基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器的製作方法
2023-09-24 02:23:15
專利名稱：基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，特別適用於微功率光伏併網發電系統中作為逆變器用。
背景技術：
可再生能源由於具有永續利用、環境汙染小等特點，已成為我國節能減排基本國策的重要組成部分。在諸多可再生能源中，太陽能以其儲量的無限性、存在的普遍性、開發利用的清潔性等優勢，更被視為人類理想的未來重要替代能源之一。目前光伏發電系統架構主要包括集中式(Centralized)、串式(String,包括多串式和單串式)、交流模塊式(ACModule)等幾種。其中集中式和串式採用多個光伏電池板串並聯構成光伏陣列，然後共用一個逆變器，適用於中大功率光伏發電應用。交流模塊式則是採用單個光伏電池板給逆變器供電(相應的逆變器稱為微功率逆變器)，相比較於集中式和串式，它有很強的抗局部陰影能力、即插即用、單機價格低等優點，為光伏發電的重要發展趨勢之ー。在交流模塊式光伏·發電系統架構中，由於光伏電池板價格昂貴以及微功率逆變器往往須貼裝在太陽能電池板的背面，實現集成安裝，對逆變器的功率密度、效率和高度要求很迫切，為此需要提高逆變器的高頻開關頻率以減小變壓器、電感器、電容等無源器件，從而提高逆變器的功率密度。目前微功率逆變器開關頻率高頻化趨勢很明顯，商業化的微功率逆變器開關頻率已高達上百kHz，比中大功率逆變器的20kHz典型開關頻率有明顯提高。如圖I所示，是現有的採用交錯反激電路的微功率逆變器的電路拓撲圖，其開關頻率達到上百kHz，其兩個交錯反激電路的變壓器Txl、Tx2是採用獨立的磁芯。由於開關頻率提高在有效提高功率密度同時也大大增大開關損耗和高頻磁件等的損耗，從而降低效率。雖然軟開關技術可以有效減小開關損耗，但無助於減小磁件損耗。而圖I的電路拓撲中，兩個變壓器是獨立的，這不僅體積較大，而且損耗也將比較大。此外，因為與太陽能電池板集成安裝，暴曬在陽光下，不僅工作環境溫度高，溫度變化劇烈，而且溼度大，採用密閉封裝，難以採用風冷，這對逆變器熱設計帶來很大挑戰，特別是對於熱阻比較大的磁件熱設計。鑑於此，本發明提出了一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，通過應用高頻功率磁集成技術，不僅可以減小微功率逆變器的體積，提高其功率密度，而且可以降低損耗，提高效率。
發明內容
本發明目的是公開一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，適用做微功率光伏併網發電系統中的逆變器，具有功率密度高，效率高，併網電流畸變率低，以及易於開發，成本低等特點。本發明採用以下方案實現一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，包括採用集成磁件的交錯反激變換電路，其特徵在幹光伏電池板的直流電壓經過所述採用集成磁件的交錯反激變換電路變換為頻率兩倍於電網頻率的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流，所述高頻脈衝電流通過低頻全橋逆變電路並且經過濾波器濾波後，輸出能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流，使網側功率因數PF=1。在本發明ー實施例中，所述採用集成磁件的交錯反激變換電路由集成變壓器、第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管、第二箝位開關管、第一箝位電容、第二箝位電容、第一ニ極管和第二ニ極管組成；所述集成變壓器由第一變壓器和第二變壓器組成；光伏電池板直流電壓連接所述第一變壓器的初級線圈第一端和所述第二變壓器的初級線圈第一端；所述第一變壓器的初級線圈第二端連接所述第一主開關管一端和所述第一箝位開關管一端；所述第一箝位開關管另一端連接所述第一箝位電容一端；所述第一箝位電容另一端連接所述第一主開關管另一端和地；所述第二變壓器的初級線圈第二端連接所述第二主開關管一端和所述第二箝位開關管一端；所述第二箝位開關管另一端連接所述第二箝位電容一端；所述第二箝位電容另一端連接所述第二主開關管另一端和地；所述第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管和第二箝位開關管的控制端連接外部控制電路；所述第一變壓器次級線圈第一端連接所述第一ニ極管陽扱；所述第二變壓器次級線圈第一端連接所述第二ニ極管陽扱；所述第一ニ極管陰極連接所述第二ニ極管陰極作為所述採用集成磁 件的交錯反激變換電路輸出端。在本發明ー實施例中，所述集成變壓器是由所述第一變壓器和所述第二變壓器通過磁集成技木，共同繞制在一個磁芯上。在本發明ー實施例中，所述採用集成磁件的交錯反激變換電路，利用有源箝位軟開關技術，所述第一箝位開關管和所述第二箝位開關管的開關狀態分別與所述第一主開關管和所述第二主開關管互補，經所述第一箝位電容和所述第二箝位電容實現零電壓開通。在本發明ー實施例中，所述低頻全橋逆變電路由四個開關管組成，所述四個開關管均工作在低頻狀態；通過所述外部控制電路控制所述四個開關管，將所述輸入的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流變換成正弦波包絡線的高頻脈衝交流電流，經LC濾波器濾波平滑後併到電網中。在本發明ー實施例中，所述外部控制電路是ー微處理器控制電路，該電路接收所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流經電流採樣電路後的信號和電網電壓經電壓採樣電路後的信號，以及電網電壓經過一同步信號電路後產生的信號，發送ー控制信號到驅動電路；所述驅動電路根據該控制信號控制所述採用集成磁件的交錯反激變換電路和所述低頻全橋逆變電路，以利於輸出所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流。與現有的微功率逆變電路對比，本發明具有以下優點
①、由於逆變器中的兩個交錯反激變換器的變壓器採用磁集成技術，共用ー個磁芯，使得磁芯中交直流磁通抵消，不僅可以有效減小變壓器體積，磁芯損耗，並且因減少透入線圈窗ロ的高頻交流磁通而減小了線圈高頻渦流損耗，從而降低磁件溫升熱點，提高逆變器的效率，降低了逆變器成本。②、由於採用簡單的反激拓撲，並且逆變器的升壓和併網電流均在同一級完成，功率只經過ー級高頻變換處理，從而減小了體積，降低了成本。③、由於兩路反激交錯並聯，使得輸入電流和輸出電流交錯疊加，不僅能増大變換器的輸出功率，而且可以減小輸入電流和輸出電流的電流紋波，減小輸出濾波器。
圖I是現有的採用交錯反激電路的逆變器的電路拓撲圖。圖2是本發明基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器的原理框圖。圖3是本發明基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器的電路拓撲圖。圖4是本發明基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器對應的電路工作原理關鍵波形圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下將通過具體實施例和相關附圖，對本發明作進ー步詳細說明。
本實施例提供一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，包括採用集成磁件的交錯反激變換電路，其特徵在幹光伏電池板的直流電壓經過所述採用集成磁件的交 錯反激變換電路變換為頻率兩倍於電網頻率的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流，所述高頻脈衝電流通過低頻全橋逆變電路並且經過濾波器濾波後，輸出能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流，使網側功率因數PF=I。具體的，如圖2所示，本實施例提供一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，包括採用集成磁件的交錯反激變換電路，其特徵在於光伏電池板的直流電壓經過所述採用集成磁件的交錯反激變換電路變換為頻率兩倍於電網頻率的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流(I);所述高頻脈衝電流(I)通過低頻全橋逆變電路，輸出一能跟蹤電網電壓的正弦波交流電流(2);所述能跟蹤電網電壓的正弦波交流電流(2)經過濾波器濾波後，輸出一能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流(3)併到電網中。所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流(3)還經過一電流採樣電路輸入到一 MCU控制電路(即微處理器控制電路)中；所述MCU控制電路同時還接收由電網電壓經過ー電壓採樣電路後的信號，以及電網電壓經過一同步信號電路後產生的信號；然後MCU控制電路發送ー控制信號給ー驅動電路；所述驅動電路根據該控制信號控制所述採用集成磁件的交錯反激變換電路和所述低頻全橋逆變電路，以利於輸出所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流。如圖3所示，是本發明基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器的電路拓撲圖，所述採用集成磁件的交錯反激變換電路由集成變壓器、第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管、第二箝位開關管、第一箝位電容、第二箝位電容、第一ニ極管和第二ニ極管組成；所述集成變壓器由第一變壓器和第二變壓器組成；光伏電池板直流電壓連接所述第一變壓器的初級線圈第一端和所述第二變壓器的初級線圈第一端；所述第一變壓器的初級線圈第二端連接所述第一主開關管一端和所述第一箝位開關管一端；所述第一箝位開關管另一端連接所述第一箝位電容一端；所述第一箝位電容另一端連接所述第一主開關管另一端和地；所述第二變壓器的初級線圈第二端連接所述第二主開關管一端和所述第二箝位開關管一端；所述第二箝位開關管另一端連接所述第二箝位電容一端；所述第二箝位電容另一端連接所述第二主開關管另一端和地；所述第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管和第二箝位開關管的控制端連接外部控制電路；所述第一變壓器次級線圈第一端連接所述第一ニ極管陽極；所述第二變壓器次級線圈第一端連接所述第二ニ極管陽極；所述第一二極體陰極連接所述第二ニ極管陰極作為所述採用集成磁件的交錯反激變換電路輸出端。所述集成變壓器是由所述第一變壓器和所述第二變壓器通過磁集成技術，共同繞制在一個磁芯上。所述採用集成磁件的交錯反激變換電路，利用有源箝位軟開關技術，所述第一箝位開關管和所述第二箝位開關管的開關狀態分別與所述第一主開關管和所述第二主開關管互補，經所述第一箝位電容和所述第二箝位電容實現零電壓開通。所述低頻全橋逆變電路由四個開關管組成，所述四個開關管均工作在低頻狀態；通過所述外部控制電路控制所述四個開關管，將所述輸入的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流變換成正弦波包絡線的高頻脈衝交流電流，經LC濾波器濾波平滑後併到電網中。所述外部控制電路是一微處理器控制電路，該電路接收所述高頻脈衝電流經電流採樣電路後的信號和電網電壓經電壓採樣電路後的信號，以及電 網電壓的同步信號，發送ー控制信號到驅動電路；所述驅動電路根據該控制信號控制所述採用集成磁件的交錯反激變換電路和所述低頻全橋逆變電路，以利於輸出所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流。如圖4所示，是本發明基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器對應的電路エ作原理關鍵波形圖，其中PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分別表示開關管Ql、Q2、Q3、Q4驅動信號，iPril、iSecl表示集成變壓器Tx的NP I、NS I線圈的電流，TD表示晶閘管T1-T4觸發信號，igl為兩路交錯反激輸出的並聯電流，ig2為低頻全橋逆變電路輸出的電流，io為併網電流，Tgrid表示電網周期。在ー個高頻開關周期Ts內，PWM1、PWM2互補，PWM3、PW4互補，PWMUPWM3交錯。為方便分析，以由Ql、Q2、CSnubl、Dl、NPl、NSl構成的一路反激電路為例分析其工作原理，電路4個階段的具體工作模式描述如下
1、to一tl階段
PWMl開通、PWM2關斷，PWM3關斷、PWM4開通，iPril線性増大，集成的反激變壓器Tx儲能，與之對應的副邊ニ極管Dl承受反壓關斷；
2、tl一t2階段
PWMl關斷、PWM2開通，PWM3保持關斷、PWM4保持開通，電容CSnubl起到箝位作用，吸收變壓器漏感的能量，從而抑制Ql開關管電壓尖峰，與之對應的副邊ニ極管Dl導通，反激變壓器向電網釋放能量，iSecl線性減小；
3、t2一t3 階段
PWMl保持關斷，PWM2保持開通，PWM3開通、PWM4關斷，另一路反激電路開始工作，因為兩路反激變壓器共用ー個磁芯，磁通相互影響，iSecl下降的斜率發生變化，反激變壓器繼續向電網釋放能量；
4、t3—14階段
PWMl保持關斷，PWM2保持開通，P麗3關斷、PWM4開通，iSecl線性減小，反激變壓器繼續向電網釋放能量。下一時刻開始ー個新的開關周期工作模式。兩路交錯並聯反激的另一路反激變換器驅動信號與此相差180°，同理可分析。交錯反激並聯輸出的疊加高頻電流igl波形為正弦雙半波包絡線，igl再經過由T1-T4構成的極性反轉橋，轉換為正弦波包絡線電流ig2，經過LC構成的濾波器濾除高次諧波後變成光滑的正弦波電流io注入電網。上列較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，包括採用集成磁件的交錯反激變換電路，其特徵在於光伏電池板的直流電壓經過所述採用集成磁件的交錯反激變換電路變換為頻率兩倍於電網頻率的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流，所述高頻脈衝電流通過低頻全橋逆變電路並且經過濾波器濾波後，輸出能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流，使網側功率因數PF=I。
2.根據權利要求I所述的基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，其特徵在於所述採用集成磁件的交錯反激變換電路由集成變壓器、第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管、第二箝位開關管、第一箝位電容、第二箝位電容、第一二極體和第二二極體組成；所述集成變壓器由第一變壓器和第二變壓器組成；光伏電池板直流電壓連接所述第一變壓器的初級線圈第一端和所述第二變壓器的初級線圈第一端；所述第一變壓器的初級線圈第二端連接所述第一主開關管一端和所述第一箝位開關管一端；所述第一箝位開關管另一端連接所述第一箝位電容一端；所述第一箝位電容另一端連接所述第一主開關管另一端和地；所述第二變壓器的初級線圈第二端連接所述第二主開關管一端和所述第二箝位開關管一端；所述第二箝位開關管另一端連接所述第二箝位電容一端；所述第二箝位電容另一端連接所述第二主開關管另一端和地；所述第一主開關管、第二主開關管、第一箝位開關管和第二箝位開關管的控制端連接外部控制電路；所述第一變壓器次級線圈第一端連接所述第一二極體陽極；所述第二變壓器次級線圈第一端連接所述第二二極體陽極；所述第一二極體陰極連接所述第二二極體陰極作為所述採用集成磁件的交錯反激變換電路輸出端。
3.根據權利要求2所述的基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，其特徵在於所述集成變壓器是由所述第一變壓器和所述第二變壓器通過磁集成技術，共同繞制在一個磁芯上。
4.根據權利要求I所述的基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，其特徵在於所述採用集成磁件的交錯反激變換電路，利用有源箝位軟開關技術，所述第一箝位開關管和所述第二箝位開關管的開關狀態分別與所述第一主開關管和所述第二主開關管互補，經所述第一箝位電容和所述第二箝位電容實現零電壓開通。
5.根據權利要求I所述的基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，其特徵在於所述低頻全橋逆變電路由四個開關管組成，所述四個開關管均工作在低頻狀態；通過所述外部控制電路控制所述四個開關管，將所述輸入的正弦雙半波包絡線的高頻脈衝電流變換成正弦波包絡線的高頻脈衝交流電流，經LC濾波器濾波平滑後併到電網中。
6.根據權利要求2或5所述的基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，其特徵在於所述外部控制電路是一微處理器控制電路，該電路接收所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流經電流採樣電路後的信號和電網電壓經電壓採樣電路後的信號，以及電網電壓經過一同步信號電路後產生的信號，發送一控制信號到驅動電路；所述驅動電路根據該控制信號控制所述採用集成磁件的交錯反激變換電路和所述低頻全橋逆變電路，以利於輸出所述能跟蹤電網電壓的平滑正弦波交流電流。
全文摘要
本發明涉及一種基於集成磁件的交錯反激微功率併網逆變器，逆變電路採用兩級結構，前級為採用集成磁件的交錯反激變換電路，該電路採用磁集成技術把交錯反激的分立變壓器集成在一個磁芯上，後級為低頻全橋逆變電路，併網電流放在前級控制，後級電路實現工頻逆變與併網。本發明具有功率密度高，效率高，併網電流畸變率低，以及易於開發，成本低等特點，特別適用於微功率逆變器使用。
文檔編號H02M7/48GK102856926SQ20121033515
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者毛行奎, 王小彬, 張錦吉 申請人:福州大學