專利名稱：一種h全橋轉換式微逆變器并網裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電氣工程技術領域，具體涉及ー種H全橋轉換式微逆變器并網裝置。
背景技術：
現行的通用的逆變并網裝置都是大功率的，需要較多的光伏板先分組串聯，再將不同的串聯電池組并聯起來形成光伏陣列。由太陽能電池板陣列產生的直流電匯流到位于電池板側旁的逆變器。在這種光伏系統中，太陽能電池板是由多個串聯組并聯后形成的。就像節日燈飾ー樣，假如串聯中的任何某個電池發生故障，就會導致整個電池組失效。此外， 當有局部陰影或碎粒等遮蔽光伏系統時，這種情況也會發生。所導致的結果是，太陽能光伏系統只要出現10%的遮蔽，便會使太陽能發電量下降一半。產生這一現象的原因是現行的這種光伏系統結構不合理，其系統結構影響了逆變的可靠性、成本和效率。其原因在于，采用多光伏板級聯的匯流逆變方式造成部分太陽能光伏板出現故障，會影響整個光伏發電系統。在不采用上述光伏發電結構的基礎上，目前通用的逆變裝置的ー種方式為先逆變為低電壓的交流電，再通過能自動調節的エ頻變壓器變壓達到合乎并網要求的交流電，此種方法對變壓器要求較高，對用戶來說變壓器昂貴，體積笨重，雖然簡化了逆變電路，但經濟性和可靠性較差；另外ー種通用方式為首先經過DC/DC升壓電路，先升壓到一定的范圍之內， 在逆變為エ頻化的滿足并網要求的交流電。采用通用的高可靠性和穩定性的DC/DC方式來設計整個太陽能逆變并網裝置需要采用較多的全控開關管和功率ニ極管，成本較大，控制復雜，系統維護較困難。
發明內容
針對現有方法存在的不足，本發明提出ー種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，以達到減少全控開關元器件數量，提高系統可靠性，降低系統成本的目的。ー種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，包括兩個控制器，分別為用于處理采集信號及計算的控制器和用于輸出脈沖信號的控制器；MOSFET H全橋電路用于將光伏板輸出的直流電信號逆變為高頻交流電信號；高頻變壓器用于將MOSFET H全橋電路逆變出的交流電信號升壓至滿足并網幅值的電壓；半橋整流電路用于將高頻變壓器的輸出信號轉換為饅頭波信號；SCR H全橋電路用于將半橋整流電路輸出的饅頭波信號轉化為符合電網要求的正弦波信號；濾波電路用于濾除SCR H全橋電路輸出的正弦波中的諧波，將輸出正弦波轉化為符合電網要求的正弦波。所述的MOSFET H全橋電路包括MOSFET管H全橋電路及保護電路，第一 MOSFET 管Ql和第三MOSFET管的漏極連接光伏板的高壓側，第二 MOSFET管和第四MOSFET管的漏極連接光伏板的低壓側；第一 MOSFET管的源極連接第二 MOSFET管的漏極，第三MOSFET管的源極連接第四MOSFET管的漏極。 所述的MOSFET管H全橋電路的四個MOSFET管分別配有四個結構相同的保護電路，所述的保護電路由電阻、電容和二極管組成，電阻和電容串聯，其連接點與所述二極管陰極連接，該電容的另一端連接MOSFET管的漏極，該電阻的另一端連接MOSFET管的源極和該二極管的陽極。所述的高頻變壓器，高頻變壓器的原級線圈的一端連接由第一 MOSFET管和第三 MOSFET管組成的橋臂的中間，高頻變壓器的原級線圈的另一端連接由第二 MOSFET管和第四MOSFET管組成的橋臂的中間，高頻變壓器的副邊線圈的兩端分別連接半橋整流電路，高頻變壓器的副邊線圈的中心抽頭端連接SCRH全橋電路。所述的半橋整流電路包括二極管和濾波電容，高頻變壓器副邊線圈的一端連接第一二極管的陽極，高頻變壓器副邊線圈的另一端連接第二二極管的陽極，第一二極管的陰極連接第一濾波電容的一端，第一濾波電容的另一端連接高頻變壓器副邊線圈的中心抽頭端，第二二極管的陰極連接第二濾波電容的一端，第二濾波電容的另一端連接高頻變壓器副邊線圈的中心抽頭端。所述的SCR H全橋電路包括SCR轉換橋電路，SCR轉化橋電路由晶閘管組成，第一晶閘管和第三晶閘管的陽極同時連接半橋整流電路中的第一二極管的陰極和第二二極管的陰極，第一晶閘管的陰極連接第二晶閘管的陽極，第三晶閘管的陰極連接第四晶閘管的陽極，第三晶閘管的陰極和第四晶閘管的陰極連接到高頻變壓器的副邊線圈的中心抽頭端。對所述晶閘管還配置有保護電路，且保護電路的結構相同，都由電阻和電容構成， 第一電阻的一端與第一電容的一端同時連接晶閘管的陽極，第一電容的另一端連接第二電阻的一端，第二電阻的另一端與第二電容的一端同時連接晶閘管的陰極，第二電容的另一端連接晶閘管的門極，第一電阻的另一端與晶閘管的門極作為脈沖信號的輸入端。所述的濾波電路由電阻、電容和電感組成，第一晶閘管和第二晶閘管的連接點與電感的一端相連，電感的另一端連接第一電容的一端及第二電容的一端，并接電網，第二電容的另一端連接電阻的一端，電阻的另一端連接第一電容的另一端，并接電網。本發明優點M0SFET管橋路對角開關對Ql、Q4和Q2、Q3交替導通。穩定運行時， 每一組對角開關導通期間，變壓器原邊繞組所加電壓正好為輸入電壓，不像傳統的半橋結構，任一開關管導通時承受的電壓為輸入電壓的一半。同時，采用這一結構設置使得微型逆變器開關管關斷時承受的電壓應力較小，如果采用推挽式結構，則此時承受的電壓為輸入電壓的兩倍，本發明采用H全橋式，這樣就降低了對器件本身的要求，節省了成本。變壓器采用帶中心抽頭的高頻變壓器，一方面通過功率二極管Dl和D2交替導通可以避免變壓器磁芯中出現飽和，另一方面采用這種結構可以減少功率整流二極管的數量，達到減少功率元器件的目的，降低經濟成本的目的。在饅頭波到合乎電網要求的正弦波之間，本發明采用 SCR橋路，這降低了電路本身的復雜性和成本。通過上述整體結構，本發明減少了復雜開關元器件的數量，同時減低了對功率開關管的要求，使得控制電路和驅動電路簡單，提高了系統的可靠性，優化了系統的成本。
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I是本發明一種實施方式分布式光伏逆變系統的結構圖。
2是本發明一種實施方式H全橋轉換式微逆變器并網裝置的結構框3是本發明一種實施方式的單片機和CPLD電源電路原理4是本發明一種實施方式H全橋轉換式微逆變器并網裝置的主電路原理圖； 5是本發明一種實施方式的直流電壓檢測電路原理圖 6是本發明一種實施方式的交流電壓檢測電路原理圖 7是本發明一種實施方式的交流電流檢測電流原理圖 8是本發明一種實施方式的過零檢測電路原理9(A)是本發明一種實施方式的M0SFETQ1，Q3柵極驅動電路原理9(B)是本發明一種實施方式的M0SFETQ2，Q4柵極驅動電路原理10是本發明一種實施方式的SCR門極驅動電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的內容作進一步描述。本發明的一種實施方式給出一種新型的微逆變器的電路拓撲結構，其中采用的逆變器是一種寬電壓輸入，逆變功率小型化的微逆變器，例如，在230W的裝置中，其輸入電壓在28V 36V的范圍內均可實現將上述電壓升壓到滿足并網要求的電壓值，從而擴大了輸入電壓的范圍。在每塊或幾塊電池板上加裝上述的微逆變器，分布式連接太陽能光伏板，如圖I所示，這種分布式結構可以大幅改善太陽能發電的成本效益和效率。圖2為本發明一種實施方式H全橋轉換式微逆變器并網裝置的結構框圖，包括單片機控制器I、CPLD控制器2、MOSFET H全橋電路3、高頻變壓器4、半橋整流電路5、SCR H 全橋電路6、濾波電路7，還包括相應的檢測電路。結合裝置結構框圖，說明整個系統的工作過程。系統連接并上電，通過檢測電網輸入電壓，太陽能光伏板輸入電壓，首先保證太陽能光伏板(PV板)的輸入電壓在這種H全橋轉換式微逆變并網裝置的允許的寬輸入電壓范圍以內，并且電網正在運行，不存在電網電壓欠壓和過壓的問題。符合這些輸入條件后，單片機控制器的CPU開始配置器件的工作頻率，配置ADC模塊，配置I/O端口，配置系統狀態的定時器和SPI等。當以上條件滿足以后，控制器開始工作，通過直流電壓檢測電路獲得太陽能光伏板輸入電壓；通過交流電流檢測電路獲得高頻變壓器原邊側的輸出電流和逆變器的輸出電流；通過交流電壓檢測電路獲得電網電壓和經SCR H全橋逆變輸出電壓的大小；通過過零檢測電路獲得電網電壓的過零點和相位。所有檢測信號，送至單片機控制器的模擬輸入端口，單片機控制器內部ADC模塊對其進行AD采樣轉換后，得到各路輸入信號。輸入信號經過MPPT算法(最大功率跟蹤算法)和數字鎖相環計算產生正弦交流電流參考信號， MPPT算法保證太陽能光伏板工作在最大功率點，數字鎖相環方法保證由M0SFETH全橋電路構成的逆變裝置電壓和電流與電網同頻同相。將產生正弦交流電流參考信號與檢測獲得的真實交流電流相比較后，通過PI控制，計算出MOSFET管需要導通的占空比，將這些數據送至CPLD控制器，CPLD控制器根據獲得的計算數據，運算產生兩組SPWM波和一組PWM波， 兩組SPWM波送至MOSFET管驅動電路，一組PWM波送至SCR驅動電路。兩組SPWM波經過 MSOFET管驅動電路后，控制MOSFET管通斷，產生高頻化的交流電。交流電經過變壓器升壓后，得到符合電網要求的交流電。然后經過Dl和D2的半波整流，獲得饅頭波。一組PWM波經過SCR驅動電路后，控制SCR的開通，實現饅頭波到合乎并網的標準正弦波的翻轉，得到交流電以后經過濾波電路，送至電網，實現并網發電。本發明的一種實施方式，采用Microchip公司生產的dsPIC33FJ16GS504型的單片機和Altera公司生產的EMP240T100C5N型的CPLD作為雙核控制器。圖3為單片機控制器和CPLD控制器的電源電路原理圖，其中太陽能光伏板的電壓輸出端Upv+端、Upv-端依次連接電源電路的Upv+端、Upv-端，太陽能光伏板的輸出電壓經過電源電路后在ANA端口輸出12V電壓，該端口與電平轉換電路輸入端相連接，在ANAl端口輸出5V電為放大器等芯片供電，在DIG端口輸出3. 3V電為單片機控制器和CPLD控制器供電。本發明的CPLD控制器實現了 SPWM和PWM雙模制輸出，包括兩組SPWM波和一組 PWM波。兩組SPWM波用來控制MOSFET組成的H全橋產生高頻化的交流電，同時SPWM控制對角Q1、Q4和Q2、Q3交替導通，實現ZVS (導通時的零電壓開關)，降低了 MOSFET管的開關損耗。在這里SPWM采用的開關頻率達57KHz，一方面達到控制的精度，另一方面降低了變壓器的體積，實現了裝置輕型化。一組PWM波用來控制SCR組成的H全橋，在這里，每個SCR 在一個周期里只需要導通和關斷一次，大大降低了 SCR的開關損耗，同時對角SCR可實現完全的同步控制，不需要設置死區時間，減低了驅動電路的復雜性，提高了系統的效率和可靠性。如圖4為功率主電路圖，采用全新的拓撲結構。太陽能光伏板(PV板)輸入的直流電首先經過電容Cl，C2，C3，C4消除紋波，C5，C6消去諧波，接著經過MOSFET管H全橋，兩組SPWM波經過MSOFET驅動電路后，控制MOSFET通斷，產生高頻化的交流電。然后進入帶中間抽頭的高頻單相變壓器Tl進行升壓，得到符合電網交流電，經過半橋整流，獲得饅頭波。 一組PWM經過SCR驅動電路后，控制SCR的開通，實現饅頭波到合乎并網的標準正弦波的翻轉，得到交流電以后經過濾波電路，送至電網，實現并網發電。所述的的MOSFET管H全橋包括Ql，Q2，Q3，Q4和它們每個管子的保護部分，其中 Ql的保護部分由C7，Rl和D7組成，Q2，Q3，Q4保護部分與Ql結構相同。所述的半橋整流電路由Dl，D2和濾波電容C21，C22組成。所述的SCR轉換橋由D3，D4，D5，D6和它們每個管的保護部分組成，其中D3的保護部分為R5，Cll, C12和R6，D4，D5，D6與D3保護部分結構相同。所述的濾波電路由L2，C19，C20和R13組成。其連接關系為M0SFET管H全橋電路及保護電路，MOSFET管Ql和MOSFET管Q3 的漏極連接光伏板的高壓側，MOSFET管Q2和MOSFET管Q4的漏極連接光伏板的低壓側； MOSFET管Ql的源極連接MOSFET管Q2的漏極，MOSFET管Q3的源極連接MOSFET管Q4的漏極。所述的MOSFET管H全橋電路的四個MOSFET管分別配有四個結構相同的保護電路，以 MOSFET管Ql為例，所述的保護電路由電阻R1、電容C7和二極管D7組成，電阻Rl和電容C7 串聯，其連接點與所述二極管D7陰極連接，該電容C7的另一端連接MOSFET管Ql的漏極， 該電阻Rl的另一端連接MOSFET管Ql的源極和該二極管D7的陽極。所述的高頻變壓器4，高頻變壓器4的原級線圈的一端連接由MOSFET管Ql和 MOSFET管Q3所組成的橋臂的中間，高頻變壓器4的原級線圈的另一端連接由MOSFET管Q2 和MOSFET管Q4所組成的橋臂的中間，高頻變壓器4的副邊線圈的兩端分別連接半橋整流電路5，高頻變壓器4的副邊線圈的中心抽頭端連接SCRH全橋電路6。所述的半橋整流電路5包括二極管和濾波電容，高頻變壓器4副邊線圈的一端連接二極管D1的陽極，高頻變壓器4副邊線圈的另一端連接二極管D2的陽極，二極管D1的 陰極連接濾波電容C21的一端，濾波電容C21的另一端連接高頻變壓器4副邊線圈的中心 抽頭端，二極管D2的陰極連接濾波電容C22的一端，濾波電容C22的另一端連接高頻變壓 器4副邊線圈的中心抽頭端。所述的SCR H全橋電路6包括SCR轉換橋電路，SCR轉化橋電路由晶閘管組成，晶 閘管D3和晶閘管D5的陽極同時連接半橋整流電路5中的二極管D1的陰極和二極管D2的 陰極，晶閘管D3的陰極連接晶閘管D4的陽極，晶閘管D5的陰極連接晶閘管D6的陽極，晶 閘管D5的陰極和晶閘管D6的陰極連接到高頻變壓器4的副邊線圈的中心抽頭端。對所述晶閘管還配置有保護電路，且保護電路的結構相同，由電阻和電容構成，以 晶閘管D3為例加以說明電阻R5的一端與電容C12的一端同時連接晶閘管D3的陽極，電 容C12的另一端連接電阻R6的一端，電阻R6的另一端與電容C11的一端同時連接晶閘管 D3的陰極，電容C11的另一端連接晶閘管D3的門極，電阻R5的另一端與晶閘管D3的門極 作為驅動信號的輸入端。 所述的濾波電路7由電阻、電容和電感組成，晶閘管D3和晶閘管D4的連接點與電 感L2的一端相連，電感L2的另一端連接電容C19的一端及電容C20的一端，并接電網，電容 C20的另一端連接電阻R13的一端，電阻R13的另一端連接電容C19的另一端，并接電網。下面給出本發明的實施方式所采用的各元器件及電路的設計參數要求1、功率M0SFET管，包括Ql，Q2，Q3和Q4，選擇參數時所需計算公式如下M0SFET管承受的最大電壓和最大電流為Uds — UPV+Ureflectd+Uleakge(1)其中，Uds :施加于M0SFET管漏極和源極之間的最大電壓；UPV 光伏板輸入的電壓；Ureflected :當所有M0SFET管都關斷時，施加于變壓器初級的輸出反射電壓；Uleakge :因變壓器漏感磁化電感導致的泄露峰值電壓。
權利要求
1.一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于包括兩個控制器，分別為用于處理采集信號及計算的控制器(I)和用于輸出脈沖信號的控制器⑵；MOSFET H全橋電路(3):用于將光伏板輸出的直流電信號逆變為高頻交流電信號；高頻變壓器(4):用于將MOSFET H全橋電路(3)逆變出的交流電信號升壓至滿足并網幅值的電壓；半橋整流電路(5):用于將高頻變壓器(4)的輸出信號轉換為饅頭波信號；SCR H全橋電路(6):用于將半橋整流電路(5)輸出的饅頭波信號轉化為符合電網要求的正弦波信號；濾波電路(7):用于濾除SCR H全橋電路(6)輸出的正弦波中的諧波，將輸出正弦波轉化為符合電網要求的正弦波。
2.根據權利要求I所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的 MOSFET H全橋電路(3)包括MOSFET管H全橋電路及保護電路，第一 MOSFET管(Ql)和第三MOSFET管(Q3)的漏極連接光伏板的高壓側，第二 MOSFET管(Q2)和第四MOSFET管(Q4) 的漏極連接光伏板的低壓側；第一 MOSFET管(Ql)的源極連接第二 MOSFET管(Q2)的漏極， 第三MOSFET管(Q3)的源極連接第四MOSFET管(Q4)的漏極。
3.根據權利要求2所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的 MOSFET管H全橋電路的四個MOSFET管分別配有四個結構相同的保護電路，所述的保護電路由電阻、電容和二極管組成，電阻和電容串聯，其連接點與所述二極管陰極連接，該電容的另一端連接MOSFET管的漏極，該電阻的另一端連接MOSFET管的源極和該二極管的陽極。
4.根據權利要求I所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的高頻變壓器(4)，高頻變壓器(4)的原級線圈的一端連接由第一 MOSFET管(Ql)和第三MOSFET管(Q3)組成的橋臂的中間，高頻變壓器(4)的原級線圈的另一端連接由第二 MOSFET管(Q2)和第四MOSFET管(Q4)組成的橋臂的中間，高頻變壓器⑷的副邊線圈的兩端分別連接半橋整流電路(5)，高頻變壓器(4)的副邊線圈的中心抽頭端連接SCR全橋電路 (6)。
5.根據權利要求I或4所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的半橋整流電路(5)包括二極管和濾波電容，高頻變壓器(4)副邊線圈的一端連接第一二極管(Dl)的陽極，高頻變壓器(4)副邊線圈的另一端連接第二二極管(D2)的陽極，第一二極管(Dl)的陰極連接第一濾波電容(C21)的一端，第一濾波電容(C21)的另一端連接高頻變壓器(4)副邊線圈的中心抽頭端，第二二極管(D2)的陰極連接第二濾波電容(C22)的一端，第二濾波電容(C22)的另一端連接高頻變壓器(4)副邊線圈的中心抽頭端。
6.根據權利要求I或4所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的SCR H全橋電路(6)包括SCR轉換橋電路，SCR轉化橋電路由晶閘管組成，第一晶閘管 (D3)的陽極和第三晶閘管(D5)的陽極同時連接半橋整流電路(5)中的第一二極管(Dl)的陰極和第二二極管(D2)的陰極，第一晶閘管(D3)的陰極連接第二晶閘管(D4)的陽極，第三晶閘管(D5)的陰極連接第四晶閘管(D6)的陽極，第三晶閘管(D5)的陰極和第四晶閘管 (D6)的陰極連接到高頻變壓器(4)的副邊線圈的中心抽頭端。
7.根據權利要求6所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于對所述晶閘管還配置有保護電路，且保護電路的結構相同，都由電阻和電容構成，第一電阻的一端與第一電容的一端同時連接晶閘管的陽極，第一電容的另一端連接第二電阻的一端，第二電阻的另一端與第二電容的一端同時連接晶閘管的陰極，第二電容的另一端連接晶閘管的門極，第一電阻的另一端與晶閘管的門極作為電壓驅動信號的輸入端。
8.根據權利要求I所述的一種H全橋轉換式微逆變器并網裝置，其特征在于所述的濾波電路⑵由電阻、電容和電感組成，第一晶閘管(D3)和第二晶閘管(D4)的連接點與電感(L2)的一端相連，電感(L2)的另一端連接第一電容(C19)的一端及第二電容(C20)的一端，并接電網，第二電容(C20)的另一端連接電阻(R13)的一端，電阻(R13)的另一端連接第一電容(C19)的另一端，并接電網。
全文摘要
一種H橋轉換式微逆變器并網裝置，該發明屬于電氣工程技術領域，針對現有太陽能光伏系統級聯中的任何某個光伏板發生故障，會導致整個光伏板組效率降低，發明了該裝置，裝置包括單片機控制器、CPLD控制器、MOSFET全橋電路、高頻變壓器、半橋整流電路、SCR全橋電路、濾波電路，本發明中MOSFET管橋路采用全橋式，變壓器采用帶中心抽頭的單相變壓器，并采用SCR橋路，通過上述整體結構，減少器件的數量，同時減低了對功率開關管的要求，使得控制電路和驅動電路簡單，以達到減少全控開關元器件數量，提高系統可靠性，降低系統成本的目的。
文檔編號H02M1/12GK102593869SQ201210069579
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優先權日2012年3月15日
發明者劉鑫蕊, 張光儒, 張化光, 李樂, 楊東升, 汪剛, 焦陽, 王日江, 王迎春 申請人:東北大學