CN2011100326661A 一种交错并联并网逆变器及其控制方法 1-8

(10)申请公布号 CN 102624274 A (43)申请公布日 2012.08.01 CN 102624274 A *CN102624274A* (21)申请号 201110032666.1 (22)申请日 2011.01.30 H02M 7/5387(2007.01) H02J 3/38(2006.01) (71)申请人 上海康威特吉能源技术有限公司 地址 200090 上海市杨浦区杨树浦路 2300 号 5 楼 A 区 5012 室 (72)发明人 高峰 (74)专利代理机构 上海天翔知识产权代理有限 公司 31224 代理人 刘粉宝 (54) 发明名称 一种交错并联并网逆变器及其控制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种交错并联光伏并网逆变器 及其控制方法， 该逆变器包括电源电路 (10)、 第 一逆变桥臂 (20)、 第二逆变桥臂 (30)、 第三逆变 桥臂 (40) 和滤波电路 (50)， 电源电路 (10) 由直 流电源和滤波电容构成， 逆变桥臂均由两个功率 开关管串联构成 ； 第一逆变桥臂中的开关管低频 开关， 第二、 第三逆变桥臂中的开关管高频开关， 逆变器输出功率大于半载时第二、 第三逆变桥臂 中的开关管高频交错开关， 输出功率小于半载时 第二、 第三逆变桥臂中仅有一个逆变桥臂高频开 关， 另外一个桥臂中的开关管不工作。 本发明逆变 器能够有效提高轻载时的变换效率、 减小开关管 电流应力、 提高逆变器的可靠性， 且能够减小并网 电流谐波含量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种交错并联并网逆变器， 其特征在于， 所述交错并联并网逆变器包括电源电路 (10)、 第一逆变桥臂(20)、 第二逆变桥臂(30)、 第三逆变桥臂(40)和滤波电路(50)， 其中电 源电路(10)由输入源(Uin)和滤波电容(Cin)构成， 第一逆变桥臂(20)由第一、 第二开关管 (S1、S2) 构成， 第二逆变桥臂 (30) 由第三、 第四开关管 (S3、S4) 构成， 第三逆变桥臂 (40) 由 第五、 第六开关管 (S5、S6) 构成， 滤波电路 (50) 由第一、 第二电感 (L1、L2) 构成 ； 其中 ： 输入源 (Uin) 的正极分别连于滤波电容 (Cin) 的一端、 第一开关管 (S1) 的漏极、 第三开关管 (S3) 的漏极和第五开关管 (S5) 的漏极， 输入源 (Uin) 的负极分别连于滤波电容 (Cin) 的另一端、 第二开关管 (S2) 的源极、 第四开关管 (S4) 的源极和第六开关管 (S6) 的源 极， 第一开关管 (S1) 的源极分别连于第二开关管 (S2) 的漏极和电网 (uG) 的一端， 第三开关 管 (S3) 的源极分别连于第四开关管 (S4) 的漏极和第一电感 (L1) 的一端， 第五开关管 (S5) 的源极分别连于第六开关管 (S6) 的漏极和第二电感 (L2) 的一端， 第一电感 (L1) 的另一端 分别连于第二电感 (L2) 的另一端和电网 (uG) 的另一端。 2. 根据权利要求 1 所述的一种交错并联并网逆变器， 其特征在于， 所述输出滤波电路 (50) 还包括隔离变压器 (T)， 所述隔离变压器 (T) 原边绕组的一端与第一电感 (L1) 的另一 端和第二电感(L2)的另一端相连， 隔离变压器(T)原边绕组的另一端与第一开关管(S1)的 源极和第二开关管(S2)的漏极相连， 隔离变压器(T)副边绕组的两端分别与电网(uG)的两 端相连。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种交错并联并网逆变器， 其特征在于， 所述的交错并 联并网逆变器中， 所述第一逆变桥臂 (20) 中的第一、 第二开关管 (S1、S2) 为低频开关管， 其 开关频率与电网电压 (uG) 频率相等， 所述第二逆变桥臂 (30) 和第三逆变桥臂 (40) 中的第 三、 第四、 第五、 第六开关管 (S3、S4、S5、S6) 为高频开关管。 4. 一种交错并联并网逆变器的控制方法， 其特征在于， 所述控制方法如下 ： 当第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三、 第四开关管 (S3、S4) 互补导通 ； 当第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第五、 第六开关管 (S5、S6) 互补导通 ； 当逆变器输出功率大于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)同时工作， 且 第三开关管(S3)与第五开关管(S5)交错180导通， 第四开关管(S4)与第六开关管(S6)交 错 180导通 ； 当逆变器输出功率小于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)不同时工作， 第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三逆变桥臂 (40) 不工作， 第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第二逆 变桥臂 (30) 不工作， 且第二逆变桥臂 (30) 与第三逆变桥臂 (40) 开始工作或停止工作的时 刻在电网电压 (uG) 的过零点时刻。 权 利 要 求 书 CN 102624274 A 2 1/4 页 3 一种交错并联并网逆变器及其控制方法 技术领域 0001 本发明属电力电子变换器技术领域， 特别涉及新能源发电技术领域中的功率变换 器技术领域， 具体涉及的是一种交错并联并网逆变器及其控制方法。 背景技术 0002 随着能源危机和环境污染问题日益严重， 太阳能光伏发电技术成为世界各国关注 和研究的热点。 0003 光伏并网发电是太阳能发电应用最主要的方式， 据统计， 全世界超过 90% 的光伏 发电设备安装容量为并网应用， 这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等 优势。 0004 光伏并网逆变器是太阳能光伏发电设备与电网连接的桥梁， 是光伏并网发电系统 中最关键的设备之一。在整个太阳能光伏并网发电系统中， 光伏电池的成本所占系统总成 本的比例最高， 且其价格较贵， 另一方面， 光伏电池的光电转换效率较低， 为了降低光伏并 网系统单位发电量的成本， 同时提高整个并网发电系统的效率， 要求并网逆变器具有较高 的效率， 而传统的并网逆变器在设计时仅能保证在满载或者接近满载时效率最高， 在轻载 时的效率很低， 而光伏电池一般仅在较少的时间段工作在满载状态， 这就造成了整个系统 发电效率的降低 ； 随着光伏并网发电系统的大规模安装与应用， 用户对并网逆变器的可靠 性、 并网电流的波形质量提出了更高的要求， 设计和实现高效率、 高可靠性、 低谐波并网逆 变器是光伏并网发电技术领域不断追求的目标。 发明内容 0005 本发明针对上述现有技术的不足， 提供一种具有整体效率高、 可靠性高的光伏并 网逆变器。 0006 为了达到上述目的， 本发明采用如下的技术方案 ： 一种交错并联并网逆变器， 所述交错并联并网逆变器包括电源电路 (10)、 第一逆变桥 臂(20)、 第二逆变桥臂(30)、 第三逆变桥臂(40)和滤波电路(50)， 其中电源电路(10)由输 入源 (Uin) 和滤波电容 (Cin) 构成， 第一逆变桥臂 (20) 由第一、 第二开关管 (S1、S2) 构成， 第 二逆变桥臂(30)由第三、 第四开关管(S3、S4)构成， 第三逆变桥臂(40)由第五、 第六开关管 (S5、S6) 构成， 滤波电路 (50) 由第一、 第二电感 (L1、L2) 构成 ； 其中 ： 输入源 (Uin) 的正极分别连于滤波电容 (Cin) 的一端、 第一开关管 (S1) 的漏极、 第三开关管 (S3) 的漏极和第五开关管 (S5) 的漏极， 输入源 (Uin) 的负极分别连于滤波电容 (Cin) 的另一端、 第二开关管 (S2) 的源极、 第四开关管 (S4) 的源极和第六开关管 (S6) 的源 极， 第一开关管 (S1) 的源极分别连于第二开关管 (S2) 的漏极和电网 (uG) 的一端， 第三开关 管 (S3) 的源极分别连于第四开关管 (S4) 的漏极和第一电感 (L1) 的一端， 第五开关管 (S5) 的源极分别连于第六开关管 (S6) 的漏极和第二电感 (L2) 的一端， 第一电感 (L1) 的另一端 分别连于第二电感 (L2) 的另一端和电网 (uG) 的另一端。 说 明 书 CN 102624274 A 3 2/4 页 4 0007 在本发明的优选实例中， 所述输出滤波电路 (50) 还包括隔离变压器 (T)， 所述隔 离变压器(T)原边绕组的一端与第一电感(L1)的另一端和第二电感(L2)的另一端相连， 隔 离变压器(T)原边绕组的另一端与第一开关管(S1)的源极和第二开关管(S2)的漏极相连， 隔离变压器 (T) 副边绕组的两端分别与电网 (uG) 的两端相连。 0008 进一步的， 所述的交错并联并网逆变器中， 所述第一逆变桥臂 (20) 中的第一、 第 二开关管 (S1、S2) 为低频开关管， 其开关频率与电网电压 (uG) 频率相等， 所述第二逆变桥臂 (30) 和第三逆变桥臂 (40) 中的第三、 第四、 第五、 第六开关管 (S3、S4、S5、S6) 为高频开关管。 0009 作为本发明的第二目的， 本发明还提供上述交错并联并网逆变器的控制方法， 该 控制方法的控制过程如下 ： 当第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三、 第四开关管 (S3、S4) 互补导通 ； 当第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第五、 第六开关管 (S5、S6) 互补导通 ； 当逆变器输出功率大于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)同时工作， 且 第三开关管(S3)与第五开关管(S5)交错180导通， 第四开关管(S4)与第六开关管(S6)交 错 180导通 ； 当逆变器输出功率小于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)不同时工作， 第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三逆变桥臂 (40) 不工作， 第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第二逆 变桥臂 (30) 不工作， 且第二逆变桥臂 (30) 与第三逆变桥臂 (40) 开始工作或停止工作的时 刻在电网电压 (uG) 的过零点时刻。 0010 根据上述方案得到的本发明具有以下优点 ： (1) 采用本发明交错并联并网逆变器可以有效提高逆变器在轻载条件下的效率， 从而 提高整个光伏并网发电系统的发电效率 ； (2) 交错并联的两桥臂彼此独立， 其中一个桥臂故障时对另外的一个桥臂无影响， 从而 显著提高并网逆变器的可靠性， 使其具有一定的容错能力 ； (3) 交错并联的桥臂同时工作时， 有利于减小并网电流的谐波含量， 提高并网电流的 波形质量 ； (4) 通过交错并联， 可以很方便的实现并网逆变器容量的扩展。 附图说明 0011 以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。 0012 图 1 为本发明为不含有隔离变压器的交错并联并网逆变器原理图。 0013 图 2 为本发明为含有隔离变压器的交错并联并网逆变器原理图。 0014 图 3 为本发明交错并联并网逆变器具体实施例控制框图。 0015 图 4 为本发明交错并联并网逆变器在第一、 第二逆变桥臂同时工作时的等效电路 原理图。 0016 图 5 为本发明交错并联并网逆变器在第一、 第三逆变桥臂同时工作时的等效电路 原理图。 0017 图中符号说明 ： 10电源电路 ； 20第一逆变桥臂 ； 30第二逆变桥臂 ； 40第三 逆变桥臂 ； 50滤波电路 ；Uin输入源 ；Cin滤波电容 ；S1、S2、S3、S4、S5、S6第一、 第二、 第 三、 第四、 第五及第六开关管 ；L1、L2第一、 第二电感 ；T变压器 ；uG电网 ；iL1、iL2第一、 说 明 书 CN 102624274 A 4 3/4 页 5 第二电感电流 ；uGS1、uGS2、uGS3、uGS4、uGS5、uGS6第一、 第二、 第三、 第四、 第五及第六开关管的驱 动信号。 具体实施方式 0018 为了使本发明实现的技术手段、 创作特征、 达成目的与功效易于明白了解， 下面结 合具体图示， 进一步阐述本发明。 0019 本发明具体实施例包括交错并联并网逆变器及其控制方法两部分。 0020 交错并联并网逆变器包括电源电路 (10)、 第一逆变桥臂 (20)、 第二逆变桥臂 (30)、 第三逆变桥臂 (40) 和滤波电路 (50)。 0021 其中电源电路 (10) 由输入源 (Uin) 和滤波电容 (Cin) 构成， 第一逆变桥臂 (20) 由 第一、 第二开关管 (S1、S2) 构成， 第二逆变桥臂 (30) 由第三、 第四开关管 (S3、S4) 构成， 第三 逆变桥臂 (40) 由第五、 第六开关管 (S5、S6) 构成。 0022 第一逆变桥臂(20)中的第一、 第二开关管(S1、S2)为低频开关管， 其开关频率与电 网电压 (uG) 频率相等。 0023 第二逆变桥臂 (30) 和第三逆变桥臂 (40) 中的第三、 第四、 第五、 第六开关管 (S3、 S4、S5、S6) 为高频开关管。 0024 本发明提供的交错并联并网逆变器根据是否带有隔离变压器包括带隔离变压器 交错并联并网逆变器和不带隔离变压器并网逆变器两种形式。 0025 不带隔离变压器的交错并联并网逆变器如附图 1 所示， 其滤波电路 (50) 由第一、 第二电感 (L1、L2) 构成 ； 其中 ： 输入源 (Uin) 的正极分别连于滤波电容 (Cin) 的一端、 第一开 关管 (S1) 的漏极、 第三开关管 (S3) 的漏极和第五开关管 (S5) 的漏极， 输入源 (Uin) 的负极 分别连于滤波电容(Cin)的另一端、 第二开关管(S2)的源极、 第四开关管(S4)的源极和第六 开关管 (S6) 的源极 ； 第一开关管 (S1) 的源极分别连于第二开关管 (S2) 的漏极和电网 (uG) 的一端， 第三开关管 (S3) 的源极分别连于第四开关管 (S4) 的漏极和第一电感 (L1) 的一端， 第五开关管 (S5) 的源极分别连于第六开关管 (S6) 的漏极和第二电感 (L2) 的一端， 第一电 感 (L1) 的另一端分别连于第二电感 (L2) 的另一端和电网 (uG) 的另一端。 0026 带有隔离变压器的交错并联并网逆变器如附图2所示， 其输出滤波电路(50)中除 包括第一、 第二电感 (L1、L2) 以外， 还包括隔离变压器 (T)， 其中隔离变压器 (T) 原边绕组的 一端与第一电感(L1)的另一端和第二电感(L2)的另一端相连， 隔离变压器(T)原边绕组的 另一端与第一开关管(S1)的源极和第二开关管(S2)的漏极相连， 隔离变压器(T)副边绕组 的两端分别与电网 (uG) 的两端相连。 0027 作为本发明的第二部分 ： 交错并联并网逆变器控制方法， 该控制方法基于上述方 案形成的交错并联并网逆变器实施， 其具体控制过称如下 ： 当第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三、 第四开关管 (S3、S4) 互补导通 ； 当第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第五、 第六开关管 (S5、S6) 互补导通 ； 当逆变器输出功率大于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)同时工作， 且 第三开关管(S3)与第五开关管(S5)交错180导通， 第四开关管(S4)与第六开关管(S6)交 错 180导通 ； 当逆变器输出功率小于半载时， 第二逆变桥臂(30)和第三逆变桥臂(40)不同时工作， 说 明 书 CN 102624274 A 5 4/4 页 6 第二逆变桥臂 (30) 工作时， 第三逆变桥臂 (40) 不工作， 第三逆变桥臂 (40) 工作时， 第二逆 变桥臂 (30) 不工作， 且第二逆变桥臂 (30) 与第三逆变桥臂 (40) 开始工作或停止工作的时 刻在电网电压 (uG) 的过零点时刻。 0028 在具体实施时， 当并网逆变器输出功率效率为半载时， 第二逆变桥臂 (30) 和第三 逆变桥臂 (40) 可以采用各工作一个电网电压 (uG) 周期的的方式交替工作， 也可以采用各 工作半个电网电压 (uG) 周期的方式交替工作， 还可以采用仅其中一个逆变桥臂一直工作而 另一个逆变桥臂一直不工作的方式。 0029 基于上述方案， 本发明的具体实施的控制原理和工作过程如图 3 至图 5 所示 ： 在本发明的具体实施例中， 第一、 第二开关管 (S1、S2) 选用绝缘栅型双极型晶体管 (IGBT)， 第三、 第四、 第五、 第六开关管选用金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)， 开关 频率 50kHz， 并网逆变器的控制由数字信号处理器 (DSP) 完成。 0030 系统控制框图如附图 3 所示， 整个控制系统包括电网电压采样电路、 输入电压采 样电路、 电感电流采样电路、 数字信号处理器 (DSP) 以及驱动电路。 0031 其中数字信号处理器 (DSP) 包括锁相环、 电感电流调节、 输入电压调节等功能， 其 由锁相环、 第一误差放大器、 电流基准生成模块、 电压基准生成模块、 第二误差放大器、 运算 处理模块、 均流调节模块以及 PWM 调制模块组成。 0032 锁相环与电流基准生成模块相接， 并与电网电压采样电路相接。第一误差放大器 与电流基准生成模块相接和电压基准生成模块相接， 并与输入电压采样电路相接。电流基 准生成模块连接第二误差放大器。运算处理模块和均流调节模块与电感电流采样电路相 接， 且运算处理模块与第二误差放大器相