān)管11的導(dǎo)通來控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器的輸入能量穩(wěn)恒，實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)瞬 時(shí)功率平滑輸出；根據(jù)單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸入能量計(jì)算出單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需 輸出能量；通過控制主動(dòng)功率解耦電路4中回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管43、下橋臂解耦 開關(guān)管42的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)逆變器能量流向的切換，達(dá)到控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出能量 的目的，保證輸出瞬時(shí)功率按照兩倍工頻脈動(dòng)且輸出平均功率等于輸入直流瞬時(shí)功率；通 過控制單相兩橋臂逆變電路2中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22， 對正弦半波化輸出電流按照工頻進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)正弦化輸出電流注入電網(wǎng)7。
[0043] 具體是：當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器輸入能量大于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需 輸出能量時(shí)，所述主動(dòng)功率解耦電路4主動(dòng)儲(chǔ)存多余的能量；所述逆變器解耦橋臂的上橋 臂解耦開關(guān)管41導(dǎo)通，下橋臂解耦開關(guān)管42關(guān)閉；所述逆變器回路橋臂中上橋臂回路開關(guān) 管43關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管42導(dǎo)通；當(dāng)所述解耦電容47儲(chǔ)存能量達(dá)到要求時(shí)，通過所述 逆變器回路橋臂切換逆變器能量流向；所述逆變器回路橋臂配合極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極 性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22構(gòu)成回路向電網(wǎng)側(cè)饋送能量直至能量為零；所 述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22按照電網(wǎng)7 的電壓極性開通關(guān)斷；當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器輸入能量小于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器 所需輸出能量時(shí)，所述主動(dòng)功率解耦電路4主動(dòng)釋放所需的能量；所述逆變器解耦橋臂的 上橋臂解耦開關(guān)管41關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管42導(dǎo)通；所述逆變器回路橋臂中上橋臂回路 開關(guān)管43、下橋臂解耦開關(guān)管42導(dǎo)通，回路二極管46反偏關(guān)斷；當(dāng)所述解耦電容47釋放 能量達(dá)到要求時(shí)，所述逆變器解耦橋臂的下橋臂解耦開關(guān)管42關(guān)斷；所述逆變器回路橋臂 配合極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22構(gòu)成回路向電 網(wǎng)側(cè)饋送能量直至能量為零；所述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下 橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22按照電網(wǎng)7的電壓極性開通關(guān)斷。
[0044] 舉例說明：請參照圖2,一個(gè)工頻周期內(nèi)，在整功率因數(shù)下（coset = 1)正弦電網(wǎng) 電壓v#id所對應(yīng)的逆變器輸出瞬時(shí)功率為Pout。
[0045] 電網(wǎng)電壓：vgrid(t) = Vmsin(c〇t)
[0046] 電網(wǎng)電流：igrid(t) = Imsin(c〇t)
[0047] 輸出瞬時(shí)功率：p〇ut(t) = vgrid(t) · igrid(t) = Vm · Im[l_cos(2c0t)]/2 = Pav+Pac
[0048] 其中VmS電網(wǎng)電壓峰值；Im為并網(wǎng)電流峰值；ω為電網(wǎng)角頻率；P av為逆變器輸出 平均功率；Pa。為逆變器輸出脈動(dòng)功率。當(dāng)逆變器輸出平均功率等于逆變器輸入功率且主動(dòng) 功率解耦電路4的吸收功率等于逆變器輸出脈動(dòng)功率時(shí)，逆變器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出側(cè)瞬時(shí)功 率解耦。
[0049] 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器的輸入能量Win為：
[0050] = PJt)dt = Pin -Ts=Vm·/," -Ts/2 = L-iL2(t)/2
[0051] 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的所需輸出能量Wwt為：
[0052] Wout = Win (1-cos (2 ω kTs))
[0053] 在第k個(gè)單位開關(guān)周期時(shí)刻逆變器解耦電路內(nèi)的能量Wst_S :
[0054] Wslore = ￡?！?PJt = VJn sm(2cokTs) / (4co)
[0055] 其中Pin為直流輸入源6的穩(wěn)恒輸出功率；TS為所述逆變器的開關(guān)周期。根據(jù)輸入 瞬時(shí)功率與輸出瞬時(shí)功率的比較，一個(gè)工頻周期被分為兩種主要工作情況：1)輸入瞬時(shí)功 率大于輸出瞬時(shí)功率時(shí)為儲(chǔ)能模式；2)輸入瞬時(shí)功率小于輸出瞬時(shí)功率時(shí)為釋能模式。 按照逆變器輸出電流極性，每種主要工作情況又被分成兩種基本模式。所以，在一個(gè)工頻周 期被平均分為八個(gè)區(qū)間中逆變器交替工作在四種基本工作模式。
[0056] 請參照圖3, 一個(gè)工頻周期內(nèi)，主動(dòng)功率解耦控制具體體現(xiàn)在四種不同的基本工作 模式下的逆變器開關(guān)管開關(guān)序列。其中，S0為升降壓變流器1的升降壓開關(guān)管11 ;S1為回 路橋臂的上橋臂回路開關(guān)管43 ;S2為回路橋臂的下橋臂回路開關(guān)管44 ;S3為極性轉(zhuǎn)換橋 臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21 ;S4為性轉(zhuǎn)換橋臂的下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22 ;S5為解耦 橋臂的上橋臂解耦開關(guān)管41 ;S6為解耦橋臂的下橋臂解耦開關(guān)管42。
[0057] -個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，逆變器經(jīng)過四種基本工作狀態(tài)的切換。輸入能量儲(chǔ)存狀態(tài)，通過 控制升降壓開關(guān)管11的導(dǎo)通控制單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的輸入能量穩(wěn)恒，從而實(shí)現(xiàn) 直流輸入側(cè)瞬時(shí)功率平滑輸出。主動(dòng)功率解耦電路4儲(chǔ)存能量狀態(tài)，當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)逆 變器輸入能量大于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)，主動(dòng)功率解耦電路4主動(dòng)儲(chǔ)存 多余的能量。逆變器解耦橋臂中上橋臂解耦開關(guān)管41開通，下橋臂解耦開關(guān)管42關(guān)閉；逆 變器回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管43關(guān)閉，下橋臂回路開關(guān)管44開通。當(dāng)主動(dòng)功率解耦 電路4儲(chǔ)存能量達(dá)到要求時(shí)，在模式一下通過逆變器回路橋臂上橋臂回路開關(guān)管43開通使 解耦二極管45反偏關(guān)斷，切換逆變器能量流向；在模式二下通過逆變器解耦橋臂中上橋臂 解耦開關(guān)管41關(guān)斷切換逆變器能量流向。主動(dòng)功率解耦電路4釋放能量狀態(tài)，當(dāng)單位開關(guān) 周期內(nèi)逆變器輸入能量小于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)，主動(dòng)功率解耦電路4 主動(dòng)釋放所需的能量。逆變器解耦橋臂中上橋臂解耦開關(guān)管41關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管42 開通使得回路橋臂中回路二極管46反偏關(guān)斷。當(dāng)上橋臂解耦開關(guān)管41釋放能量達(dá)到要求 時(shí)，在模式三與模式四下通過解耦橋臂中的下橋臂解耦開關(guān)管42的關(guān)斷切換逆變器能量 流向，從而達(dá)到控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出能量的目的，以保證輸出瞬時(shí)功率按照兩 倍工頻脈動(dòng)，且輸出平均功率等于輸入直流瞬時(shí)功率。
[0058] 在逆變器有源工作狀態(tài)下，回路橋臂的上橋臂回路開關(guān)管43、下橋臂解耦開關(guān)管 42與極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22構(gòu)成回路，向交 流側(cè)饋送能量直至能量為零；逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管21，下橋臂 極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管22按照電網(wǎng)7電壓極性開通關(guān)斷。因?yàn)槟孀兤鬏敵鲭妷罕浑娋W(wǎng)7電壓箝 位，故保持輸出瞬時(shí)功率按照兩倍工頻脈動(dòng)且輸出平均功率等于輸入瞬時(shí)功率就意味逆變 器保持正弦化輸出電流注入電網(wǎng)。
[0059] 按照上述功率解耦方法控制，可以去除單相并網(wǎng)逆變器直流輸入側(cè)兩倍工頻功率 脈動(dòng)，并且縮小輸入濾波電容值與解耦電容值。
[0060] 以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：包括升降壓變流器 (1)、單相兩橋臂逆變電路（2)、交流低通輸出濾波電路（3)以及主動(dòng)功率解耦電路（4)，所 述主動(dòng)功率解耦電路（4)嵌入所述單相兩橋臂逆變電路（2)中組成三橋臂逆變電路（5); 逆變器的直流輸入源（6)與所述升降壓變流器（1)的輸入端連接，其間并聯(lián)一輸入濾波電 容（8)，所述升降壓變流器（1)的輸出端與所述三橋臂逆變電路（5)的輸入端連接，所述三 橋臂逆變電路（5)輸出端與所述交流低通輸出濾波電路（3)的輸入端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 主動(dòng)功率解耦電路（4)包括上橋臂解耦開關(guān)管（41)、下橋臂解耦開關(guān)管（42)、上橋臂回路 開關(guān)管（43)、下橋臂回路開關(guān)管（44)、解耦二極管（45)、回路二極管（46)以及解耦電容 (47);所述上橋臂解耦開關(guān)管（41)的漏極以及所述上橋臂回路開關(guān)管（43)的漏極分別與 直流輸入源（6)的負(fù)極端相連接；所述下橋臂解耦開關(guān)管（42)的源極以及所述回路二極管 (46)的陰極分別與升降壓變流器（1)相連接；解耦電容（47) -端分別與解耦二級管（45) 的陰極以及下橋臂解耦開關(guān)管（42)的漏極相連接，另一端與上橋臂回路開關(guān)管（43)的源 極和下橋臂回路開關(guān)管（44)的漏極相連接；所述上橋臂解耦開關(guān)管（41)的源極與解耦二 極管（45)的陽極、下橋臂解耦開關(guān)管（42)的漏極依次串聯(lián)連接組成解耦橋臂；所述上橋臂 回路開關(guān)管（43)的源極與下橋臂解耦開關(guān)管（42)的漏極、回路二極管（46)的陽極依次串 聯(lián)連接組成回路橋臂。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 升降壓變流器（1)包括升降壓開關(guān)管（11)、第一升降壓二極管（12)、第二升降壓二極管 (13)以及升降壓電感（14);逆變器的直流輸入源（6)的正極端與第一升降壓二極管（12) 的陽極、升降壓開關(guān)管（11)的漏極依次串聯(lián)連接；升降壓開關(guān)管（11)的源極分別與第二升 降壓二極管（13)的陰極以及升降壓電感升降壓電感（14)的一端相連接；升降壓電感（14) 的另一端與直流輸入源￠)的負(fù)極端相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 單相兩橋臂逆變電路（2)包括與主動(dòng)功率解耦電路（4)共用的上橋臂回路開關(guān)管（43)、下 橋臂回路開關(guān)管（44)以及回路二極管（46)，還包括上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)、下橋臂極 性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)、上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（23)以及下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（24)，所述 上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)的漏極與所述上橋臂回路開關(guān)管（43)的漏極相連接；所述下 橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（24)的陰極與所述回路二極管（46)的陰極相連；所述上橋臂極性轉(zhuǎn) 換開關(guān)管（21)的源極分別與上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（23)的陽極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管 (22)的漏極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（24)的陽極依次串聯(lián)連接組成極性轉(zhuǎn)換橋臂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 交流低通輸出濾波電路（3)包括濾波電容（31)以及第一濾波電感（32)，所述第一濾波電感 (32)的一端與下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)的漏極和上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（23)的陰極相 連接，另一端與電網(wǎng)（7)的N端連接；或者所述第一濾波電感（32)的一端與上橋臂回路開 關(guān)管（43)的源極和下橋臂回路開關(guān)管（44)的漏極相連接，另一端與電網(wǎng)（7)的L端連接， 濾波電容（31)的一端與所述上橋臂回路開關(guān)管（43)的源極、下橋臂回路開關(guān)管（44)的漏 極相連接，另一端與上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（23)的陰極、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)的漏 極相連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 交流低通輸出濾波電路（3)還包括第二濾波電感（33)，所述第一濾波電感（32)的一端與下 橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)的漏極和上橋臂極性轉(zhuǎn)換二極管（23)的陰極相連接，另一端與 電網(wǎng)（7)的N端連接，所述第二濾波電感（33)的一端與上橋臂回路開關(guān)管（43)的源極和 下橋臂回路開關(guān)管（44)的漏極相連接，另一端與電網(wǎng)（7)的L端連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述具有主動(dòng)功率解耦功能的單相并網(wǎng)逆變器，其特征在于：所述 濾波電容（31)、輸入濾波電容（8)與解耦電容（47)均為非電解電容。
8. -種單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法，其特征在于，采用脈寬能量調(diào)制： 通過控制升降壓變流器（1)中升降壓開關(guān)管（11)的導(dǎo)通來控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變 器的輸入能量穩(wěn)恒，實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)瞬時(shí)功率平滑輸出；根據(jù)單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸入 能量計(jì)算出單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量； 通過控制主動(dòng)功率解耦電路（4)中回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管（43)、下橋臂回路開 關(guān)管（44)的導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)逆變器能量流向的切換，達(dá)到控制單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器輸出能量 的目的，保證輸出瞬時(shí)功率按照兩倍工頻脈動(dòng)且輸出平均功率等于輸入直流瞬時(shí)功率； 通過控制單相兩橋臂逆變電路（2)中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)、下橋臂極性轉(zhuǎn)換 開關(guān)管（22)，對正弦半波化輸出電流按照工頻進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)正弦化輸出電流注入電 網(wǎng)（7)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法，其特征在于： 當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器輸入能量大于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)， 所述主動(dòng)功率解耦電路（4)主動(dòng)儲(chǔ)存多余的能量；所述逆變器解耦橋臂的上橋臂解耦開 關(guān)管（41)導(dǎo)通，下橋臂解耦開關(guān)管（42)關(guān)閉；所述逆變器回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管 (43)關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管（42)導(dǎo)通；當(dāng)所述解耦電容（47)儲(chǔ)存能量達(dá)到要求時(shí)，通過 所述逆變器回路橋臂切換逆變器能量流向；所述逆變器回路橋臂配合極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋 臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)構(gòu)成回路向電網(wǎng)側(cè)饋送能量直至能 量為零；所述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管 (22)按照電網(wǎng)（7)的電壓極性開通關(guān)斷； 當(dāng)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器輸入能量小于單位開關(guān)周期內(nèi)逆變器所需輸出能量時(shí)， 所述主動(dòng)功率解耦電路（4)主動(dòng)釋放所需的能量；所述逆變器解耦橋臂的上橋臂解耦開 關(guān)管（41)關(guān)閉，下橋臂解耦開關(guān)管（42)導(dǎo)通；所述逆變器回路橋臂中上橋臂回路開關(guān)管 (43)、下橋臂解耦開關(guān)管（42)導(dǎo)通，回路二極管（46)反偏關(guān)斷；當(dāng)所述解耦電容（47)釋放 能量達(dá)到要求時(shí)，所述逆變器解耦橋臂的下橋臂解耦開關(guān)管（42)關(guān)斷；所述逆變器回路橋 臂配合極性轉(zhuǎn)換橋臂的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（21)、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)構(gòu)成回 路向電網(wǎng)側(cè)饋送能量直至能量為零；所述逆變器極性轉(zhuǎn)換橋臂中的上橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管 (21)、下橋臂極性轉(zhuǎn)換開關(guān)管（22)按照電網(wǎng)（7)的電壓極性開通關(guān)斷。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8?9任一項(xiàng)所述單相并網(wǎng)逆變器的功率解耦控制方法，其特征在 于： 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的輸入能量Win為： % = _ = & - 1'2 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器的所需輸出能量為： Wout = ffin(l-cos(2?kTs)) 第k個(gè)單位開關(guān)周期內(nèi)所述逆變器解耦電路的能量Wst_為： wst0re = Win-Wout = Win · cos (2 ω kTs) 其中Pin為直流輸入源的恒定輸出功率；TS為所述逆變器的開關(guān)周期；ω為電網(wǎng)角頻 率。
【文檔編號】H02J3/38GK104104256SQ201410290277
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】廖錦濤, 蘇建徽, 張榴晨, 徐海波 申請人:廣東易事特電源股份有限公司