CN102904286A - 一种并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并网逆变器及其控制方法，该并网逆变器包括主控单元以及依次连接的直流侧电源、直流侧开关、母线电容组件、逆变单元、滤波单元和断路器；所述滤波单元至少包括滤波电容以及与所述滤波电容串联的开关元件；所述主控单元在检测的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元并闭合开关元件，并在滤波单元的输出电压达到电网电压时控制断路器闭合；所述主控单元还在检测的直流电压低于开机电压时控制逆变单元停止逆变并断开开关元件。本发明通过在滤波单元的滤波电容支路增加开关元件，保证断路器在不断开的情况下，自由地控制并网逆变器不从电网吸收无功，减少了断路器的分断次数，提高了***效率，降低了整机成本。

Description

一种并网逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电路技术领域，更具体地说，涉及一种并网逆变器及其控制方法。

背景技术

如图1所示，为现有的并网逆变器的主电路拓扑结构图。现有的并网逆变器主要包括直流侧电源10、直流侧开关20、母线电容组件30、逆变单元40、滤波单元50、接触器60、断路器70和主控单元（未示出）。其中，直流侧电源10通过直流侧开关20输出至母线电容组件30，再通过逆变单元40进行交流逆变后，经过滤波单元50得到一正弦电压，接触器60闭合，输出经过断路器70至电网80。其中滤波单元50为常用的LC滤波电路或者LCL滤波电路。该并网逆变器的工作原理为：当交流侧的接触器60断开时，如果主控单元检测到直流侧电源10的直流电压满足开机条件，比如直流电压达到开机电压，主控单元输出PWM波控制逆变单元40进行交流逆变，通过调节PWM波控制经滤波单元40滤波后得到的正弦电压与接触器60前端的电网80电压同步，当检测到接触器60两端的电压一致后，主控单元闭合接触器60的开关，实现并网发电。当直流侧电源10的直流电压降低到关机电压后，主控单元控制逆变单元40停止逆变，导致正弦电压低于电网电压，主控单元控制接触器60断开。同时，主控单元对断路器70不进行控制，断路器70起过载、短路保护及维修隔离的功能。上述直流侧电源10可以为光伏电池，相应的并网逆变器为光伏并网逆变器，上述直流侧电源10也可以为铅酸、锂电等其他储能型直流电源，则相应的并网逆变器为储能并网逆变器。

然而，上述并网逆变器在主回路采用断路器70和接触器60实现线路通断以控制线路输出的设计方案，使得开关的成本较高，同时由于在主回路存在两个开关，节点较多，逆变器的损耗也增加，效率降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有并网逆变器通过接触器实现线路通断导致开关成本高损耗大的缺陷，提供一种在滤波单元中对滤波电容串联开关元件进行通断控制的并网逆变器及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种并网逆变器，包括主控单元以及依次连接的直流侧电源、直流侧开关、母线电容组件、逆变单元、滤波单元和断路器；所述滤波单元至少包括滤波电容；所述滤波单元还包括：与所述滤波电容串联的开关元件；

所述主控单元与所述直流侧电源、逆变单元和开关元件连接，在检测的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元并闭合所述开关元件，且所述主控单元与所述断路器连接，在所述滤波单元的输出电压达到电网电压时控制所述断路器闭合；所述主控单元还在检测的直流电压低于开机电压时停止发送PWM波控制逆变单元停止逆变并断开所述开关元件。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述主控单元还在检测到***故障时，控制所述断路器和所述开关元件断开。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述逆变单元为三相半桥或全桥逆变结构。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述滤波电容和开关元件均为三个，且所述滤波单元还包括三个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感，三个所述滤波电容以星形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述滤波电容和开关元件均为三个，且所述滤波单元还包括三个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感，三个所述滤波电容以三角形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述滤波电容和开关元件均为三个，所述滤波单元还包括六个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联两个电感，且三个所述滤波电容以星形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路上串联的两个电感之间的节点上。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述滤波电容和开关元件均为三个，所述滤波单元还包括六个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联两个电感，且三个所述滤波电容以三角形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路上所述两个电感之间的节点上。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述逆变单元为单相全桥或半桥逆变结构；所述滤波电容和开关元件均为一个，且所述滤波单元还包括一个电感，其中，所述滤波单元的第一输入端通过所述电感连接至所述滤波单元的第一输出端，所述滤波单元的第二输入端与第二输出端相连，所述滤波电容和开关元件串联后跨接在所述第一输出端和第二输出端之间。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述开关元件为继电器、接触器、可控硅整流器、场效应管或绝缘栅双极型晶体管等无源或有源开关元件。

在根据本发明所述的并网逆变器中，所述并网逆变器为光伏并网逆变器或储能并网逆变器。

本发明还提供了一种如上所述的并网逆变器的控制方法，所述并网逆变器包括主控单元以及依次连接的直流侧电源、直流侧开关、母线电容组件、逆变单元、滤波单元和断路器；所述滤波单元至少包括滤波电容以及与所述滤波电容串联的开关元件；所述控制方法包括以下步骤：

所述主控单元在检测到直流侧电源的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元并闭合所述开关元件；

所述主控单元在所述滤波单元的输出电压达到电网电压时控制所述断路器闭合；

所述主控单元在检测的直流电压低于开机电压时停止发送PWM波控制逆变单元停止逆变并断开所述开关元件。

实施本发明的并网逆变器及其控制方法，具有以下有益效果：本发明通过在滤波单元的滤波电容支路增加开关元件，同时取消主回路的开关元件如接触器，保证断路器在不断开的情况下，自由地控制并网逆变器启停发电，以及从电网吸收的无功，这样一方面减少断路器的分断次数，保证断路器的寿命，另一方面在逆变器***停止工作时也不影响电网质量，同时省去了主回路的开关元件，减少***发热损耗，提高了***效率，降低了整机成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有的并网逆变器的主电路拓扑结构图；

图2为根据本发明的并网逆变器的优选实施例的主电路拓扑结构图；

图3为根据本发明的并网逆变器的优选实施例中逆变单元的示意图；

图4为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第一实施例的示意图；

图5为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第二实施例的示意图；

图6为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第三实施例的示意图；

图7为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第四实施例的示意图；

图8为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第五实施例的示意图；

图9为根据本发明的并网逆变器中滤波单元和逆变单元的第六实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图2，为根据本发明的并网逆变器的优选实施例的主电路拓扑结构图。如图2所示，本发明提供的并网逆变器包括主控单元（图中未示出），以及依次连接的直流侧电源10、直流侧开关20、母线电容组件30、逆变单元40、滤波单元50和断路器70。其中，直流侧电源10通过直流侧开关20输出至母线电容组件30，再通过逆变单元40进行交流逆变后，经过滤波单元50得到一正弦电压，断路器70闭合，输出至电网80实现并网发电。

本发明的并网逆变器不采用传统的接触器，而是对滤波单元50进行改进，实现对电路通断的控制。该滤波单元50通常由LC滤波电路或者LCL滤波电路组成，因此滤波单元50至少具有滤波电容51。与现有技术相比，本发明一方面通过在滤波单元50中增设与滤波电容51串联的开关元件52，实现对线路的控制，另一方面由主控单元对断路器70进行控制实现通断控制。其中，开关元件52受主控单元控制，主控单元还与直流侧电源10、逆变单元40和断路器70连接，主控单元在检测的直流侧电源10的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元40进行逆变，并闭合开关元件52，将滤波电容51投入使用。主控单元同时检测滤波单元50的输出电压，在其达到电网电压时控制断路器70闭合为电网80送电。主控单元还在检测的直流电压低于开机电压时时停止发送PWM波控制逆变单元40停止逆变并断开开关元件52。

下面对本发明的并网逆变器的并网发电工作原理进行具体描述。

1）当交流侧的断路器70断开时，如果主控单元检测到直流侧电源10的直流电压满足开机条件，比如直流电压达到开机电压时，启动软启装置，主控单元发送PWM波给逆变单元40对母线电容组件30的直流进行逆变。主控单元在检测到直流侧电源10的直流电压达到开机电压时同时发送信号控制开关元件52闭合，将滤波电容51投入使用。直流侧的直流电压经过逆变单元40逆变及滤波单元50的LC或者LCL滤波后得到一正弦电压，主控单元通过调节PWM波控制该正弦电压与断路器前端的电网80的电网电压同步，当检测到断路器70两端的电压一致后，即滤波单元50的输出电压达到电网电压时，主控单元发送信号闭合断路器70的开关，实现并网发电。

2）当主控单元检测到直流侧电源10的直流电压低于开机电压时，主控单元发送信号控制逆变单元40停止逆变，此时断路器70维持闭合，逆变单元40发送信号控制开关元件52断开，把滤波电容51从电网断开，避免产生多余的无功。

3）当主控单元检测到直流侧电源10的直流电压升高到开机电压后，主控单元再次启动逆变单元40，并控制开关元件52把滤波电容51投入使用，再控制逆变单元40逆变出与电网电压同步的电压进行发电及功率控制。

4）当***出现故障后，主控单元控制断路器70和开关元件52断开，使得***得到保护。

在上述技术方案中，如果并网逆变器无故障，只是随着光照的变化，直流侧电源10的直流电压低于开机电压的情况下，断路器70可以不用断开，只需通过主控单元断开滤波单元50中滤波电容51的支路上的开关元件，来满足***不从电网80吸取无功，这样一方面保证断路器70的寿命，另一方面在不发电工作时也不影响电网质量。

下面以三相结构和单相结构的连接为例对本发明进行说明，但是本领域的技术人员应该可以想象得到，本发明也可以采用其他结构实现。

请参阅图3，为根据本发明的并网逆变器的优选实施例中逆变单元的示意图。如图3所示，本发明提供的逆变单元40可以采用三相全桥逆变结构实现，母线电容组件30的直流电从图3的右侧输入该三相全桥逆变结构的逆变后，产生三相交流电从左侧输出。应该理解地是，本发明的逆变单元并不限定于此种结构，而可以采用本领域基础技术人员熟知并能应用到并网逆变器的其它逆变结构，例如三相半桥逆变结构等。

请参阅图4，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第一实施例的示意图。如图4所示，该滤波单元50采用LC滤波电路，至少包括3个电感，即电感L1、电感L2和电感L3；以及3个滤波电容，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3。因此相应地，滤波单元50增设了3个开关元件，以对应地与每个滤波电容串联。滤波单元50的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感。三个滤波电容以星形方式连接，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3中每个滤波电容的第一端连接在一起，第二端分别通过开关元件K1、开关元件K2和开关元件K3连接至每相线路上。逆变单元40逆变出的三相交流电从图4中右侧输入后，经过滤波后产生一三相正弦交流电从左侧输出。

请参阅图5，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第二实施例的示意图。如图4所示，该滤波单元50也采用LC滤波电路，至少包括3个电感，即电感L1、电感L2和电感L3；以及3个滤波电容，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3。相应地，滤波单元50增设了3个开关元件，以对应地与每个滤波电容串联。滤波单元50的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感。第二实施例与第一实施例的区别在于，三个滤波电容以三角形方式连接，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3中每个滤波电容的第一端循环连接至前一滤波电容的第二端，且每个滤波电容的第一端分别通过开关元件K1、开关元件K2和开关元件K3连接至每相线路上。通过上述结构，逆变单元40逆变出的三相交流电从图4中右侧输入后，经过滤波后产生一三相正弦交流电从左侧输出。

请参阅图6，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第三实施例的示意图。如图6所示，该滤波单元50采用LCL滤波电路，至少包括6个电感，即电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5和电感L6；以及3个滤波电容，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3。因此相应地，滤波单元50增设了3个开关元件，以对应地与每个滤波电容串联。滤波单元50的输入端和输出端之间的每相线路上串联2个电感。在该实施例中，三个滤波电容以星形方式连接，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3中每个滤波电容的第一端连接在一起，第二端分别通过开关元件K1、开关元件K2和开关元件K3连接至每相线路上串联的2个电感之间的节点。通过上述结构，逆变单元40逆变出的三相交流电从图4中右侧输入后，经过滤波后产生一三相正弦交流电从左侧输出。

请参阅图7，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第四实施例的示意图。如图7所示，该滤波单元50也采用LCL滤波电路，至少包括6个电感，即电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、电感L5和电感L6；以及3个滤波电容，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3。相应地，滤波单元50增设了3个开关元件，以对应地与每个滤波电容串联。滤波单元50的输入端和输出端之间的每相线路上串联2个电感。第二实施例与第一实施例的区别在于，三个滤波电容以三角形方式连接，即滤波电容C1、滤波电容C2和滤波电容C3中每个滤波电容的第一端循环连接至前一滤波电容的第二端，且每个滤波电容的第一端分别通过开关元件K1、开关元件K2和开关元件K3连接至每相线路上串联的2个电感之间的节点。通过上述结构，逆变单元40逆变出的三相交流电从图4中右侧输入后，经过滤波后产生一三相正弦交流电从左侧输出。

请参阅图8，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元的第五实施例的示意图。图8中右侧4个开关管组成的单相全桥逆变电路构成逆变单元40，,该滤波单元50采用LC滤波电路，至少包括1个电感和1个滤波电容，即电感L和滤波电容C。因此相应地，该滤波单元50增设了1个开关元件K1，以对应地与滤波电容C串联。电感L串联在滤波单元50的第一输入端和第一输出端之间，滤波单元50的第二输入端和第二输出端相连，滤波电容C和开关元件K1串联后跨接在滤波单元50的第一输出端和第二输出端之间。在本实施例中，开关元件K2为断路器，由主控单元对断路器进行通断控制。通过上述结构，从图8右侧输入的直流电就能够经过逆变单元40的逆变，产生单相交流电，再经过滤波单元50后产生单相正弦交流电，从左侧输出。虽然本实施例中使用LC滤波电路，但是本领域基础技术人员应该理解该电路同样也可以使用LCL滤波电路，只需要将两个电感串联在滤波单元50的第一输入端和第一输出端之间，而滤波电容C和开关元件K1串联后跨接在两个电感之间的节点以及滤波单元50的第二输出端之间即可。

请参阅图9，为根据本发明的并网逆变器中滤波单元和逆变单元的第六实施例的示意图。图9所示的实施例中电路图与图8中相似，区别仅在于图8逆变单元40采用由2个开关管和2个电容组成的单相半桥逆变电路。相应地，滤波单元50的构成与原理与第五实施例中相同。

在本发明中，所述开关元件可以为继电器、接触器、可控硅整流器（SCR）、场效应管（MOS）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等无源或有源器件。

此外，本发明中所述的直流侧电源10可以为光伏电池，相应构成的并网逆变器为光伏并网逆变器。该直流侧电源还可以采用铅酸、锂电等其他储能型直流电源实现，则相应构成的并网逆变器为储能并网逆变器。

本发明还提供了一种上述并网逆变器的控制方法，如上该并网逆变器包括主控单元以及依次连接的直流侧电源10、直流侧开关20、母线电容组件30、逆变单元40、滤波单元50和断路器70。滤波单元50至少包括滤波电容51以及与该滤波电容51串联的开关元件52。本发明提供的控制方法包括以下步骤：

首先，主控单元在检测到直流侧电源10的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元40并闭合开关元件52，将滤波电容51投入使用。

随后，主控单元在滤波单元50的输出电压达到电网电压时控制断路器70闭合，为电网80送电。

最后，主控单元在检测直流侧电源10的直流电压低于开机电压时停止发送PWM波，控制逆变单元40停止逆变并断开开关元件52，从而把滤波电容51从电网断开，避免产生多余的无功。

应该说明地是，本发明提供的并网逆变器及其控制方法所采用的原理和流程相同，因此对并网逆变器的各个实施例的详细阐述也适用于并网逆变器的控制方法中，例如各个模块的具体实现流程等。

综上，本发明通过在滤波单元的滤波电容支路增加开关元件，同时取消主回路的开关元件如接触器，保证断路器在不断开的情况下，自由地控制逆变器***启停发电，以及从电网吸收的无功，这样一方面减少断路器的分断次数，保证断路器的寿命，另一方面在逆变器***停止工作时也不影响电网质量，同时省去了主回路的开关元件，减少***发热损耗，提高了***效率，降低了整机成本。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (11)

1.一种并网逆变器，包括主控单元以及依次连接的直流侧电源、直流侧开关、母线电容组件、逆变单元、滤波单元和断路器；所述滤波单元至少包括滤波电容；其特征在于，所述滤波单元还包括：与所述滤波电容串联的开关元件；

所述主控单元与所述直流侧电源、逆变单元和开关元件连接，在检测的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元并闭合所述开关元件，且所述主控单元与所述断路器连接，在所述滤波单元的输出电压达到电网电压时控制所述断路器闭合；

所述主控单元还在检测的直流电压低于开机电压时停止发送PWM波控制逆变单元停止逆变并断开所述开关元件。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，所述主控单元还在检测到***故障时，控制所述断路器和所述开关元件断开。

3.根据权利要求1或2所述的并网逆变器，其特征在于，所述逆变单元为三相半桥或全桥逆变结构。

4.根据权利要求3所述的并网逆变器，其特征在于，所述滤波电容和开关元件均为三个，且所述滤波单元还包括三个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感，三个所述滤波电容以星形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路。

5.根据权利要求3所述的并网逆变器，其特征在于，所述滤波电容和开关元件均为三个，且所述滤波单元还包括三个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联一电感，三个所述滤波电容以三角形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路。

6.根据权利要求3所述的并网逆变器，其特征在于，所述滤波电容和开关元件均为三个，所述滤波单元还包括六个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联两个电感，且三个所述滤波电容以星形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路上串联的两个电感之间的节点上。

7.根据权利要求3所述的并网逆变器，其特征在于，所述滤波电容和开关元件均为三个，所述滤波单元还包括六个电感，其中，滤波单元的输入端和输出端之间的每相线路上串联两个电感，且三个所述滤波电容以三角形方式连接后再分别通过一开关元件连接至各相线路上所述两个电感之间的节点上。

8.根据权利要求1或2所述的并网逆变器，其特征在于，所述逆变单元为单相全桥或半桥逆变结构；所述滤波电容和开关元件均为一个，且所述滤波单元还包括一个电感，其中，所述滤波单元的第一输入端通过所述电感连接至所述滤波单元的第一输出端，所述滤波单元的第二输入端与第二输出端相连，所述滤波电容和开关元件串联后跨接在所述第一输出端和第二输出端之间。

9.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，所述开关元件为继电器、接触器、可控硅整流器、场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

10.根据权利要求1所述的并网逆变器，其特征在于，所述并网逆变器为光伏并网逆变器或储能并网逆变器。

11.一种根据权利要求1-10中任意一项所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述并网逆变器包括主控单元以及依次连接的直流侧电源、直流侧开关、母线电容组件、逆变单元、滤波单元和断路器；所述滤波单元至少包括滤波电容以及与所述滤波电容串联的开关元件；所述控制方法包括以下步骤：

所述主控单元在检测到直流侧电源的直流电压达到开机电压时发送PWM波启动逆变单元并闭合所述开关元件；

所述主控单元在所述滤波单元的输出电压达到电网电压时控制所述断路器闭合；

所述主控单元在检测的直流电压低于开机电压时停止发送PWM波控制逆变单元停止逆变并断开所述开关元件。

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