CN108111037A - 一种零输入纹波逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零输入纹波逆变器及其控制方法。该逆变器的主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、截止二极管、滤波电容、极性反转逆变桥、输出滤波电路、电网及解耦电路；其控制方法为：电网电压采样值经PLL获得与其同频同相的正弦波，输入电压和电流采样值经MPPT获得最大直流输入功率，再通过基准生成模块和调制波生成模块得到五个调制波信号，最后通过比较器及逻辑电路，从而控制并网逆变器工作。本发明在隔离变压器原边加入了由解耦开关管、解耦二极管、解耦电感和解耦电容构成的解耦电路以及增加变压器辅助绕组，有效的实现了并网和直流电源端输入电流谐波抑制双重功能。

Description

一种零输入纹波逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种零输入纹波逆变器及其控制方法，属于微型、并网逆变器，其利用增加的解耦电路和辅助绕组来实现直流电源输入电流中低频纹波分量的消除。

背景技术

近年来，能源短缺和环境污染问题受到了人们的广泛关注，光伏发电、风电等新能源发电***以其清洁、高效、可持续等优点，已成为学术界和工业界当前大力研究的热点，并提出了一系列方案和产品。对于这种新能源发电***，并网逆变器输出功率中含有两倍于电网电压频率的功率纹波，该功率纹波必然会反馈到直流电源端，使得输入电流中含有大量的低频纹波分量，对于光伏组件而言，将会影响其最大功率点跟踪，降低***效率，因此解决新能源发电***输入电流中的低频纹波问题具有十分重要的意义。通过并联大容量的电解电容能够有效的滤除低频纹波，但所需的电容容值将会很大，严重影响***的功率密度，并且电解电容具有寿命短，可靠性低等缺点。在电路中并联LC谐振电路，并将其谐振频率设计为两倍电网电压频率，也能够有效的滤除低频纹波分量，但该方案所采用的谐振电感感值和谐振电容容值均比较大，降低了***的功率密度。总而言之，这些通过无源器件来消除输入电流中低频纹波分量的方法，存在着体积较大、可靠性较低等问题。为此探索新方法，包括新的拓扑方案、控制策略等，使得直流侧输入电流中不含有低频纹波分量，从而可以采用寿命长、可靠性高的薄膜电容来替代电解电容，具有十分重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种零输入纹波逆变器及其控制方法，采用这种增加解耦电路和辅助绕组的逆变器及其控制方法，可以有效消除电源端输入电流中的低频纹波分量，不再需要采用体积大、寿命短的电解电容，提高逆变器的可靠性。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明的一种零输入纹波逆变器，包括直流电源、输入电容、隔离变压器、原边开关管、截止二极管、滤波电容、极性反转逆变桥、滤波电路及电网，其中直流电源的正极接输入电容的一端，直流电源的负极分别接输入电容的另一端和原边开关管的发射极，原边开关管的集电极接隔离变压器的原边绕组异名端，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截止二极管的阳极相连接，隔离变压器副边绕组的同名端、滤波电容的一端和极性反转逆变桥的负输入端相连接，截止二极管的阴极、滤波电容的另一端和极性反转逆变桥的正输入端相连接，输出滤波电路包括一个输出滤波电感和一个输出滤波电容，输出滤波电感的一端、输出滤波电容的一端和极性反转逆变桥的正输出端相连接，输出滤波电感的另一端和电网的一端相连接，电网的另一端、输出滤波电容的另一端和极性反转逆变桥的负输出端相连接，还包括隔离变压器辅助绕组和解耦电路，其中解耦电路包括解耦电感、解耦电容、两个解耦二极管和两个解耦开关管，第一解耦开关管的集电极、第一解耦二极管的阳极和直流电源的正极相连接，第一解耦二极管的阴极和隔离变压器原边绕组的同名端相连接，第一解耦开关管的发射极、第二解耦二极管的阴极和解耦电感的一端相连接，直流电源的负极、解耦电感的另一端、解耦电容的一端和隔离变压器辅助绕组的同名端相连接，隔离变压器辅助绕组的异名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、解耦电容的另一端和第二解耦二极管的阳极相连接。

所述的零输入纹波逆变器控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测电网电压信号，输入电压信号，输入电流信号，解耦电容电压信号；

步骤B，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入MPPT模块，获得最大直流输入功率；

步骤D，将步骤A得到的解耦电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤E，计算解耦电容电压参考信号与解耦电容电压直流分量的差值；

步骤F，将步骤A得到的解耦电容电压信号、步骤B得到的单位正弦波信号、步骤C得到的最大直流输入功率一同输入基准生成模块得到原边电流基准和输入电流基准；

步骤G，将步骤E得到的电压差值经过PI调节器后，加在原边电流基准上，获得实际原边电流基准；

步骤H，将步骤F得到的输入电流基准和步骤G得到的实际原边电流基准接入调制波生成模块，获得第一、第二、第三、第四、第五调制波信号；

步骤I，将步骤H得到的第一、第二、第三、第四、第五调制波信号与步骤A得到的电网电压信号分别接入比较器，其中电网电压信号和第一调制波信号与零电平作比较，第二、第三、第四、第五调制波信号与载波作比较，分别获得第六、第一、第二、第三、第四、第五逻辑信号；

步骤J，将前述第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第六逻辑信号先直接输出得到极性反转逆变桥的第一晶闸管和第二开关管的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的第二晶闸管和第一开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第四逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号接入逻辑非门后，和第四逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第一和第二逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一和第二逻辑信号接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时第一、第三逻辑信号一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第一解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号接入逻辑非门，和第四逻辑信号一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，同时将第一逻辑信号经过逻辑非门后和第五逻辑信号一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第二解耦开关管的控制信号。

本发明披露了一种零输入纹波逆变器及其控制方法，其消除了直流电源输入电流中的低频纹波分量。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过把功率纹波转移到解耦电容上，实现了电源端输入电流中的低频纹波分量的消除，***中能够避免采用体积大、可靠性低的电解电容。

附图说明

附图1是本发明的一种零输入纹波逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图2是本发明的一种零输入纹波逆变器进一步等效电路图。

附图3～附图4是本发明的一种零输入纹波逆变器两种主要工作波形示意图。

附图5～附图10是本发明的一种零输入纹波逆变器的各开关模态示意图。

附图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、解耦电感电流、解耦电容电压、并网电流及电网电压的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_in、电源电压。C_in、输入电容。S_p、原边开关管。L_x、解耦电感。C_x、解耦电容。S_x1、S_x2、均为解耦开关管。D_x1、D_x2、均为解耦二极管。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。n_x、隔离变压器辅助绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。D₁、截止二极管。C_o、滤波电容。S_t1、S_t2、均为晶闸管。S_s1、S_s2、均为开关管。L_f、输出滤波电感。C_f、输出滤波电容。v_grid、电网电压。

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所示的是一种零输入纹波逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。零输入纹波逆变器主电路由直流电源、输入电容1、隔离变压器2、原边开关管3、截止二极管4、滤波电容5、极性反转逆变桥6、滤波电路7、电网8及解耦电路9组成。C_in是输入电容，T是隔离变压器，S_p是原边开关管，S_x1、S_x2是解耦开关管，L_x是解耦电感，D_x1、D_x2是解耦二极管，C_x是解耦电容，D₁是截止二极管，C_o是滤波电容，S_t1、S_t2是晶闸管，S_s1、S_s2是开关管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，v_grid是电网电压。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的逆变器等效为附图2所示的电路。

检测电网电压信号v_grid，输入电压信号V_in，输入电流信号I_in，解耦电容电压信号v_x；将电网电压信号v_grid输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号sinωt；将输入电压信号V_in和输入电流信号I_in接入MPPT模块，获得最大直流输入功率P_in；将解耦电容电压信号v_x经过低通滤波器，获得其直流分量V_x；计算解耦电容电压参考信号V_{x_ref}与其直流分量V_x的差值Δv_x；将解耦电容电压信号v_x、单位正弦波信号sinωt、最大直流输入功率P_in一同输入基准生成模块得到原边电流基准i_p-ref和输入电流基准I_1-ref；将电压差值Δv_x经过PI调节器后，加在原边电流基准i_p-ref上，获得实际原边电流基准i_p-r；将输入电流基准I_1-ref和实际原边电流基准i_p-r接入调制波生成模块，获得调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄及M₅；将调制波信号M₁、M₂、M₃、M₄、M₅及电网电压信号v_grid分别接入比较器，其中电网电压信号v_grid和调制波信号M₁与零电平作比较，调制波信号M₂、M₃、M₄、M₅与载波作比较，从而获得逻辑信号C₆、C₁、C₂、C₃、C₄及C₅；将逻辑信号C₆输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₆先直接输出得到极性反转逆变桥的晶闸管S_t1和开关管S_s2的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的晶闸管S_t2和开关管S_s1的控制信号；将逻辑信号C₁、C₂及C₄分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₁接入逻辑非门后，和逻辑信号C₄一同接入逻辑与门，同时逻辑信号C₁和C₂接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管S_p的控制信号；将逻辑信号C₁、C₂、C₃分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₁、C₂接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时逻辑信号C₁、C₃一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得解耦开关管S_x1的控制信号；将逻辑信号C₁、C₄及C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₁接入逻辑非门，和逻辑信号C₄一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，同时将逻辑信号C₁经过逻辑非门后和C₅一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得解耦开关管S_x2的控制信号。

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工作模态进行分析，而极性反转逆变桥的工作原理不再赘述。由于直流电源提供的输入功率为一直流量，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率P_in与瞬时输出功率p_o的大小将电路的工作模式分为两种：当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式I状态，如附图3所示；当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式II状态，如附图4所示。由附图3和附图4可以看出，无论逆变器工作于模式I或者模式II时，一个开关周期T_s内，逆变器均有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∶n_x∶n₂＝1∶1∶n。

下面对模式I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S_p，变压器激磁电感L_m承受直流电源电压，原边电流i_p从零开始线性上升。直到t₁时刻，原边电流i_p上升至原边电流参考值i_p-ref，开关管S_p关断，此模态结束，此时隔离变压器激磁电感储存的能量等于负载所需要的能量，电流参考值i_p-ref可表示为：

其中，T_s为开关周期。进而可以得到调制波M₂(t)：

2.开关模态2[t_t-t₂][对应于附图6]

t₁时刻，由于变压器激磁电感中储存的能量不能够突变，截止二极管D₁导通，激磁电感向电网释放能量；同时，开通解耦开关管S_x1，解耦电感L_x因承受电源电压，电流i_Lx由零线性上升，直到其达到解耦电感电流参考值i_Lx-ref，解耦电感电流参考值i_Lx-ref：

进而可以得到调制波M₃(t)：

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图7]

t₂时刻，关断解耦开关管S_x1，解耦电感L_x承受解耦电容上反向电压，电流i_Lx由解耦电感电流参考值i_Lx-ref线性下降，解耦电容C_x储存能量。附图7所示的示意图中，截止二极管D₁处于导通状态，但其也可能工作在截止状态。

4.开关模态4[t₃-t₄][对应于附图8]

t₃时刻，解耦电感L_x上和截止二极管D₁上均没有电流，隔离变压器工作在完全断续模式，滤波电容C_o和滤波电路维持电网所需的能量。

下面对模式II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I下的开关模态1相同，开关管S_p开通，变压器激磁电感承受直流电源正向电压，原边电流i_p从零开始线性上升，直到电流i_p上升至输入电流参考值I_1-ref，此时开关管S_p关断，i_p＝i₁，输入电流参考值I_1-ref可表示为：

进而可以得到调制波M₁(t)和M₄(t)：

M₁(t)＝I_1-ref-i_p-ref (6)

2.开关模态2[t₁-t₂][对应于附图9]

t₁时刻，开通解耦开关管S_x2，隔离变压器辅助绕组承受解耦电容上正向电压，激磁电感继续储能，因而解耦电容电流i_x由I_1-ref继续线性上升，当其上升到解耦电容电流参考值i_x-ref时，解耦开关管S_x2关断，此模态结束，此时i_x-ref＝i_p-ref。可以得到调制波M₅(t)：

3.开关模态3[t₂-t₃][对应于附图10]

此阶段，隔离变压器激磁电感继续向电网传递能量，直至副边电流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相同，滤波电容C_o和滤波电路提供电网所需的能量。

图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流I_in、解耦电感电流i_Lx、解耦电容电压v_x、并网电流i_grid及电网电压v_grid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明能够有效的消除直流电源端输入电流中的低频纹波分量。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种零输入纹波逆变器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)增加的解耦电路和辅助绕组，能够将输出所带来的功率纹波完全转移到解耦电容上，使得解耦电容电压上呈现两倍频波动，而输入电流中不含有低频纹波分量。

2)控制方法较为简单，既能实现电能变换，又可以消除输入电流纹波，并且易实现。

3)***中的电容均可采用容值小、寿命长、可靠性高的薄膜电容，延长了逆变器使用寿命，提高了***的可靠性。

Claims (2)

1.一种零输入纹波逆变器，包括直流电源(V_in)、输入电容(1)、隔离变压器(2)、原边开关管(3)、截止二极管(4)、滤波电容(5)、极性反转逆变桥(6)、滤波电路(7)及电网(8)，其中直流电源(V_in)的正极接输入电容(1)的一端，直流电源的负极分别接输入电容(1)的另一端和原边开关管(3)的发射极，原边开关管(3)的集电极接隔离变压器(2)的原边绕组异名端，极性反转逆变桥(6)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极性反转逆变桥(6)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极性反转逆变桥(6)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极性反转逆变桥(6)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极性反转逆变桥(6)的负输出端，隔离变压器(2)副边绕组的非同名端和截止二极管(4)的阳极相连接，隔离变压器(2)副边绕组的同名端、滤波电容(5)的一端和极性反转逆变桥(6)的负输入端相连接，截止二极管(4)的阴极、滤波电容(5)的另一端和极性反转逆变桥(6)的正输入端相连接，输出滤波电路(7)包括一个输出滤波电感和一个输出滤波电容，输出滤波电感的一端、输出滤波电容的一端和极性反转逆变桥(6)的正输出端相连接，输出滤波电感的另一端和电网(8)的一端相连接，电网(8)的另一端、输出滤波电容的另一端和极性反转逆变桥(6)的负输出端相连接，其特征在于：

还包括隔离变压器(2)辅助绕组和解耦电路(9)，其中解耦电路(9)包括解耦电感、解耦电容、两个解耦二极管和两个解耦开关管，第一解耦开关管的集电极、第一解耦二极管的阳极和直流电源(V_in)的正极相连接，第一解耦二极管的阴极和隔离变压器(2)原边绕组的同名端相连接，第一解耦开关管的发射极、第二解耦二极管的阴极和解耦电感的一端相连接，直流电源的负极、解耦电感的另一端、解耦电容的一端和隔离变压器(2)辅助绕组的同名端相连接，隔离变压器(2)辅助绕组的异名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、解耦电容的另一端和第二解耦二极管的阳极相连接。

2.如权利要求1所述的零输入纹波逆变器，其特征在于，该逆变器的控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测电网电压信号，输入电压信号，输入电流信号，解耦电容电压信号；

步骤B，将步骤A得到的电网电压信号输入PLL模块，获得与电网电压同频同相的单位正弦波信号；

步骤C，将步骤A得到的输入电压信号和输入电流信号接入MPPT模块，获得最大直流输入功率；

步骤D，将步骤A得到的解耦电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤E，计算解耦电容电压参考信号与解耦电容电压直流分量的差值；

步骤F，将步骤A得到的解耦电容电压信号、步骤B得到的单位正弦波信号、步骤C得到的最大直流输入功率一同输入基准生成模块得到原边电流基准和输入电流基准；

步骤G，将步骤E得到的电压差值经过PI调节器后，加在原边电流基准上，获得实际原边电流基准；

步骤H，将步骤F得到的输入电流基准和步骤G得到的实际原边电流基准接入调制波生成模块，获得第一、第二、第三、第四、第五调制波信号；

步骤I，将步骤H得到的第一、第二、第三、第四、第五调制波信号与步骤A得到的电网电压信号分别接入比较器，其中电网电压信号和第一调制波信号与零电平作比较，第二、第三、第四、第五调制波信号与载波作比较，分别获得第六、第一、第二、第三、第四、第五逻辑信号；

步骤J，将前述第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中第六逻辑信号先直接输出得到极性反转逆变桥的第一晶闸管和第二开关管的控制信号，再经过逻辑非门得到极性反转逆变桥的第二晶闸管和第一开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第四逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号接入逻辑非门后，和第四逻辑信号一同接入逻辑与门，同时第一和第二逻辑信号接入逻辑与门，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门，获得原边开关管的控制信号；

将前述第一、第二、第三逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一和第二逻辑信号接入逻辑与门后，再接入逻辑非门，同时第一、第三逻辑信号一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第一解耦开关管的控制信号；

将前述第一、第四、第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号接入逻辑非门，和第四逻辑信号一同接入逻辑与门后，再经过逻辑非门，同时将第一逻辑信号经过逻辑非门后和第五逻辑信号一同接入逻辑与门，然后将获得的信号一同接入逻辑与门，获得第二解耦开关管的控制信号。