專利名稱：高效并網逆變電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高效并網逆變電路及控制方法，尤其是一種高轉換效率、低諧波失真度的，同時可進行功率因數調節的DC/AC并網逆變電路及調節方法。
背景技術：
并網逆變電路的作用是將直流電壓變換成正弦交流電，并實現并網供給用電設備使用。高效率、低諧波失真度是該項技術的關鍵指標；在并網發電時，也需要根據電力調度指令調整功率因數。目前存在的并網逆變器技術多采用四管全橋電路結構，如圖2所示，采用雙極性調制方式或單極性調制方式。雙極性調制電路中，四個開關管(虛線框中所示)都以較高開關頻率工作，開關管的損耗較大，影響效率，并且存在較大的開關噪聲和電流紋波幅值。單 極性調制電路中，逆變產生的共模電壓幅值變化較大，由此產生的共模電流隨著開關頻率的增加線性增大，諧波失真較嚴重。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種高效并網逆變電路，在功率因數為I的工作條件時，僅使用一顆高頻開關管實現調制，有效降低了高頻開關損耗、提高了轉換效率；在功率因數不為I的工作條件時，僅有兩顆高頻開關管工作，能夠同時實現逆變、并網及功率因數控制，是具有很強過載能力的并網逆變電路，能廣泛用于風力、太陽能并網逆變器、微網逆變器等并網電源和逆變器電源技術應用領域，同時能滿足功率因數調節的要求。本實用新型采用的技術方案為一種高效并網逆變電路(如圖I所示)，包括增強型降壓斬波電路、可控硅換相電路、逆變電流采樣電路、電壓電流檢測電路、可控硅換相控制電路以及SPWM控制電路。在需要功率因數調節時若逆變器輸出有功功率，增強型降壓斬波電路只有一個功率開關處于SPWM調制狀態，另外一個功率開關處于常開狀態；若逆變器進行無功功率調節，兩個功率開關均處于開關狀態。所述的增強型降壓斬波電路包括功率開關Ql (M0SFET或IGBT)、功率開關Q2(M0SFET或IGBT)，二極管D1、二極管D2，電感LI，電感L2，電容Cl和低頻開關Q3，功率開關Ql漏極(或集電極)與直流電源正極和二極管D2陰極相接，其源極(或發射極)與電感LI 一端和二極管Dl陰極相接；功率開關管Q2漏極(或集電極)與二極管D2陽極、電感L2的一端相連接，其源極(或發射極)與二極管Dl的陽極、直流電源負極及低頻開關的一端相接；電感LI的一端與Ql的源極(或發射極)、二極管Dl陰極相接，另一端與換向電路中單向可控硅陽極和Cl的一端相接；電感L2的一端與Q2漏極(或集電極)和D2的陽極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和低頻開關Q3的一端相連接；低頻開關Q3的一端與Q2的源極(或發射極)、二極管Dl的陽極和直流電源的負極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和電感L2的一端相連接。[0007]所述的可控硅換相電路包括4個單向可控硅Sf S4，可控硅SI與可控硅S2組成串聯組，可控硅S3與可控硅S4組成串聯組，兩個串聯組相并聯，可控硅SI與可控硅S3的陽極相接，作為高電壓輸入端，可控硅S2與可控硅S4的陰極相接，作為低電壓輸出端。可控硅SI與可控硅S2的連接點和可控硅S3與可控硅S4的連接點分別作為單相交流輸出端，接向單相電網或交流負載。可控硅SI與可控硅S4的驅動信號為一組，可控硅S2與可控硅S3的驅動信號為一組，導通時間各占半個工頻周期。所述功率開關Ql、功率開關Q2為高頻開關管，選用器件為MOSEFT或IGBT，采用SPWM控制。所述低頻開關Q3工作在低頻模式，選用器件為繼電器、雙向可控硅、低頻IGBT或MOSFFT 等。所述可控硅Sf S4為低頻開關管，選用器件為單向可控硅SCR或IGBT。所述的功率因數調節，當逆變器工作于單位功率因數模式時，增強型降壓斬波電路只有功率開關Ql處于SPWM調制狀態，低頻開關閉合，旁路另外一個功率開關Q2和電感Q2，在Ql關斷時，與二極管Dl、電感LI構成續流回路。所述的功率因數調節，當逆變器進行無功功率調節時，QU Q2需同時進行開關，當Q1、Q2同時關斷時，D2、C2、D1、L1和L2與換向電路構成續流回路，實現無功功率的控制。本實用新型的增強型降壓斬波電路完成正弦半波調制和功率因數調節。逆變器可工作于兩種模式單位功率因數模式和無功功率調節模式，單位功率因數模式下，電路中開關管Ql采用SPWM控制見圖4，將直流母線C2的直流電能轉換為正弦半波；無功功率調節模式下電路中開關管Ql和Q2采用SPWM控制見圖5，將直流母線C2的直流電能轉換為正弦半波，通過調整兩組可控硅換相器的導通時間，把正弦半波轉成正弦全波。本實用新型的優點是整個電路中只有增強型降壓斬波電路中的兩個高頻開關管，所以開關管的開關損耗很小，逆變效率得到極大提升；單位功率因數模式下(功率因數為1)，低頻開關旁路高頻開關Q2和電感L2，所以開關損耗和線路損耗最小化，效率最大化；可控硅換相電路中采用的四個工頻可控硅過載能力強，大大增強系統穩定性，器件開關損耗和導通損耗小，提高了系統效率，器件成本低，能夠大幅的降低系統的成本，有利于新能源并網逆變器的推廣普及；可控硅換相電路中，逆變產生的共模電壓恒定，由此產生共模電流接近零，能有效的抑制共模電流，降低了系統傳導損耗，保證逆變電流的品質。增強型降壓斬波電路中在傳統的Buck電路的基礎上增加一個開關管和一個二極管，可以實現功率因數調節，可滿足日益增長的功率因數可調節的需求。增強型降壓斬波電路和換相電路的巧妙配合，實現了直流輸入和交流輸出的共模抑制，有效的降低了 EMI。
圖I是本實用新型電路組成示意圖。圖2是常規四管全橋逆變電路原理圖。[0023]圖3是本實用新型的電路原理圖。圖4是本實用新型的SPWM信號(單位功率因數模式)發生示意圖。圖5是本實用新型的SPWM信號(無功功率調節模式)發生示意圖。圖6是本實用新型電路(單位功率因數模式)驅動時序圖。圖7是本實用新型電路(無功功率調節模式)驅動時序圖。圖8是本實用新型第一象限(單位功率因數模式)Ql導通等效圖。圖9是本實用新型第一象限(單位功率因數模式)Ql關斷等效圖。
圖10是本實用新型第三象限(單位功率因數模式)Ql導通等效圖。圖11是本實用新型第三象限(單位功率因數模式)Ql關斷等效圖。圖12是本實用新型第一象限(無功功率調節模式)Q1、Q2關斷等效圖。圖13是本實用新型第一象限(無功功率調節模式)Q1、Q2導通等效圖。圖14是本實用新型第二象限(無功功率調節模式)Q1、Q2導通等效圖。圖15是本實用新型第二象限(無功功率調節模式)Q1、Q2關斷等效圖。圖16是本實用新型第三象限(無功功率調節模式)Q1、Q2導通等效圖。圖17是本實用新型第三象限(無功功率調節模式)Q1、Q2關斷等效圖。圖18是本實用新型第四象限(無功功率調節模式)Q1、Q2導通等效圖。圖19是本實用新型第四象限(無功功率調節模式)Q1、Q2關斷等效圖。
具體實施方式
如圖I、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，高效并網逆變電路，包括增強型降壓斬波電路、可控硅換相電路、逆變電流采樣電路、電壓電流檢測電路、可控硅換相控制電路以及SPWM控制電路。所述的增強型降壓斬波電路包括功率開關Ql (M0SFET或IGBT)、功率開關Q2(M0SFET或IGBT)，二極管D1、二極管D2，電感LI，電感L2，電容Cl和低頻開關Q3，功率開關Ql漏極(或集電極)與直流電源正極和二極管D2陰極相接，其源極(或發射極)與電感LI 一端和二極管Dl陰極相接；功率開關管Q2漏極(或集電極)與二極管D2陽極、電感L2的一端相連接，其源極(或發射極)與二極管Dl的陽極、直流電源負極及低頻開關的一端相接；電感LI的一端與Ql的源極(或發射極)、二極管Dl陰極相接，另一端與換向電路中單向可控硅陽極和Cl的一端相接；電感L2的一端與Q2漏極(或集電極)和D2的陽極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和低頻開關Q3的一端相連接；低頻開關Q3的一端與Q2的源極(或發射極)、二極管Dl的陽極和直流電源的負極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和電感L2的一端相連接。所述的可控硅換相電路包括4個單向可控硅Sf S4，可控硅SI與可控硅S2組成串聯組，可控硅S3與可控硅S4組成串聯組，兩個串聯組相并聯，可控硅SI與可控硅S3的陽極相接，作為高電壓輸入端，可控硅S2與可控硅S4的陰極相接，作為低電壓輸出端。可控硅SI與可控硅S2的連接點和可控硅S3與可控硅S4的連接點分別作為單相交流輸出端，接向單相電網或交流負載。可控硅SI與可控硅S4的驅動信號為一組，可控硅S2與可控硅S3的驅動信號為一組，導通時間各占半個工頻周期。所述逆變器可工作于兩種模式單位功率因數模式和無功功率調節模式。[0044]如圖6所示，單位功率因數時，低頻開關Q3導通，按電壓與電流的方向，可將每個工頻周期分為2個階段第一象限，輸出電壓大于零，輸出電流大于零；第三象限，輸出電壓小于零，輸出電流小于零。圖6中給出了各個象限中功率開關管Q1，工頻周期換相器S1 S4的驅動信號。下面結合圖例對各個階段做進一步說明。I.第一象限,輸出電壓大于零,輸出電流大于零。輸出電流大于零，SI、S4導通,開關管Ql由SPWM輸出信號控制,驅動信號產生模式見圖4。當Ql導通時，等效圖見圖8，直流源通過電感LI向外傳遞能量，忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus - Uout大于零,所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增力口，電流回路是如圖中箭頭所不。當Ql關斷時，等效圖見圖9，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感 兩端電壓UL = -Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。2.第三象限，輸出電壓小于零，輸出電流小于零。輸出電流小于零，S2、S3導通，開關管Ql由SPWM輸出信號控制，驅動信號產生模式見圖4。當Ql導通時，等效圖見圖10，直流源通過電感LI向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus + Uout大于零,所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增力口，電流回路是如圖中箭頭所不。當Ql關斷時，等效圖見圖11，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。如圖7所示，無功功率調節模式下，低頻開關Q3關斷，按電壓與電流的方向，可將每個工頻周期分為4個階段第一象限，輸出電壓大于零，輸出電流大于零；第二象限，輸出電壓小于零，輸出電流大于零；第三象限，輸出電壓小于零，輸出電流小于零；第四象限，輸出電壓大于零，輸出電流小于零。圖5中給出了各個象限中功率開關管Q1、Q2，可控硅Sf S4的驅動信號。下面結合圖例對各個階段做進一步說明。I.第一象限,輸出電壓大于零,輸出電流大于零。輸出電流大于零，S1、S4導通，開關管Q1、Q2由SPWM輸出信號控制，驅動信號產生模式見圖5。當Ql、Q2導通時，等效圖見圖13，直流源通過電感LI向外傳遞能量，忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus - Uout大于零,所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增加，電流回路是如圖中箭頭所示。當Q1、Q2關斷時，等效圖見圖12，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = -Ubus - Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。2.第二象限，輸出電壓小于零，輸出電流大于零。輸出電流大于零，S1、S4導通，開關管Ql和Q2由SPWM輸出信號控制，驅動信號產生模式見圖5。[0060]當Ql、Q2同時導通時，等效圖見圖14，直流源通過電感LI向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus - Uout大于零，所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增加，電流回路是如圖中箭頭所示。當Ql、Q2同時關斷時，等效圖見圖15，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = -Ubus-Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。3.第三象限，輸出電壓小于零，輸出電流小于零。輸出電流小于零，S2、S3導通，Q2始終 處于導通狀態，開關管Ql由SPWM輸出信號控制，驅動信號產生模式見圖5。當Ql、Q2同時導通時，等效圖見圖16，直流源通過電感LI向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus + Uout大于零,所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增加，電流回路是如圖中箭頭所示。當Ql、Q2同時關斷時，等效圖見圖17，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = -Ubus+Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。4.第四象限，輸出電壓大于零，輸出電流小于零，S2、S3導通，開關管Ql和Q2由SPWM輸出信號控制，驅動信號產生模式見圖5。當Ql、Q2同時導通時，等效圖見圖18，直流源通過電感LI向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = Ubus + Uout大于零,所以電感電流逐漸增加，電感儲能逐漸增加，電流回路是如圖中箭頭所示。當Ql、Q2同時關斷時，等效圖見圖19，電感繼續向外傳遞能量。忽略器件的導通壓降，電感兩端電壓UL = -Ubus+Uout小于零,所以電感電流逐步減小,存儲的能量逐步降低，電流回路如圖中箭頭所示。
權利要求1.一種高效并網逆變電路，其特征在于包括增強型降壓斬波電路、可控硅換相電路、逆變電流采樣電路、電壓電流檢測電路、可控整流器換相控制電路以及SPWM控制電路。
2.根據權利要求I所述的高效并網逆變電路，其特征在于所述的增強型降壓斬波電路包括功率開關Ql、功率開關Q2，二極管Dl、二極管D2，電感LI，電感L2，電容Cl和低頻開關Q3，功率開關Ql漏極與直流電源正極和二極管D2陰極相接，其源極與電感LI 一端和二極管Dl陰極相接；功率開關管Q2漏極與二極管D2陽極、電感L2的一端相連接，其源極與二極管Dl的陽極、直流電源負極及低頻開關的一端相接；電感LI的一端與Ql的源極、二極管Dl陰極相接，另一端與換向電路中單向可控硅陽極和Cl的一端相接；電感L2的一端與Q2漏極和D2的陽極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和低頻開關Q3的一端相連接；低頻開關Q3的一端與Q2的源極、二極管Dl的陽極和直流電源的負極相連接，另一端與可控硅陰極、電容Cl和電感L2的一端相連接。
3.根據權利要求I所述的高效并網逆變電路，其特征在于所述的可控硅換相電路包括4個單向可控硅Sf S4，可控硅SI與可控硅S2組成串聯組，可控硅S3與可控硅S4組成串聯組，兩個串聯組相并聯，可控硅SI與可控硅S3的陽極相接，作為高電壓輸入端，可控硅S2與可控硅S4的陰極相接，作為低電壓輸出端；可控硅SI與可控硅S2的連接點和可控硅S3與可控娃S4的連接點分別作為單相交流輸出端,接向單相電網或交流負載。
4.根據權利要求2所述的高效并網逆變電路，其特征在于所述功率開關Q1、功率開關Q2為高頻開關管，選用器件為MOSEFT或IGBT ；Q3為低頻開關，選用器件為繼電器、雙向可控硅、低頻IGBT或M0SFFT。
5.根據權利要求3所述的高效并網逆變電路，其特征在于所述可控硅SfS4為低頻開關管，選用器件為單向可控硅SCR或IGBT。
專利摘要本實用新型涉及一種高效并網逆變電路，包括增強型降壓斬波電路和可控硅工頻換相電路，其中增強型降壓斬波電路包括SPWM調制的功率開關管、雙續流二極管、功率因數調節功率開關管、旁路低頻開關、電感和電容。通過調節增強型降壓斬波電路中高頻開關管的占空比，將直流電能轉換為正弦半波；通過調整功率因數調節功率開關管或開關的導通方式，可以實現功率因數調節。由4個低頻可控硅組成的換相電路對直流正弦半波進行換相，得到正弦全波，完成從直流到正弦交流的逆變。本實用新型結構簡單，抗過流能力強，穩定性高，高頻管數目少，逆變效率高，成本低。在開關和換相過程中，逆變的交流輸出產生共模電壓恒定，抑制了共模電流并降低EMI干擾。
文檔編號H02M7/537GK202524319SQ20122001570
公開日2012年11月7日 申請日期2012年1月14日 優先權日2012年1月14日
發明者丁寶, 徐鵬飛, 牟英峰 申請人:牟英峰