具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器及功率解耦方法

摘要

本发明涉及微型单相光伏并网逆变器技术领域，具体公开了一种具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器及其功率解耦控制方法，逆变器包括升降压变流器、单相两桥臂逆变电路、交流低通输出滤波电路以及主动功率解耦电路，所述主动功率解耦电路嵌入所述单相两桥臂逆变电路中组成三桥臂逆变电路；逆变器的直流输入源与所述升降压变流器的输入端连接，其间并联一输入滤波电容，所述升降压变流器的输出端与所述三桥臂逆变电路的输入端连接，所述三桥臂逆变电路输出端与所述交流低通输出滤波电路的输入端连接；采用采用脉宽能量调制法进行功率解耦控制。本发明可以使用非电解电容作为解耦电容，避免使用电解电容，从而延长逆变器的故障间隔时间，提高系统的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及微型单相光伏并网逆变器技术领域，特别涉及一种具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器及其功率解耦控制方法。 

背景技术

住宅供电多以单相电为主，故单相并网逆变器拓扑被广泛地应用于家庭分布式发电系统中。但单相并网逆变器在满足并网要求的同时，会导致逆变器的输入侧出现两倍工频的功率脉动。输入侧低频功率脉动会严重影响直流输入源能量利用率和增加输出并网电流的总谐波畸变率。 

现有技术中通常采用被动功率解耦的方法解决这一问题，即通过在直流输入源与逆变器中间并联大容值的输入滤波电容，利用电容自身特性被动吸收脉动功率以实现逆变器输入与输出的瞬时功率平衡，并保证输入侧直流功率恒定。输入滤波电容容值为： 

C＝W_store-total/(Δ∨·V_in) 

其中，W_store-total＝P_in/ω是功率解耦所需吸收的总能量，取决于直流输入侧瞬时功率,故稳恒；Δv是直流输入电压脉动的峰峰值；V_in是直流输入电压的平均值。输入滤波电容在完全吸收脉动功率的同时还需减少直流输入电压的脉动。为得到比较宽泛的直流输入工作电压以提高直流输入能量利用率，直流输入电压的平均值应该尽量取小。这一特性使得采用被动功率解耦方法惟有增加输入滤波电容容值，通过大容值的电解电容去除输入侧的两倍工频的功率脉动。例如，直流输入侧瞬时功率为400瓦，直流输入电压为96伏，直流输入电压脉动的峰峰值取10％，则输入滤波电容至少选用容值为133毫法的电解电容。然而电解电容的平均故障间隔时间短的特点会制约逆变器的平均故障间隔时间，从而降低系统的可靠性。 

发明内容

本发明要解决的问题是现有的逆变器功率解耦系统可靠性低的缺陷，提供一种具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器以及功率解耦控制方法，其可避免使用电解电容延长逆变器的故障间隔时间，提高系统可靠性。 

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为： 

一种具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器，其包括升降压变流器、单相两桥臂逆变电路、交流低通输出滤波电路以及主动功率解耦电路，所述主动功率解耦电路嵌入所述单相两桥臂逆变电路中组成三桥臂逆变电路；逆变器的直流输入源与所述升降压变流器的输入端连接，其间并联一输入滤波电容，所述升降压变流器的输出端与所述三桥臂逆变电路的输入端连接，所述三桥臂逆变电路输出端与所述交流低通输出滤波电路的输入端连接。 

优选地，所述主动功率解耦电路包括上桥臂解耦开关管、下桥臂解耦开关管、上桥臂回路开关管、下桥臂回路开关管、解耦二极管、回路二极管以及解耦电容；所述上桥臂解耦开关管的漏极以及所述上桥臂回路开关管的漏极分别与直流输入源的负极端相连接；所述下桥臂解耦开关管的源极以及所述回路二极管的阴极分别与升降压变流器相连接；解耦电容一端分别与解耦二级管的阴极以及下桥臂解耦开关管的漏极相连接，另一端与上桥臂回路开关管的源极和下桥臂回路开关管的漏极相连接；所述上桥臂解耦开关管的源极与解耦二极管的阳极、下桥臂解耦开关管的漏极依次串联连接组成解耦桥臂；所述上桥臂回路开关管的源极与下桥臂解耦开关管的漏极、回路二极管的阳极依次串联连接组成回路桥臂。 

优选地，所述升降压变流器包括升降压开关管、第一升降压二极管、第二升降压二极管以及升降压电感；逆变器的直流输入源的正极端与第一升降压二极管的阳极、升降压开关管的漏极依次串联连接；升降压开关管的源极分别与第二升降压二极管的阴极以及升降压电感升降压电感的一端相连接；升降压电感的另一端与直流输入源的负极端相连接。 

优选地，所述单相两桥臂逆变电路包括与主动功率解耦电路共用的上桥臂回路开关管、下桥臂回路开关管以及回路二极管，还包括上桥臂极性转换开 关管、下桥臂极性转换开关管、上桥臂极性转换二极管以及下桥臂极性转换二极管，所述上桥臂极性转换开关管的漏极与所述上桥臂回路开关管的漏极相连接；所述下桥臂极性转换二极管的阴极与所述回路二极管的阴极相连；所述上桥臂极性转换开关管的源极分别与上桥臂极性转换二极管的阳极、下桥臂极性转换开关管的漏极、下桥臂极性转换二极管的阳极依次串联连接组成极性转换桥臂。 

优选地，所述交流低通输出滤波电路包括滤波电容以及第一滤波电感，所述第一滤波电感的一端与下桥臂极性转换开关管的漏极和上桥臂极性转换二极管的阴极相连接，另一端与电网的N端连接；或者所述第一滤波电感一端与上桥臂回路开关管的源极和下桥臂回路开关管的漏极相连接，另一端与电网的L端连接，所述滤波电容的一端与所述上桥臂回路开关管的源极、下桥臂回路开关管的漏极相连接，另一端与上桥臂极性转换二极管的阴极、下桥臂极性转换开关管的漏极相连接。 

优选地，所述交流低通输出滤波电路还包括第二滤波电感，所述第一滤波电感的一端与下桥臂极性转换开关管的漏极和上桥臂极性转换二极管的阴极相连接，另一端与电网的N端连接，所述第二滤波电感的一端与上桥臂回路开关管的源极和下桥臂回路开关管的漏极相连接，另一端与电网的L端连接。 

优选地，所述滤波电容、输入滤波电容与解耦电容均为非电解电容。 

一种单相并网逆变器的功率解耦控制方法，采用脉宽能量调制： 

通过控制升降压变流器中升降压开关管的导通来控制单位开关周期内逆变器的输入能量稳恒，实现直流输入侧瞬时功率平滑输出；根据单位开关周期内逆变器输入能量计算出单位开关周期内逆变器所需输出能量；通过控制主动功率解耦电路中回路桥臂中上桥臂回路开关管、下桥臂回路开关管的导通实现逆变器能量流向的切换，达到控制单位开关周期内逆变器输出能量的目的，保证输出瞬时功率按照两倍工频脉动且输出平均功率等于输入直流瞬时功率；通过控制单相两桥臂逆变电路中的上桥臂极性转换开关管、下桥臂极性转换开关管，对正弦半波化输出电流按照工频进行极性转换，实现正弦化输出电流注入电网。 

优选地，所述单相并网逆变器的功率解耦控制方法为：当单位开关周期 内所述逆变器输入能量大于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，所述主动功率解耦电路主动储存多余的能量；所述逆变器解耦桥臂的上桥臂解耦开关管导通，下桥臂解耦开关管关闭；所述逆变器回路桥臂中上桥臂回路开关管关闭，下桥臂解耦开关管导通；当所述解耦电容储存能量达到要求时，通过所述逆变器回路桥臂切换逆变器能量流向；所述逆变器回路桥臂配合极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管、下桥臂极性转换开关管构成回路向电网侧馈送能量直至能量为零；所述逆变器极性转换桥臂中上桥臂极性转换开关管、下桥臂极性转换开关管按照电网电压极性开通关断；当单位开关周期内所述逆变器输入能量小于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，所述主动功率解耦电路主动释放所需的能量；所述逆变器解耦桥臂的上桥臂解耦开关管关闭，下桥臂解耦开关管导通；所述逆变器回路桥臂中上桥臂回路开关管、下桥臂解耦开关管导通，回路二极管反偏关断；当所述解耦电容释放能量达到要求时，所述逆变器解耦桥臂的下桥臂解耦开关管关断；所述逆变器回路桥臂配合极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管、下桥臂极性转换开关管构成回路向电网侧馈送能量直至能量为零；所述逆变器极性转换桥臂中的上桥臂极性转换开关管、下桥臂极性转换开关管按照电网电压极性开通关断。 

优选地，所述单相并网逆变器的功率解耦控制方法中： 

第k个单位开关周期内所述逆变器的输入能量W_in为： 

$W_{\mathrm{in}}={\int }_{(k-1)T_s}^{{\mathrm{kT}}_s}{p}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}=P_{\mathrm{in}}·T_s=L·{i_L}^2\left(t\right)/2$

第k个单位开关周期内所述逆变器的所需输出能量W_out为： 

W_out＝W_in(1-cos(2ωkT_s)) 

第k个单位开关周期内所述逆变器解耦电路的能量W_store为： 

W_store＝W_in-W_out＝W_in·cos(2ωkT_s) 

其中P_in为直流输入源的恒定输出功率；T_S为所述逆变器的开关周期；ω为电网角频率。 

本发明所述具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器及其功率解耦方法，其有益效果为： 

通过附加功率解耦电路主动储存和释放能量，从而实现逆变器的交流侧瞬时功率两倍工频时变同时保持直流侧瞬时功率平滑，并且使得直流侧瞬时功率 等于交流侧平均功率在无损的系统下。通过解耦电容移除输入滤波电容上低频功率脉动，从而实现降低输入滤波电容容值要求。通过升降压电路对解耦电容电压自举升压有利于减少解耦电容容值。由于附加的解耦电路与直流输入源和逆变电路是三端连接，增大解耦电容电压脉动并不影响直流激励的伏安外特性。故通过增加解耦电容电压脉动也有利于减少解耦电容容值，这两个特性使得可以使用非电解电容作为解耦电容，避免使用电解电容延长逆变器的故障间隔时间，提高系统的可靠性。 

附图说明

图1是本发明实施例具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器的原理图； 

图2是本发明实施例具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器在整功率因数下一个工频周期内的运行区间示意图； 

图3是本发明实施例具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器一个工频周期内在四种基本工作模式下的开关管开关序列。 

其中： 

1、升降压变流器；11、升降压开关管；12、第一升降压二极管；13、第二升降压二极管；14、升降压电感；2、单相两桥臂逆变电路；21、上桥臂极性转换开关管；22、下桥臂极性转换开关管；23、上桥臂极性转换二极管；24、下桥臂极性转换二极管；3、交流低通输出滤波电路；31、滤波电容；32、第一滤波电感；33、第二滤波电感；4、主动功率解耦电路；41、上桥臂解耦开关管；42、下桥臂解耦开关管；43、上桥臂回路开关管；44、下桥臂回路开关管；45、解耦二极管；46、回路二极管；47、解耦电容；5、三桥臂逆变电路；6、直流输入源；7、电网；8、输入滤波电容。 

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。 

实施例： 

请参照图1，本发明所述的具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器，其包括升降压变流器1、单相两桥臂逆变电路2、交流低通输出滤波电路3以及主动功率解耦电路4，主动功率解耦电路4嵌入单相两桥臂逆变电路2中组成 三桥臂逆变电路5；逆变器的直流输入源6与升降压变流器1的输入端连接，其间并联一输入滤波电容8，升降压变流器1的输出端与三桥臂逆变电路5的输入端连接，三桥臂逆变电路5输出端与交流低通输出滤波电路3的输入端连接，形成单相并网逆变器的电路。 

其中，主动功率解耦电路4包括上桥臂解耦开关管41、下桥臂解耦开关管42、上桥臂回路开关管43、下桥臂回路开关管44、解耦二极管45、回路二极管46以及解耦电容47；上桥臂解耦开关管41的漏极以及上桥臂回路开关管43的漏极分别与直流输入源6的负极端相连接；下桥臂解耦开关管42的源极以及所述回路二极管46的阴极分别与升降压变流器1相连接；解耦电容47一端分别与解耦二级管45的阴极以及下桥臂解耦开关管42的漏极相连接，另一端与上桥臂回路开关管43的源极和下桥臂回路开关管44的漏极相连接；上桥臂解耦开关管41的源极与解耦二极管45的阳极、下桥臂解耦开关管42的漏极依次串联连接组成解耦桥臂；所述上桥臂回路开关管43的源极与下桥臂解耦开关管42的漏极、回路二极管46的阳极依次串联连接组成回路桥臂。 

升降压变流器1包括升降压开关管11、第一升降压二极管12、第二升降压二极管13以及升降压电感14；逆变器的直流输入源6的正极端与第一升降压二极管12的阳极、升降压开关管11的漏极依次串联连接；升降压开关管11的源极分别与第二升降压二极管13的阴极以及升降压电感升降压电感14的一端相连接；升降压电感14的另一端与直流输入源6的负极端相连接。 

单相两桥臂逆变电路2包括与主动功率解耦电路4共用的上桥臂回路开关管43、下桥臂回路开关管44以及回路二极管46，还包括上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22、上桥臂极性转换二极管23以及下桥臂极性转换二极管24，上桥臂极性转换开关管21的漏极与所述上桥臂回路开关管43的漏极相连接；所述下桥臂极性转换二极管24的阴极与所述回路二极管46的阴极相连；所述上桥臂极性转换开关管21的源极分别与上桥臂极性转换二极管23的阳极、下桥臂极性转换开关管22的漏极、下桥臂极性转换二极管24的阳极依次串联连接组成极性转换桥臂。 

交流低通输出滤波电路3包括滤波电容31以及第一滤波电感32，其中第一滤波电感32的连接方式可以是：第一滤波电感32一端与下桥臂极性转换开 关管22的漏极和上桥臂极性转换二极管23的阴极相连接，另一端与电网7的N端连接；或者第一滤波电感32的一端与上桥臂回路开关管43的源极和下桥臂回路开关管44的漏极相连接，另一端与电网7的L端连接。滤波电容31的一端与所述上桥臂回路开关管43的源极、下桥臂回路开关管44的漏极相连接，另一端与上桥臂极性转换二极管23的阴极、下桥臂极性转换开关管22的漏极相连接。上述只包括一个滤波电感的电路未在图中示出。 

还可以在交流低通输出滤波电路3中设置两个滤波电感，即交流低通输出滤波电路3还包括第二滤波电感33，此时第一滤波电感32一端与下桥臂极性转换开关管22的漏极和上桥臂极性转换二极管23的阴极相连接，另一端与电网7的N端连接，第二滤波电感33一端与上桥臂回路开关管43的源极和下桥臂回路开关管44的漏极相连接，另一端与电网7的L端连接。 

其中，滤波电容31、输入滤波电容8与解耦电容47均为非电解电容。 

上述具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器，是通过控制升降压变流器1中升降压开关管11的导通来控制单位开关周期内逆变器的输入能量稳恒，实现直流输入侧瞬时功率平滑输出；根据单位开关周期内逆变器输入能量计算出单位开关周期内逆变器所需输出能量；通过控制主动功率解耦电路4中回路桥臂中上桥臂回路开关管43、下桥臂解耦开关管42的导通实现逆变器能量流向的切换，达到控制单位开关周期内逆变器输出能量的目的，保证输出瞬时功率按照两倍工频脉动且输出平均功率等于输入直流瞬时功率；通过控制单相两桥臂逆变电路2中的上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22，对正弦半波化输出电流按照工频进行极性转换，实现正弦化输出电流注入电网7。 

具体是：当单位开关周期内所述逆变器输入能量大于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，所述主动功率解耦电路4主动储存多余的能量；所述逆变器解耦桥臂的上桥臂解耦开关管41导通，下桥臂解耦开关管42关闭；所述逆变器回路桥臂中上桥臂回路开关管43关闭，下桥臂解耦开关管42导通；当所述解耦电容47储存能量达到要求时，通过所述逆变器回路桥臂切换逆变器能量流向；所述逆变器回路桥臂配合极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22构成回路向电网侧馈送能量直至能量为零；所 述逆变器极性转换桥臂中上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22按照电网7的电压极性开通关断；当单位开关周期内所述逆变器输入能量小于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，所述主动功率解耦电路4主动释放所需的能量；所述逆变器解耦桥臂的上桥臂解耦开关管41关闭，下桥臂解耦开关管42导通；所述逆变器回路桥臂中上桥臂回路开关管43、下桥臂解耦开关管42导通，回路二极管46反偏关断；当所述解耦电容47释放能量达到要求时，所述逆变器解耦桥臂的下桥臂解耦开关管42关断；所述逆变器回路桥臂配合极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22构成回路向电网侧馈送能量直至能量为零；所述逆变器极性转换桥臂中的上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22按照电网7的电压极性开通关断。 

举例说明：请参照图2，一个工频周期内，在整功率因数下(cosφ＝1)正弦电网电压v_grid所对应的逆变器输出瞬时功率为Pout。 

电网电压：v_grid(t)＝V_msin(ωt) 

电网电流：i_grid(t)＝I_msin(ωt) 

输出瞬时功率：p_out(t)＝v_grid(t)·i_grid(t)＝V_m·I_m[1-cos(2ωt)]/2＝P_av+P_ac

其中V_m为电网电压峰值；I_m为并网电流峰值；ω为电网角频率；P_av为逆变器输出平均功率；P_ac为逆变器输出脉动功率。当逆变器输出平均功率等于逆变器输入功率且主动功率解耦电路4的吸收功率等于逆变器输出脉动功率时，逆变器实现输入与输出侧瞬时功率解耦。 

第k个单位开关周期内逆变器的输入能量W_in为： 

$W_{\mathrm{in}}={\int }_{(k-1)T_s}^{{\mathrm{kT}}_s}{p}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\mathrm{dt}=P_{\mathrm{in}}·T_s=V_m·I_m·T_s/2=L·{i_L}^2\left(t\right)/2$

第k个单位开关周期内所述逆变器的所需输出能量W_out为： 

W_out＝W_in(1-cos(2ωkT_s)) 

在第k个单位开关周期时刻逆变器解耦电路内的能量W_store为： 

$W_{\mathrm{store}}={\int }_0^{{\mathrm{kT}}_s}{P}_{\mathrm{ac}}\mathrm{dt}=V_m{I}_m·\sin \left({2\mathrm{\omega kT}}_s\right)/\left(4\omega \right)$

其中P_in为直流输入源6的稳恒输出功率；T_S为所述逆变器的开关周期。根据输入瞬时功率与输出瞬时功率的比较，一个工频周期被分为两种主要工作情况：1)输入瞬时功率大于输出瞬时功率时为储能模式；2)输入瞬时功率小于 输出瞬时功率时为释能模式。按照逆变器输出电流极性，每种主要工作情况又被分成两种基本模式。所以，在一个工频周期被平均分为八个区间中逆变器交替工作在四种基本工作模式。 

请参照图3，一个工频周期内，主动功率解耦控制具体体现在四种不同的基本工作模式下的逆变器开关管开关序列。其中，S0为升降压变流器1的升降压开关管11；S1为回路桥臂的上桥臂回路开关管43；S2为回路桥臂的下桥臂回路开关管44；S3为极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管21；S4为性转换桥臂的下桥臂极性转换开关管22；S5为解耦桥臂的上桥臂解耦开关管41；S6为解耦桥臂的下桥臂解耦开关管42。 

一个开关周期内，逆变器经过四种基本工作状态的切换。输入能量储存状态，通过控制升降压开关管11的导通控制单位开关周期内所述逆变器的输入能量稳恒，从而实现直流输入侧瞬时功率平滑输出。主动功率解耦电路4储存能量状态，当单位开关周期内逆变器输入能量大于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，主动功率解耦电路4主动储存多余的能量。逆变器解耦桥臂中上桥臂解耦开关管41开通，下桥臂解耦开关管42关闭；逆变器回路桥臂中上桥臂回路开关管43关闭，下桥臂回路开关管44开通。当主动功率解耦电路4储存能量达到要求时，在模式一下通过逆变器回路桥臂上桥臂回路开关管43开通使解耦二极管45反偏关断，切换逆变器能量流向；在模式二下通过逆变器解耦桥臂中上桥臂解耦开关管41关断切换逆变器能量流向。主动功率解耦电路4释放能量状态，当单位开关周期内逆变器输入能量小于单位开关周期内逆变器所需输出能量时，主动功率解耦电路4主动释放所需的能量。逆变器解耦桥臂中上桥臂解耦开关管41关闭，下桥臂解耦开关管42开通使得回路桥臂中回路二极管46反偏关断。当上桥臂解耦开关管41释放能量达到要求时，在模式三与模式四下通过解耦桥臂中的下桥臂解耦开关管42的关断切换逆变器能量流向，从而达到控制单位开关周期内逆变器输出能量的目的，以保证输出瞬时功率按照两倍工频脉动，且输出平均功率等于输入直流瞬时功率。 

在逆变器有源工作状态下，回路桥臂的上桥臂回路开关管43、下桥臂解耦开关管42与极性转换桥臂的上桥臂极性转换开关管21、下桥臂极性转换开关管22构成回路，向交流侧馈送能量直至能量为零；逆变器极性转换桥臂中上 桥臂极性转换开关管21，下桥臂极性转换开关管22按照电网7电压极性开通关断。因为逆变器输出电压被电网7电压箝位，故保持输出瞬时功率按照两倍工频脉动且输出平均功率等于输入瞬时功率就意味逆变器保持正弦化输出电流注入电网。 

按照上述功率解耦方法控制，可以去除单相并网逆变器直流输入侧两倍工频功率脉动，并且缩小输入滤波电容值与解耦电容值。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。