CN108110787A - 一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器 - Google Patents

一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，包括直流电源、输入滤波电容、原边二极管、原边开关管、解耦电感、解耦二极管、解耦电容、解耦开关管、隔离变压器、副边二极管、滤波电容、工频极性反转逆变桥、输出滤波电路及电网。本发明在逆变器隔离变压器原边绕组侧加入了由解耦电感、解耦二极管、解耦电容和解耦开关管构成的功率解耦电路，将二次功率纹波转移到解耦电容上，确保输入功率为直流量，从而可以采用寿命长的薄膜电容以延长并网逆变器的使用寿命。

Description

一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器
技术领域
本发明涉及一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，属于隔离、并网逆变器，其将二次功率纹波转移到解耦电容上来实现功率纹波的解耦。
背景技术
在新能源发电***中，并网逆变器是重要的组成部分。并网逆变器的输出功率含有两倍电网频率的功率纹波，而输入功率被控制为恒定的功率，输入功率与输出功率的不平衡问题，通常通过在输入电源端或者***中间直流母线上并联大电解电容来解决。由于功率纹波的频率仅为两倍工频，所需的电容值相对比较大，而且电解电容的使用寿命也是有限的，严重影响了并网逆变器的寿命和稳定性。因此，研究新的解耦功率纹波的方法，使逆变器中所需的电容容量大大减小，从而可以选用容量小、寿命长的电容来替换电解电容，以延长逆变器的整体使用寿命，具有十分重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对传统并网逆变器所存在的技术缺陷提供一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，既实现了逆变并网，又解耦了二次功率纹波，有助于提高并网逆变器的稳定性、延长使用寿命。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，包括直流电源、输入滤波电容、原边二极管、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、滤波电容、工频极性反转逆变桥、输出滤波电路及电网；其中直流电源正极、输入滤波电容的一端和原边二极管的阳极相连接，直流电源的负极、输入滤波电容的另一端和原边开关管的发射极相连接；原边二极管的阴极和隔离变压器原边绕组的同名端相连接，隔离变压器原边绕组的非同名端和原边开关管的集电极相连接；工频极性反转逆变桥包括两个晶闸管和两个开关管，第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阳极相连构成工频极性反转逆变桥的正输入端，第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连构成工频极性反转逆变桥的负输入端，第一晶闸管的阴极和第一开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥的正输出端，第二晶闸管的阴极和第二开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥的负输出端，隔离变压器副边绕组的非同名端和副边二极管的阳极相连接，隔离变压器副边绕组的同名端、滤波电容的一端和工频极性反转逆变桥的负输入端相连接，副边二极管的阴极、滤波电容的另一端和工频极性反转逆变桥的正输入端相连接，工频极性反转逆变桥的正输出端、输出滤波电路中的输出滤波电感的一端和输出滤波电容的一端相连接，工频极性反转逆变桥的负输出端、输出滤波电容的另一端和电网的一端相连接，输出滤波电感的另一端和电网的另一端相连；其特征在于：
还包括由解耦电感、解耦电容、解耦二极管及解耦开关管构成的功率解耦电路；其中解耦开关管包括三个开关管，解耦电感的一端、解耦电容的负端、原边二极管的阳极及第三解耦开关管的发射极相连接，解耦电感的另一端、解耦二极管的阳极和第一解耦开关管的集电极相连接，第一解耦开关管的发射极和原边开关管的发射极相连，解耦二极管的阴极、解耦电容的正端和第二解耦开关管的集电极相连接，第二解耦开关管的发射极和原边二极管的阴极相连，第三解耦开关管的集电极和隔离变压器原边绕组的非同名端相连。
有益效果：
本发明披露了一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，其解耦了由交流输出功率引起的二次功率纹波。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过在逆变器隔离变压器原边绕组侧加入功率解耦电路来处理二次功率纹波，将二次功率纹波全部转移到解耦电容上，确保逆变器的输入功率为直流功率，从而可以在***中采用容值小寿命长的薄膜电容来延长并网逆变器的使用寿命。
附图说明
附图1是本发明的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器电路结构示意图。
附图2是本发明的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器进一步等效电路图。
附图3～附图4是本发明的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器两种主要工作波形示意图。
附图5～附图10是本发明的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器的各开关模态示意图。
上述附图中的主要符号名称：Vin、电源电压。Cin、输入滤波电容。D1、原边二极管。S1、原边开关管。Ld、解耦电感。Dd、解耦二极管。Cd、解耦电容。Sx1、Sx2、Sx3、均为解耦开关管。T、隔离变压器。n1、隔离变压器原边绕组。n2、隔离变压器副边绕组。Lm、隔离变压器激磁电感。D2、副边二极管。Co、滤波电容。Ss1～Ss2、均为晶闸管。St1～St2、均为开关管。Lf、输出滤波电感。Cf、输出滤波电容。Grid、电网。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
附图1是一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器结构示意图。由直流电源Vin、输入滤波电容1、原边二极管2、原边开关管3、隔离变压器4、副边二极管5、滤波电容6、工频极性反转逆变桥7、输出滤波电路8、电网Grid、解耦电感9、解耦电容10、解耦二极管11及解耦开关管12组成。Cin是输入滤波电容，D1是原边二极管，S1是原边开关管，Sx1、Sx2、Sx3是解耦开关管，Ld是解耦电感，Dd是解耦二极管，Cd是解耦电容，T是隔离变压器，D2是副边二极管，Co是滤波电容，Ss1～Ss2是晶闸管，St1～St2是开关管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1等效为附图2所示的电路。
下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图5～附图10叙述本发明的具体工作原理，其中只对反激变换器的工作模态进行分析，而工频极性反转逆变桥的工作原理不再赘述。在单相并网逆变器中，由于输入功率是恒定的，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率Pin与瞬时输出功率po的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率Pin大于瞬时输出功率po时，电路工作于模式1状态；当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式2状态。由附图3～附图4可知逆变器工作于模式1或者模式2时，一个开关周期Ts均有4种开关模态，[t0-t1]、[t1-t2]、[t2-t3]、[t3-t4]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②解耦电容上电压在每个高频开关周期内是定值；③隔离变压器匝比为：n1∶n2＝1∶n。
下面对模式1下各开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[t0-t1][对应于附图5]
t0时刻，开通原边开关管S1，变压器激磁电感Lm储能，原边电流i1从零开始线性上升。t1时刻，原边电流i1到达电流参考值i1-ref，此时关断原边开关管S1，该模态结束。此阶段中，ii＝i1。电流参考值i1-ref可表示为：
其中，ω为电网电压角频率，Ts为开关周期，Pin为输入功率，Pin＝VinIin。
2.开关模态2[t1-t2][对应于附图6]
t1时刻，副边二极管D2导通，变压器激磁电感储存的能量经过副边二极管D2向电网传递，无论是在开关模态2还是模态3，当变压器激磁电感中储存的能量已全部释放，副边二极管D2停止工作。同时，解耦开关管Sx1开通，解耦电感Ld正向承受电源电压，其电流iLd线性上升至电流参考值iLd-ref，解耦电感Ld储存能量。此阶段中，ii＝iLd。电流ii的高频分量流过输入滤波电容Cin，所以输入电流为一直流量。电流参考值iLd-ref：
3.开关模态3[t2-t3][对应于附图7]
t2时刻，解耦开关管Sx1关断，解耦电感Ld反向承受解耦电容电压，其电流iLd线性下降，解耦电感Ld释放能量，解耦电容Cd储存能量。此模态中，副边二极管D2可能工作也可能不工作。
4.开关模态4[t3-t4][对应于附图8]
t3时刻，解耦电感Ld上和副边二极管D2上均没有电流，滤波电容Co和Cf维持电网所需的能量。
下面对模式2下各开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[t0-t1][对应于附图5]
此过程与模式1下的开关模态1相同，变压器激磁电感储存能量，原边电流i1从零开始线性上升。t1时刻，原边电流i1到达电流参考值ii-ref，关断开关管S1，该模态结束。电流参考值ii-ref可表示为：
2.开关模态2[t1-t2][对应于附图9]
t1时刻，开通解耦开关管Sx2和Sx3，解耦电容电压正向加在隔离变压器原边绕组n1上，变压器激磁电感继续储能，因而原边电流i1继续线性上升，当其上升到电流参考值i1-ref时，解耦开关管Sx2和Sx3关断，此模态结束。
3.开关模态3[t2-t3][对应于附图10]
此阶段，储存在隔离变压器激磁电感中的能量向电网传递，副边电流i2下降到零。
4.开关模态4[t3-t4][对应于附图8]
此过程与模式1下的开关模态4一致，滤波电容Co和Cf提供电网所需的能量。
从以上的描述可以得知，本发明提出的一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器具有以下几方面的优点：
1)加入的功率解耦电路可以将二次功率纹波全部转移到解耦电容上，确保逆变器的输入功率为直流功率，无需并联大电解电容作为解耦电容。
2)解耦电路相对简单，整个并网逆变器中需要控制的主要是解耦电感电流的峰值和变压器激磁电感电流的峰值。
3)逆变器中的电容均可以采用小容值、寿命长的电容，如薄膜电容，不仅有助于提高并网逆变器的功率密度，还延长了并网逆变器的使用寿命。

Claims (1)

1.一种输入输出功率解耦的反激并网逆变器，包括直流电源、输入滤波电容(1)、原边二极管(2)、原边开关管(3)、隔离变压器(4)、副边二极管(5)、滤波电容(6)、工频极性反转逆变桥(7)、输出滤波电路(8)及电网；其中直流电源正极、输入滤波电容(1)的一端和原边二极管(2)的阳极相连接，直流电源的负极、输入滤波电容(1)的另一端和原边开关管(3)的发射极相连接；原边二极管(2)的阴极和隔离变压器(4)原边绕组的同名端相连接，隔离变压器(4)原边绕组的非同名端和原边开关管(3)的集电极相连接；工频极性反转逆变桥(7)包括两个晶闸管和两个开关管，第一晶闸管的阳极和第二晶闸管的阳极相连构成工频极性反转逆变桥(7)的正输入端，第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连构成工频极性反转逆变桥(7)的负输入端，第一晶闸管的阴极和第一开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥(7)的正输出端，第二晶闸管的阴极和第二开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥(7)的负输出端，隔离变压器(4)副边绕组的非同名端和副边二极管(5)的阳极相连接，隔离变压器(4)副边绕组的同名端、滤波电容(6)的一端和工频极性反转逆变桥(7)的负输入端相连接，副边二极管(5)的阴极、滤波电容(6)的另一端和工频极性反转逆变桥(7)的正输入端相连接，工频极性反转逆变桥(7)的正输出端、输出滤波电路(8)中的输出滤波电感的一端和输出滤波电容的一端相连接，工频极性反转逆变桥(7)的负输出端、输出滤波电容的另一端和电网的一端相连接，输出滤波电感的另一端和电网的另一端相连；其特征在于：
还包括由解耦电感(9)、解耦电容(10)、解耦二极管(11)及解耦开关管(12)构成的功率解耦电路；其中解耦开关管(12)包括三个开关管，解耦电感(9)的一端、解耦电容(10)的负端、原边二极管(2)的阳极及第三解耦开关管的发射极相连接，解耦电感(9)的另一端、解耦二极管(11)的阳极和第一解耦开关管的集电极相连接，第一解耦开关管的发射极和原边开关管(3)的发射极相连，解耦二极管(11)的阴极、解耦电容(10)的正端和第二解耦开关管的集电极相连接，第二解耦开关管的发射极和原边二极管(2)的阴极相连，第三解耦开关管的集电极和隔离变压器(4)原边绕组的非同名端相连。
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