一种兼容单相两线和单相三线制的逆变结构及控制方法

摘要

本发明公开了一种兼容单相两线和单相三线制的逆变结构及控制方法，其特征在于，包括逆变结构，逆变结构包括直流母线电容C1和直流母线电容C2，开关管Q1～Q8，辅助开关S1，输出滤波电感L1和输出滤波电感L2，输出滤波电容C3和输出滤波电容C4；逆变变换结构还包含三条功率输出线，分别定义为U相功率线，N相功率线，V相功率线。本发明的逆变器无需接带中间抽头的变压器，即可兼容单相两线制和单相三线制的供电系统，从而减小逆变器体积和成本，提高效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼容单相两线和单相三线制的逆变结构及控制方法，属于电力电子变换技术领域。

背景技术

逆变器是一种将直流电变换成交流电的逆变装置。随着光伏产业不断发展，在家庭户用方面，逆变器由只具备并网功能逐渐发展为具备并离网功能于一体。逆变器的并网功能是指：逆变器将直流能量变换为交流能量，交流能量可以优先满足本地负载使用，多余能量送入电网，直流能量可以来自光伏电池板，也可以是蓄电池等。逆变器的离网功能是指：当电网故障时，逆变器进行离网输出，供给不连接电网的本地负载，直流能量可以来自光伏电池板，也可以是蓄电池。

就家庭供电系统来说，不同国家和地区电网架构是不同的，目前主要有单相两线制和单相三线制。单相两线制系统有一根火线，一根零线，火线对零线电压等级有220V、230V等，代表地区有欧洲、中国等地区。单相三线制系统有2根火线(本文称之为火线1和火线2)，一根零线。其中火线对零线电压有101V或120V，两根火线间电压等级有202V或240V。就单相三线制家庭供电系统的应用来说，一般小功率家用电器可接入火线与零线之间，优点是电压等级低，安全性高。大功率家用电器可接入两根火线之间，优点是电压等级提高，降低电器输入电流，带载能力强。单相三线制家庭供电系统代表地区有日本和北美，其中日本电压等级为101V/202V，北美电压等级为120V/240V。

目前技术来看，逆变器想要兼容这两种家庭供电系统，主流方案是在逆变器输出端配置带中间抽头的变压器，即逆变器只输出一种电压，当需要接单相三线制供电网络时，通过带中间抽头的变压器来分出两相电压；或者采用两套逆变电路，一套实现单相两线供电，另一套实现单相三线供电。这两种方案都会增加逆变器体积和重量，不利于降低系统成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何减少逆变器的体积和重量，降低系统成本。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种兼容单相两线和单相三线制的逆变结构，其特征在于，包括逆变结构包括两个直流母线电容C1与C2，八个开关管Q1至Q8，一个辅助开关S1，两个输出滤波电感L1与L2和两个输出滤波电容C3与C4；逆变变换结构还包含三条功率输出线，分别定义为U相功率线，N相功率线，V相功率线，三条功率输出线并联有三个结点分别为J1、J2、J3；U相功率线上串联有输出滤波电感L1、直流母线电容C1和开关管Q1；N相功率线上串联有辅助开关S1；V相功率线上串联有输出滤波电感L2、开关管Q8和直流母线电容C2，U相功率线与N相功率线在J2结点并联有开关管Q2和开关管Q3，在结点J3处并联有输出滤波电容C3；N相功率线与V相功率线在结点J2处并联有开关管Q6与开关管Q7，在结点J3处并联有输出滤波电容C4；U相功率线与V相功率线在结点J1和J2之间并联有开关管Q5和开关管Q4。

优选的，所述的滤波电感L1的一端连接至输出滤波电容C3的一端，滤波电感L1的另一端连接至开关管Q2的发射极、开关管Q1的发射极、开关管Q4的集电极；所述滤波电感L2的一端连接至输出滤波电容C4的一端，滤波电感L2的另一端连接至开关管Q7的发射极、开关管Q5的发射极、开关管Q8的集电极；所述开关管Q3的集电极连接至开关管Q2的集电极，开关管Q3的发射极连接至结点J2；所述开关管Q7的集电极连接至开关管Q6的集电极，开关管Q6的发射极连接至结点J2；所述开关管Q5的集电极和开关管Q1的集电极一起连接至C1的正极端，所述Q8的发射极和Q4的发射极一起连接至C2的负极端；所述母线电容C1的负极与母线电容C2的正级相连，连接结点为J1；辅助开关S1一端连接至结点J1，另一端连接至结点J2。

优选的，当逆变变换结构输出接单相两线制家庭供电系统时，辅助开关S1断开，U相和V相功率线组成桥式逆变电路，进行功率输出，电网异常时，也可进行离网输出；当逆变变换结构输出接单相三线制家庭供电系统时，辅助开关S1闭合，U相功率线和N相功率线组成逆变单元一，V相功率线和N相功率线组成逆变单元二，控制单元分别控制逆变单元一和逆变单元二进行功率输出；当电网异常时，也可进行离网输出，使用该变换结构的逆变器无需接带中间抽头的变压器，即可兼容单相两线制和单相三线制的家庭供电系统，从而减小逆变器体积和成本，提高效率。

优选的，所述的辅助开关S1设置在结点J1与J2之间，当逆变变换结构接单相两线制时，S1断开，使得母线中点J1的高电压与开关管Q3、开关管Q6电气隔离，使得开关管Q3和开关管Q6具有更高可靠性和安全性。

优选的，直流母线C1和C2可以是铝电解电容，也可以是薄膜电容，或者两种电容混合使用；开关管Q1～Q8可以是门极可关断半导体开关管；辅助开关S1可以是继电器，也可以是集成体二极管的门极可关断半导体开关管，滤波电感L1/L2是功率电抗器；滤波电容C3和C4一般是薄膜电容。

一种兼容单相两线和单相三线制的逆变结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：配置U相功率线，N相功率线和V相功率线与供电系统的火线，零线的连接；

步骤二：配置辅助开关S1的通断；

步骤三：配置控制单元，控制开关管Q1～Q8的开关时序；

步骤四：配置U相功率线和V相功率线的输出电压，电流及相位。

优选的，所述的步骤一中，当变换器接单相两线制供电系统时，配置U相功率线和V相功率线与电网的火线和零线连接；当变换器接单相三线制供电系统时，配置U相功率线和V相功率线与火线连接，配置N相功率线与电网的零线连接。

优选的，所述的步骤二中辅助开关S1通断是根据步骤一的配置来实施，逆变器通过检测U,N,V相功率线电压，来判断逆变器接入的是单相两线制还是单相三线制家庭供电系统，当逆变器接入单相两线制时，辅助开关件S1断开；当逆变器接入单相三线制时，辅助开关件S1闭合。

优选的，所述的步骤三中的开关管Q1～Q8的开关时序根据步骤一和步骤二的配置来决定，当变换器接入单相两线制时，即辅助开关S1断开，此时由开关管Q1和开关管Q8，开关管Q5和开关管Q4作为高频开关调制，开关管Q2、开关管Q3，开关管Q6、开关管Q7作为续流管，输出滤波电感L1、输出滤波电感L2，输出滤波电容C3、输出滤波电容C4作为输出滤波组成的逆变变换进行逆变变换工作；当变换器接入单相三线制时，即辅助开关件S1闭合，此时由开关管Q1、开关管Q4作为高频开关调制，开关管Q2、开关管Q3作为续流管，输出滤波电感L1、输出滤波电容C3作为输出滤波组成的单相逆变单元一；由开关管Q5、开关管Q8作为高频开关调制，开关管Q6、开关管Q7作为续流管，输出滤波电感L2、输出滤波电容C4作为输出滤波组成的单相逆变单元二，控制单元分别控制逆变单元一和逆变单元二的功率输出。

优选的，当逆变变换结构输出接单相两线制供电系统时，当U-V功率线间电压处于电网正半周时，控制单元控制开关管Q1和开关管Q8处于高频开关状态，开关管Q4和开关管Q5处于常关闭状态，开关管Q2和开关管Q6处于常开通状态，开关管Q3和开关管Q7处于高频开关状态，其中开关管Q1、开关管Q8和开关管Q3、Q7开关状态互补；当U-V间电压处于电网负半周时，控制单元控制开关管Q4和开关管Q5处于高频开关状态，开关管开关管Q1和开关管Q8处于常关闭状态，开关管Q3和开关管Q7处于常开通状态，开关管Q2和开关管Q6处于高频开关状态，其中开关管Q4、开关管Q5和Q2、开关管Q6开关状态互补；当逆变变换结构输出接单相三线制时，当U-V功率线间电压处于电网正半周时，对于逆变单元一而言，开关管Q1高频调制，开关管Q4常闭合，开关管Q2常开通，开关管Q3与开关管Q1互补调制；对于逆变单元二而言，开关管Q8高频调制，开关管Q5常关闭，开关管Q6常开通，开关管Q7与开关管Q8互补调制。

本发明的逆变器无需接带中间抽头的变压器，即可兼容单相两线制和单相三线制的家庭供电系统，从而减小逆变器体积和成本，提高效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2至图25为本发明的实施例的功率流向图；

图26为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1至图所示，本发明是一种可以兼容单相两线制和单相三线制供电系统的逆变变换结构。本逆变变换结构包含有：直流母线电容C1和C2，开关管Q1～Q8，辅助开关S1，输出滤波电感L1和L2，输出滤波电容C3和C4。

上述直流母线C1和C2可以是铝电解电容，也可以是薄膜电容，或者两种电容混合使用。上述开关管Q1～Q8可以是门极可关断半导体开关管，例如IGBT，后面叙述以IGBT为例。上述辅助开关S1可以是继电器，也可以是集成体二极管的门极可关断半导体开关管。上述滤波电感L1/L2是功率电抗器。上述滤波电容C3和C4一般是薄膜电容。

本所述的逆变变换结构还包含三条功率输出线，分别定义为U相功率线，N相功率线，V相功率线。三条功率线一端都连接至母线电容C1与C2之间，即母线中点，结点J1处，U相功率线上连接有开关管Q1～Q4,滤波电感L1，N相功率线上连接有辅助开关S1，V相功率线上连接有开关管Q5～Q8,滤波电感L2。

所述输出滤波电容C3连接在U相和N相功率线端口之间，所述输出滤波电容C4连接在N相和V相功率线端口之间，C3、C4与N线功率线的交接点为结点J3。所述L1的一端连接至C3的一端，L1的另一端连接至Q2的发射极、Q1的发射极、Q4的集电极。所述L2的一端连接至C4的一端，L2的另一端连接至Q7的发射极、Q5的发射极、Q8的集电极。所述Q3的集电极连接至Q2的集电极，Q3的发射极连接至结点J2。所述Q7的集电极连接至Q6的集电极，Q6的发射极连接至结点J2。所述Q5的集电极和Q1的集电极一起连接至C1的正极端，所述Q8的发射极和Q4的发射极一起连接至C2的负极端。所述C1的负极与C2的正级相连，连接结点为J1。辅助开关S1一端连接至结点J1，另一端连接至结点J2。

当逆变变换结构输出接单相两线制家庭供电系统时，辅助开关S1断开，U相和V相功率线组成桥式逆变电路，进行功率输出，电网异常时，也可进行离网输出。当逆变变换结构输出接单相三线制家庭供电系统时，辅助开关S1闭合，U相功率线和N相功率线组成逆变单元1，V相功率线和N相功率线组成逆变单元2，控制单元分别控制逆变单元1和逆变单元2进行功率输出。当电网异常时，也可进行离网输出。使用该变换结构的逆变器无需接带中间抽头的变压器，即可兼容单相两线制和单相三线制的家庭供电系统，从而减小逆变器体积和成本，提高效率。

辅助开关S1放置在结点J1与J2之间的好处有：当逆变变换结构接单相两线制时，S1断开，使得母线中点J1的高电压与Q3、Q6电气隔离，使得Q3和Q6具有更高可靠性和安全性。

相应地，本发明还给出了该逆变变换结构输出控制方法，具体实施步骤如下：

步骤一：配置U相功率线，N相功率线和W相功率线与家庭供电系统的火线1，零线和火线2的连接

步骤二：配置辅助开关件S1的通断

步骤三：配置控制单元，控制开关管Q1～Q8的开关时序

步骤四：配置U相功率线和W相功率线的输出电压，电流及相位。

步骤一中，当变换器接单相两线制家庭供电系统时，配置U相功率线和W相功率线与电网的火线和零线连接。当变换器接单相三线制家庭供电系统时，配置U相功率线和W相功率线与火线1和火线2连接，配置N相功率线与电网的零线连接。

步骤二中S1通断是根据步骤一的配置来实施。逆变器通过检测U,N,W相功率线电压，来判断逆变器接入的是单相两线制还是单相三线制家庭供电系统。当逆变器接入单相两线制时，S1断开。当逆变器接入单相三线制时，S1闭合。

步骤三中的开关管Q1～Q8的开关时序根据步骤一和步骤二的配置来决定。当变换器接入单相两线制时，即S1断开，此时由Q1和Q8，Q5和Q4作为高频开关调制，Q2、Q3，Q6、Q7作为续流管，L1、L2，C3、C4作为LC输出滤波组成的逆变变换拓扑进行逆变变换工作。当变换器接入单相三线制时，即S1闭合，此时由Q1、Q4作为高频开关调制，Q2、Q3作为续流管，L1、C3作为LC输出滤波组成的单相逆变单元1；由Q5、Q8作为高频开关调制，Q6、Q7作为续流管，L2、C4作为LC输出滤波组成的单相逆变单元2。控制单元分别控制逆变单元1和逆变单元2的功率输出。

输出接单相两线制时，S1断开，使得结点J1和J2没有电气上连接，控制单元对U相功率线和V相功率线组成逆变拓扑进行单极性调制。

当U-V间电压处于电网正半周时，控制单元控制Q1和Q8处于高频开关状态，Q4和Q5处于常关闭状态，Q2和Q6处于常开通状态，Q3和Q7处于高频开关状态，其中Q1、Q8和Q3、Q7开关状态互补，并留有死区时间Δt。在考虑发无功功率情况下，此时逆变拓扑有4种功率流动状态，称之为H1、H2、H3和H4状态。

当Q1和Q8开通，Q4和Q5关闭，Q2和Q6开通，Q3和Q7关闭，有H1和H2两种功率流动状态。H1的功率流向见附图2，即由C1→Q1→L1→U→V→L2→Q8→C2→C1。H2的功率流向见附图3，即由L1→Q1→C1→C2→Q8→L2→V→U→L1。开关管状态见下表：

当Q1、Q8、Q5、Q4关闭，Q2、Q3、Q6、Q7开通，有H3和H4两种功率流动状态。H3的功率流向见附图4，即由L2→Q7→Q6→Q3→Q2→L1→U→V→L2。H4的功率流向见附图5，即由U→L1→Q2→Q3→Q6→Q7→L2→V→U。

开关管状态见下表：

当U-V间电压处于电网负半周时，控制单元控制Q4和Q5处于高频开关状态，Q1和Q8处于常关闭状态，Q3和Q7处于常开通状态，Q2和Q6处于高频开关状态，其中Q4、Q5和Q2、Q6开关状态互补，并留有死区时间Δt。在考虑发无功功率情况下，此时逆变拓扑有4种功率流动状态，称之为H5、H6、H7和H8状态。

当Q5、Q4开通，Q1、Q8关闭，Q3、Q7开通，Q2和Q6关闭，此时有H5和H6两种功率流动状态。H5的功率流向见附图6，即由C1→Q5→L2→V→U→L1→Q4→C2→C1，H6的功率流向见附图7，即由L2→Q5→C1→C2→Q4→L1→U→V→L2。开关管状态见下表：

当Q1、Q8、Q5、Q4关闭，Q2、Q3、Q6、Q7开通时，有H7和H8两种功率流动状态。H7的功率流向见附图8，即由L1→Q2→Q3→Q6→Q7→L2→V→U→L1。H8的功率流向见附图9，即由V→L2→Q7→Q6→Q3→Q2→L1→U→V。

开关管状态见下表：

上述开关管的调制方法，既可以实现100％的有空功率输出，也可实现无功功率输出的控制。当完全地有功功率输出时，功率流动方向有H1、H4、H5、H7四种功率流向状态。当有功功率和无功功率同时输出时，功率流动方向有上述H1～H8八种功率流向状态。

输出接单相三线制时，S1闭合，控制单元对U相功率线和N相功率线组成的逆变单元1，V相功率线和N相功率线组成的逆变单元2分别进行单独控制，采用单极性调制。

当U-V间电压处于电网正半周时，对于逆变单元一而言，Q1高频调制，Q4常闭合，Q2常开通，Q3与Q1互补调制，并留有死区时间Δt。对于逆变单元2而言，Q8高频调制，Q5常关闭，Q6常开通，Q7与Q8互补调制，并留有死区时间Δt。在考虑发无功功率的情况下，逆变单元1和逆变单元2各有4种不同的功率流动状态，逆变单元1的4种功率流动状态称之T1状态，T2状态，T3状态，T4状态。逆变单元2的4种功率流动状态称之W1状态，W2状态，W3状态，W4状态。

对于逆变单元一而言，当Q1开通，Q4关闭，Q2开通，Q3关闭，此时有T1和T2两种功率流动状态，T1的功率流向见附图10实粗线箭头流向所示，即由C1→Q1→L1→U→N→S2→C1。T2的功率流向见附图11虚粗线箭头流向所示，即由L1→Q1→C1→S2→N→U→L1。开关管状态见下表：

对于逆变单元一而言，当Q1、Q4关闭，Q2、Q3开通时，此时有T3和T4两种功率流动状态。T3的功率流向见附图12实粗线箭头流向所示，即由L1→U→N→Q3→Q2→L1。T4的功率流向见附图13虚粗线箭头流向所示，即由U→L1→Q2→Q3→N→U。开关管状态见下表：

对于逆变单元二而言，当Q8开通，Q5关闭，Q6开通，Q7关闭，此时有W1和W2两种功率流动状态。W1的功率流向见附图14实粗线箭头流向所示，即由C2→S2→N→V→L2→Q8→C2。W2的功率流向见附图15虚粗线所示，即由L2→V→N→S2→C2→Q8→L2。开关管状态见下表：

对于逆变单元二而言，当Q5、Q8关闭，Q6、Q7导通，此时有W3和W4两种功率流动状态。W3的功率流向见附图16中实粗线箭头流向所示，即由L2→Q7→Q6→N→V→L2。W4的功率流向见附图17虚粗线所示，即由N→Q6→Q7→L2→V→N。开关管状态见下表：

当U-V间电压处于电网负半周时，对于逆变单元1而言，Q1常闭合，Q4高频调制，Q3常开通，Q2与Q1互补调制，并留有死区时间Δt。对于逆变单元2而言，Q5高频调制，Q8常关闭，Q7常开通，Q6与Q8互补调制，并留有死区时间Δt。在考虑发无功功率的情况下，逆变单元1和逆变单元2各有4种不同的功率流动状态，逆变单元一的4种功率流动状态称之T5状态，T6状态，T7状态，T8状态。逆变单元2的4种功率流动状态称之W5状态，W6状态，W7状态，W8状态。

对于逆变单元一而言，当Q1关闭，Q4导通，Q3导通，Q2关闭，此时有T5和T6两种功率流动状态。T5的功率流向见附图18实粗线箭头流向所示，即由C2→S2→N→U→L1→Q4→C2。T6的功率流向见附图19虚粗线箭头流向所示，即由L1→U→N→S2→C2→Q4→L1。开关管状态见下表：

对于逆变单元一而言，当Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，此时有T7和T8两种功率流动状态。T7的功率流向见附图20实粗线箭头流向所示，即由L1→Q2→Q3→N→U→L1。T8的功率流向见附图21虚粗线箭头流向所示，即由N→Q3→Q2→L1→U→N。开关管状态见下表：

对于逆变单元二而言，当Q5导通，Q8关闭，Q7导通，Q6关闭，有W5和W6两种功率流动状态。W5的功率流向见附图22实粗线箭头流向所示，即由C1→Q5→L2→V→N→S2→C1。W6的功率流向见附图23虚粗线箭头流向所示，即由L2→Q5→C1→S2→N→V→L2。开关管状态见下表：

对于逆变单元二而言，当Q5、Q8关闭，Q6、Q7导通时，此时有W7和W8两种功率流动状态。W7的功率流向见附图24实粗线箭头流向所示，即由C1→Q5→L2→V→N→S2→C1。W8的功率流向见附图25虚粗线箭头流向所示，既由V→L2→Q5→C1→S2→N→V。开关管状态见下表：

上述开关管的调制方法，既可以实现100％的有空功率输出，也可实现无功功率输出的控制。当完全地有功功率输出时，对逆变单元1而言，功率流动方向有T1、T3、T5、T7四种功率流向状态；对逆变单元2而言，功率流动方向有W1、W3、W5、W7四种功率流向状态。当有功功率和无功功率同时输出时，对逆变单元1而言，功率流动方向有上述T1～T8八种功率流向状态；对逆变单元2而言，功率流动方向有上述W1～W8八种功率流向状态。

相应地，本发明还提供了包含上述各工作状态在内的基于本发明的逆变变换结构的控制方法，控制方法流程图见附图26。控制方法包含：配置U相功率线，N相功率线和W相功率线与家庭供电系统的火线1，零线和火线2的连接的步骤一，配置辅助开关件S1的通断的步骤二，配置控制单元，控制开关管Q1～Q8的开关时序的步骤三，配置U相功率线和W相功率线的输出电压，电流及相位的步骤四。

以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。