專利名稱：高頻隔離型并網逆變器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電能變換裝置，更具體地說涉及一種高頻隔離型并網逆變
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背景技術隨著全球工業化進程的逐步展開，世界各國對能源的需求急劇膨脹，而煤炭、石油 和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球將再一次面臨能源危機，同時，大量使用化石能源對 生態環境造成嚴重的破壞。能源、環境與發展已成為當今世界亟待解決的問題。因此全球 都在積極開發利用可再生能源。在今后的20至30年里，全球的能源結構將發生根本性的 變化。專家預測，在下個50年里，可再生能源在整個能源構成中會占到50%左右。這些可再生能源中包括太陽能、風能、生物質能、潮汐能、水能、地熱能等，其主要 能量轉化獲取形式就是把各種能量形式轉化為電能，而對這些初級的電能經過變換并入電 網通過公共電網傳輸電能是應用最為直接和方便一種應用形式。而并網逆變器就是把這些 初級電能通過轉化并入電網的一種電能變換裝置。為了提高變換裝置的效率、減小體積、提 高系統安全等級，本實用新型人研制開發了一種高頻隔離型的并網逆變器
實用新型內容
本實用新型的目的是針對現有技術不足之處而提供一種將初級直流電能經過功 率變換為交流電流并入電網的、結構簡單、整體效率高的高頻隔離型并網逆變器。本實用新型的目的是通過以下措施來實現一種高頻隔離型并網逆變器，包含有 接納初級電能的輸入端口、通往電網的輸出端口，其特征在于還有主回路、控制回路；其 中所述主回路包括由降壓電路、全橋高頻逆變電路、高頻變壓器、整流電路組成的全 橋高頻變換電路和由全橋工頻逆變電路、濾波電路組成的全橋逆變并網電路；所述全橋高 頻變換電路的降壓電路由電容C1、續流二極管D1、開關管Q1電感L1、二極管D2組成，所述 全橋高頻逆變電路由全橋結構的四個開關管Q2、Q3、Q4、Q5及各開關管并接的二極管D3、 D4、D5、D6組成，所述整流電路由組成全橋結構的四個二極管D7、D8、D9、D10及電容C2組成， 降壓電路輸出端接全橋高頻逆變電路輸入端，全橋高頻逆變電路輸出端接高頻變壓器輸入 端，高頻變壓器輸出端接整流電路輸入端，整電流路輸出端接電容C2 ；所述全橋逆變并網 電路的全橋工頻逆變電路由全橋結構的四個開關管Q6、Q7、Q8、Q9及各開關管并接的二極 管D11、D12、D13、D14組成，濾波電路為組成全橋結構的電感L2、L3、L4、L5及電容C3組成 LCL型濾波電路，全橋工頻逆變電路輸出端接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接電容C3 ； 所述接納初級電能的輸入端口接全橋高頻變換電路的降壓電路輸入端，全橋高頻變換電路 的整流電路輸出端接全橋逆變并網電路的全橋工頻逆變電路輸入端，全橋逆變并網電路的 濾波電路輸出端接通往電網的輸出端口；所述控制回路由采樣處理電路、驅動電路、控制模塊及顯示通訊模塊組成，所述采樣處理電路含初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測、電網 側的電流/電壓檢測及各個檢測信號的調理電路，所述驅動電路由隔離電路和信號放大電 路組成，所述控制模塊由主控制模塊和副控制模塊組成，主控制模塊和副控制模塊通過輸 出、輸入接口連接，所述顯示通訊模塊由顯示模塊數字信號處理器及其輸出端連接的LCD 顯示器、485通訊模塊組成，采樣電路的初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路 輸出直流電壓檢測信息輸入控制模塊的主控制模塊，電網側的電流/電壓檢測信息輸入副 控制模塊及主控制模塊，主控制模塊把初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路 輸出直流電壓檢測信息及電網側的電流/電壓檢測信息輸入顯示模塊數字處理器，主控制 模塊輸出端經過驅動電路接全橋高頻變換電路控制端口及顯示模塊數字處理器，副控制輸 出端經過驅動電路接全橋逆變并網電路控制端口。所述全橋高頻變換電路的開關管Q1開關頻率為Q2、Q3、Q4、Q5開關頻率的兩倍， Q2、Q5與Q3、Q4互補導通，在Q2、Q5和Q3、Q4兩個半周期中，Q1有兩次動作。所述全橋逆變電路Q6、Q7、Q8、Q9構成的工頻全橋逆變電路中，Q7、Q9處于互補的 工頻開關狀態，Q6、Q8處于工頻交替的高頻開關狀態，當Q7在半個周期內導通時，Q6、Q9關 斷，Q8處于高頻開關狀態，當Q9在半個周期內導通時，Q7、Q8關斷，Q6處于高頻開關狀態。所述主控制模塊為TMSLF2407、副控制模塊為UC3854或UC3855結合采用電壓正反 饋控制方法進行電網的防孤島保護。與現有技術相比，由于采用了本實用新型提出的高頻隔離型并網逆變器，具有以 下優點本實用新型前級采用了一種電流型的全橋高頻變換電路，通過高速的數字信號處 理芯片進行控制；后級采用了一種專用集成芯片通過改進與數字信號處理器結合來控制全 橋逆變并網電路；兩者結合使整機性能指標及系統可靠性有了大幅度的提高。控制變得簡 單可靠，效率與直接的一級BUCK變換十分接近，比一般的含有電容的全橋、半橋、推挽、正 激、反激等隔離電路的轉換效率要高，在隔離型的并網逆變器中具有絕對優勢。本實用新型 的另一個優點是直流側輸入電壓范圍寬泛，不會出現由于輸入側電壓變動，而高頻變壓器 傳輸效率嚴重變化的情況，因此此種電路又比通過控制變壓器原邊作用占空比的移相全橋 電路在全輸入電壓范圍的整體效率更高，雖然與移相全橋電路相比多加入了一級BUCK變 換。這在光伏并網逆變器中是非常重要的性能指標，稱為歐洲效率。特別在光伏并網逆變 器中是非常具有可比性的一項指標。本實用新型為一種高效率、高可靠性、低成本、寬輸入 電壓范圍的高頻隔離型并網逆變器，是一項可推廣的項目。
圖1為本實用新型的系統原理方框圖。圖2為本實用新型中的直流到直流高頻隔離變換拓撲圖。圖3為本實用新型中的直流到交流變換拓撲圖。圖4為本實用新型的系統整體控制方框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對具體實施方式
作詳細說明在圖1所示本實用新型的系統原理方框圖中，一種高頻隔離型并網逆變器，包含有接納初級電能的輸入端口 1、通往電網的輸出端口 2，主回路3、控制回路4。所述主回路 3包括由降壓電路31、全橋高頻逆變電路32、高頻變壓器T1、整流電路33組成的全橋高頻 變換電路和由全橋工頻逆變電路35、濾波電路36組成的全橋逆變并網電路；所述控制回路 4由采樣電路41、控制模塊42及顯示通訊模塊43組成。主回路中的全橋高頻變換電路如圖2所示。具體地說圖2是直流到直流高頻隔離 變換拓撲圖。所述全橋高頻變換電路的降壓電路31由電容C1、續流二極管D1、開關管Q1 電感L1、二極管D2組成；所述全橋高頻逆變電路32由全橋結構的四個開關管Q2、Q3、Q4、 Q5及各開關管并接的二極管D3、D4、D5、D6組成，所述整流電路33由組成全橋結構的四個 二極管D7、D8、D9、D10及電容C2組成，降壓電路輸出端接全橋高頻逆變電路輸入端，全橋 高頻逆變電路輸出端接高頻變壓器輸入端，高頻變壓器輸出端接整流電路輸入端，整電流 路輸出端接電容C2。圖中，C1為Buck儲能電容，D1續流二極管，L1為BUCK電感，T1為高 頻變壓器，D7、D8、D9、D10為整流二極管，Ql、Q2、Q3、Q4、Q5開關管受到主控制模塊的控制， 通過對Q1的控制來穩定母線電壓的大小，由于全橋高頻逆變采用的電流式的能量傳輸方 式，通過直接控制電感L1中電流的大小來穩定母線電壓，提高了整個直流到直流功率變換 傳輸的響應時間，并且克服了高頻變壓器中由于正負電壓作用時間不同而引起的變壓器直 流偏磁問題。Q2、Q3、Q4、Q5構成了全橋高頻逆變電路，每橋臂中點與變壓器的一端相連， Q2、Q5同時動作，Q3、Q4與Q2、Q5互補動作，Q1的動作頻率是Q2、Q3、Q4、Q5動作頻率的兩 倍，分別在Q2、Q5導通和Q3、Q4導通時間階段內有一可控制的占空比導通，因此整個電路的 電能流動非常流暢，使整個含有隔離變壓器的直流到直流三級變換直接簡化為了一級BUCK 變換，控制得到了簡化，提高了系統的可靠性，而在成本和效率上與一般的工頻隔離性電路 相比有絕對優勢。高頻變壓器T1副邊輸出側有四個二極管D7、D8、D9、D10進行整流，把交 流變為直流，進入母線電容C2進行濾波，C2起到濾波和緩沖電能的作用，為后級直流變成 交流做準備。在電流型的變換電路中，電流作為控制的對象，而電流在完全表現為感性的電路 中，其控制起來會變的十分溫順，加入的任何的一個電容環節都會加大電流控制的難度，使 系統變得相對不穩定，并且會增加內部電磁振蕩，增強了系統的EMI，使EMC做起來變的更 會困難。在圖2組成的電路中，電感L1與高頻變壓器T1中的漏感疊加。為了減小變壓器中 的寄生電容，在實施例中變壓器磁芯選用磁導率高矯頑力非常低的磁性材質，高的磁導率 可以減小繞線的匝數，從而減小變壓器的寄生電容；低的矯頑力可以使磁滯面積減小，從而 減小鐵損。因此在此直流變直流的拓撲電路中，變壓器T1也是設計的關鍵所在，在本系統 中設計的高頻變壓器不僅體積小效率高而且加工制作簡單。電感L1的電感量的大小根據 Q1的開關頻率和額定工作電流的大小來設計，繞制電感的磁芯材質選用是高磁導率低損耗 的磁粉芯。由于在全橋高頻逆變之前選用了降壓電路，可以使變壓器原邊的電壓控制的比 較低，從而Q2、Q3、Q4、Q5四個功率開關管可以選用耐壓比較低的器件，盡最大可能的減小 功率器件的開關及導通損耗來提高整機效率。主回路中的全橋逆變并網電路如圖3所示。具體地說圖3是直流到交流變換拓撲 圖。全橋逆變并網電路的全橋工頻逆變電路35由全橋結構的四個開關管Q6、Q7、Q8、Q9及 各開關管并接的二極管D11、D12、D13、D14組成，濾波電路36為組成全橋結構的電感L2、L3、 L4、L5及電容C3組成LCL型濾波電路，全橋工頻逆變電路輸出端接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接電容C3。Q6、Q7、Q8、Q9構成了工頻全橋逆變電路，Q7、Q9處于互補的工頻開 關狀態，Q6、Q8處于工頻交替的高頻開關狀態，當Q7在半個周期內導通時，Q6、Q9關斷，Q8 處于高頻開關狀態，當Q9在半個周期內導通時，Q7、Q8關斷，Q6處于高頻開關狀態，因此在 半個周期內只要一個功率管處于高頻開關狀態，提高了逆變的效率，同時各個功率器件的 開關配置都是通過硬件邏輯電路來實現，大大提高了系統運行的可靠性；L2、L3、C3、L4構 成了 LCL型濾波電路，主要是為了濾除開關管Q6、Q7、Q8、Q9動作引起的高頻紋波電流量。本實用新型為單向并網發電系統，采用的是單相全橋拓撲結構。直流變成交流并 送入電網采用是瞬時電流控制方式，全橋四個開關管Q6、Q7、Q8、Q9的采用是單極性配置方 式，單極性與雙極性相比其優點是效率高，加在電感兩端的電壓的變化率小，從而可以減小 電感量的數值，減小電感損耗。由于只有一個管子處于高速度的開和關狀態，因此整個直流 到交流變換中的開關器件引起的開關損耗僅僅是雙極性調制方式的二分之一的大小。主回路的連接方式為所述接納初級電能的輸入端口接全橋高頻變換電路的降壓 電路輸入端，全橋高頻變換電路的整流電路輸出端接全橋逆變并網電路的全橋工頻逆變電 路輸入端，全橋逆變并網電路的濾波電路輸出端接通往電網的輸出端口。本實用新型通過 上述主回路將可再生能源經過轉化輸出的初級電能，主要是直流電能經過功率變換把直流 電能變為交流電流并入電網。圖4為本實用新型的系統整體控制方框圖。圖中，所述控制回路4由采樣電路41、 控制模塊42、驅動電路44及顯示通訊模塊43組成。所述采樣電路41含初級電能側的電流 /電壓檢測、全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測、電網側的電流/電壓檢測及各個檢測信 號的調理電路，所述驅動電路44由隔離電路和信號放大電路組成，所述控制模塊42由主控 制模塊TMSLF2407和副控制模塊UC3854組成，主控制模塊TMSLF2407和副控制模塊UC3854 通過輸出、輸入接口連接，所述顯示通訊模塊43由顯示模塊數字處理器單片機MEGA16及其 輸出端連接的LCD顯示器、485通訊模塊組成；采樣電路的初級電能側的電流/電壓檢測、 全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測信息輸入控制模塊的主控制模塊，電網側的電流/電 壓檢測信息輸入副控制模塊及主控制模塊，主控制模塊把初級電能側的電流/電壓檢測、 全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測信息及電網側的電流/電壓檢測信息輸入顯示模塊 數字處理器，主控制模塊輸出端經過驅動電路接全橋高頻變換電路控制端口及顯示模塊數 字處理器，副控制輸出端經過驅動電路接全橋逆變并網電路控制端口。主回路的全橋高頻變換電路的Q1、Q2、Q3、Q4、Q5開關管動作都是通過數字信號芯 片主控制模塊TMSLF2407的控制來實現的，其采用雙環控制，內環控制電感L1中的電流，外 環控制母線電壓即C2兩端的電壓。采用數字控制器進行控制可以增加系統控制的靈活性， 只要對此部分進行程序修改，本高頻隔離型并網逆變器不僅能夠用于太陽能并網發電也能 夠用于風力發電并網及燃料電池等新能源發電并網系統中。主回路的全橋逆變并網電路 Q6、Q7、Q8、Q9開關逆變電流的控制由副控制模塊UC3854控制的，使并網電流的總諧波畸變 率滿足性能要求。主控制模塊TMSLF2407和副控制模塊UC3854通過輸出、輸入接口連接，一 個主控制模塊不僅參與前級的直流到直流的變換控制，還參與直流到交流側防孤島的被動 和主動保護以及最大功率點跟蹤MPPT的實現等功能；這里防孤島保護采用是電網電壓正 反饋的一種控制策略，通過間歇的對輸出功率的擾動來改變在孤島狀態下的輸出電壓的大 小，當電壓減小時輸出就一直減小直到超出了電網電壓的保護范圍，并網逆變器自動脫網；此外主控制模塊還與顯示模塊數字處理器單片機MEGA16連接，單片機MEGA16是顯示模塊 中的數字處理器，通過數據線接收主控制模塊TMSLF2407實時發來的數據，進行顯示和外 部通訊。 上面結合附圖描述了本實用新型的實施方式，實施例給出的結構并不構成對本實 用新型的限制，本領域內熟練的技術人員在所附權利要求的范圍內做出各種變形或修改均 在保護范圍內。
權利要求一種高頻隔離型并網逆變器，包括接納初級電能的輸入端口、通往電網的輸出端口，其特征在于還有主回路、控制回路；其中所述主回路包括由降壓電路、全橋高頻逆變電路、高頻變壓器、整流電路組成的全橋高頻變換電路和由全橋工頻逆變電路、濾波電路組成的全橋逆變并網電路；所述全橋高頻變換電路的降壓電路由電容C1、續流二極管D1、開關管Q1電感L1、二極管D2組成，所述全橋高頻逆變電路由全橋結構的四個開關管Q2、Q3、Q4、Q5及各開關管并接的二極管D3、D4、D5、D6組成，所述整流電路由組成全橋結構的四個二極管D7、D8、D9、D10及電容C2組成，降壓電路輸出端接全橋高頻逆變電路輸入端，全橋高頻逆變電路輸出端接高頻變壓器輸入端，高頻變壓器輸出端接整流電路輸入端，整電流路輸出端接電容C2；所述全橋逆變并網電路的全橋工頻逆變電路由全橋結構的四個開關管Q6、Q7、Q8、Q9及各開關管并接的二極管D11、D12、D13、D14組成，濾波電路為組成全橋結構的電感L2、L3、L4及電容C3組成LCL型濾波電路；全橋工頻逆變電路輸出端接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接電網；所述接納初級電能的輸入端口接全橋高頻變換電路的降壓電路輸入端，全橋高頻變換電路的整流電路輸出端接全橋逆變并網電路的全橋工頻逆變電路輸入端，全橋逆變并網電路的濾波電路輸出端接通往電網的輸出端口；所述控制回路由采樣處理電路、驅動電路、控制模塊及顯示通訊模塊組成，所述采樣處理電路含初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測、電網側的電流/電壓檢測及各個檢測信號的調理電路，所述的驅動電路有隔離電路和信號放大電路組成，所述控制模塊由主控制模塊和副控制模塊組成，主控制模塊和副控制模塊通過輸出、輸入接口連接，所述顯示通訊模塊由顯示模塊數字信號處理器及其輸出端連接的LCD顯示器、485通訊模塊組成，采樣電路的初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測信息輸入控制模塊的主控制模塊，電網側的電流/電壓檢測信息輸入副控制模塊及主控制模塊，主控制模塊把初級電能側的電流/電壓檢測、全橋高頻逆變電路輸出直流電壓檢測信息及電網側的電流/電壓檢測信息輸入顯示模塊數字處理器，主控制模塊輸出端經過驅動電路接全橋高頻變換電路控制端口及顯示模塊數字處理器，副控制輸出端經過驅動電路接全橋逆變并網電路控制端口。
2.根據權利要求1所述高頻隔離型并網逆變器，其特征是所述全橋高頻變換電路的開 關管Q1開關頻率為Q2、Q3、Q4、Q5開關頻率的兩倍，Q2、Q5與Q3、Q4互補導通，在Q2、Q5和 Q3、Q4兩個半周期中，Q1有兩次動作。
3.根據權利要求1或2所述高頻隔離型并網逆變器，其特征是所述全橋逆變電路Q6、 Q7、Q8、Q9構成的工頻全橋逆變電路中，Q7、Q9處于互補的工頻開關狀態，Q6、Q8處于工頻 交替的高頻開關狀態，當Q7在半個周期內導通時，Q6、Q9關斷，Q8處于高頻開關狀態，當Q9 在半個周期內導通時，Q7、Q8關斷，Q6處于高頻開關狀態。
專利摘要本實用新型涉及一種高頻隔離型并網逆變器。包含有接納初級電能的輸入端口，通往電網的輸出端口，由降壓電路、全橋高頻逆變電路、高頻變壓器、整流電路組成的全橋高頻變換電路和由全橋工頻逆變電路、濾波電路組成的全橋逆變并網電路，由采樣處理電路、驅動電路、控制模塊及顯示通訊模塊組成的控制回路。本實用新型的優點是前級采用了一種電流型的全橋高頻變換電路，通過高速的數字信號處理芯片進行控制；后級采用了一種專用集成芯片通過改進與數字信號處理器結合來控制全橋逆變并網電路；兩者結合使整機性能指標及系統可靠性有了大幅度的提高。在本系統中還采用了電壓正反饋的控制方法來實現防孤島保護，克服一般頻率擾動帶來對電網干擾的問題。
文檔編號H02M7/48GK201608660SQ201020120119
公開日2010年10月13日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者楊燁, 董中振, 韓新建 申請人:韓新建;楊燁