[發(fā)明專利]一種單級式光伏離網(wǎng)逆變器及其控制方法

有效

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• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107332453B
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王春芳;趙永強;鄭再余
• 申請（專利權(quán)）人: 青島大學(xué)
• 主分類號: H02M7/48
• 分類號: H02M7/48;H02J3/38
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙) 37104
• 代理人: 黃曉敏

1.一種單級式光伏離網(wǎng)逆變器，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括反向截止二極管、電容、諧振電容、第一開關(guān)管、續(xù)流二極管、高頻變壓器、第一高頻全波整流電路、第二高頻全波整流電路、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、濾波電容、濾波電感、第一電壓采樣電路、第一電流采樣電路、第二電壓采樣電路、第二電流采樣電路、輸出電壓采樣電路、反激電源、控制單片機、第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路和第三驅(qū)動電路；輸入電壓經(jīng)過反向截止二極管并由電容濾波之后作為后面電路的輸入，其中，輸入電壓為太陽能電池板組件的輸出電壓，反向截止二極管用于防止反向電流流向太陽能電池板組件，電容用于吸收高頻變壓器原邊電感回饋的能量，同時起到濾波作用；高頻變壓器的原邊電感、諧振電容、第一開關(guān)管、續(xù)流二極管電連接組成單管諧振電路，用于將濾波后的直流電逆變成高頻交流電；高頻變壓器由原邊電感、磁芯、第一副邊電感、第二副邊電感、第三副邊電感、第四副邊電感連接組成，其中，磁芯為帶有氣隙的磁芯，原邊電感與第一副邊電感、原邊電感與第二副邊電感、原邊電感與第三副邊電感、原邊電感與第四副邊電感的耦合系數(shù)均為0.5-0.9，第一副邊電感與第三副邊電感的繞制完全相同，第二副邊電感與第四副邊電感的繞制完全相同，高頻交流電施加在高頻變壓器原邊電感兩端，在高頻變壓器副邊感應(yīng)出正負(fù)幅值不對稱的高頻交流電壓；單管諧振電路和高頻變壓器用于將能量從原邊傳遞到副邊；第一高頻全波整流電路由第一副邊電感、第二副邊電感、第一高頻整流二極管、第二高頻整流二極管電連接組成，用于對變壓器副邊的高頻交流電進(jìn)行整流；第二高頻全波整流電路由第三副邊電感、第四副邊電感、第三高頻整流二極管、第四高頻整流二極管電連接組成，用于對變壓器副邊的高頻交流電進(jìn)行整流；第二開關(guān)管和第三開關(guān)管交替導(dǎo)通，用于實現(xiàn)工頻逆變，其中第二開關(guān)管在工頻正半周期內(nèi)導(dǎo)通，第三開關(guān)管在工頻負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通；濾波電容和濾波電感電連接組成濾波電路，用于對第二開關(guān)管和第三開關(guān)管工頻逆變后的高頻交流電進(jìn)行濾波，濾除高頻諧波獲得工頻220V交流電；第一電壓采樣電路采集太陽能電池板組件的輸出電壓信號并送至控制單片機，第一電流采樣電路采集太陽能電池板組件的輸出電流信號送至控制單片機，控制單片機接收到采集來的太陽能電池板組件的輸出電壓和電流信號進(jìn)行MPPT控制；第二電壓采樣電路采集第一開關(guān)管漏源極間的電壓信號并送至控制單片機，在第一開關(guān)管當(dāng)前驅(qū)動信號上升沿到來之前，檢測第一開關(guān)管漏源極間的電壓是否為零來判斷當(dāng)前第一開關(guān)管是否實現(xiàn)零電壓開通；第二電流采樣電路采集逆變器的輸出電流信號并送至控制單片機，輸出電壓采樣電路采集逆變器的輸出電壓信號并送至控制單片機，控制單片機接收到采集來的逆變器的輸出電流和輸出電壓信號進(jìn)行電壓電流反饋控制；反激電源將太陽能電池板組件的輸出電壓降至三路相互隔離的+12V輸出和一路+5V輸出，第一路+12V輸出的負(fù)極與太陽能電池板組件的負(fù)極電連接，為第一驅(qū)動電路驅(qū)動側(cè)供電；第二路+12V輸出的負(fù)極與第二開關(guān)管源極電連接，為第二驅(qū)動電路驅(qū)動側(cè)供電；第三路+12V輸出的負(fù)極與第三開關(guān)管源極電連接，為第三驅(qū)動電路驅(qū)動側(cè)供電；+5V輸出的負(fù)極與太陽能電池板組件的負(fù)極電連接，為控制單片機、輸出電壓采樣電路輸出側(cè)、輸出電壓采樣電路直流偏置、第一驅(qū)動電路控制信號側(cè)、第二驅(qū)動電路控制信號側(cè)、第三驅(qū)動電路控制信號側(cè)供電；控制單片機接收到第一電壓采樣電路、第一電流采樣電路、第二電壓采樣電路、第二電流采樣電路、輸出電壓采樣電路采集的電壓電流信號，經(jīng)由MPPT控制程序、軟開關(guān)判斷程序、電壓電流反饋控制程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管的控制信號，控制信號分別送至第一驅(qū)動電路、第二驅(qū)動電路、第三驅(qū)動電路；第一驅(qū)動電路接收到控制單片機發(fā)來的第一開關(guān)管控制信號后經(jīng)放大驅(qū)動第一開關(guān)管；第二驅(qū)動電路接收到控制單片機發(fā)來的第二開關(guān)管控制信號后經(jīng)放大驅(qū)動第二開關(guān)管；第三驅(qū)動電路接收到控制單片機發(fā)來的第三開關(guān)管控制信號后經(jīng)放大驅(qū)動第三開關(guān)管。

2.一種如權(quán)利要求1所述單級式光伏離網(wǎng)逆變器的控制方法，其特征在于具體控制過程包括以下步驟：

(1)電路上電，單片機程序初始化，第一開關(guān)管采用脈沖寬度調(diào)制PWM與PFM相結(jié)合的方式軟啟動、即給定第一開關(guān)管的初始開關(guān)頻率與初始導(dǎo)通時間，讓第二開關(guān)管和第三開關(guān)管按工頻交替導(dǎo)通，使逆變器輸出電壓峰值達(dá)到311V；

(2)軟啟動完成后，檢測逆變器的輸出電壓和電流信號，控制單片機根據(jù)輸出電壓采樣電路和第二電流采樣電路采集到的逆變器輸出電壓和電流信號，調(diào)整第一開關(guān)管的調(diào)制信號，讓第二開關(guān)管和第三開關(guān)管按工頻半波交替導(dǎo)通，則逆變器輸出電壓按照工頻220V交流電壓的規(guī)律變化；逆變器輸出電壓的頻率由單片機程序設(shè)定，逆變器輸出電壓的正弦波調(diào)制按照面積等效原理進(jìn)行，當(dāng)逆變器輸出工頻電壓處于過零點前后相等的時間內(nèi)時，固定第一開關(guān)管每一個開關(guān)周期驅(qū)動信號的頻率與占空比，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調(diào)節(jié)逆變器的輸出，以減小電壓畸變率；當(dāng)逆變器輸出工頻電壓處于其他時間段時，通過PFM、PWM相結(jié)合的方式控制第一開關(guān)管驅(qū)動信號的頻率與占空比，使逆變器輸出電壓符合工頻正弦規(guī)律變化；

(3)當(dāng)逆變器輸出電壓不穩(wěn)定時，通過PFM控制方法控制第一開關(guān)管的開關(guān)頻率，穩(wěn)定逆變器的輸出電壓；輸出電壓采樣電路、第二電流采樣電路采集到逆變器的輸出電壓、輸出電流信號并送至控制單片機，經(jīng)過電壓電流反饋控制程序與給定值比較、數(shù)字PID補償后，對第一開關(guān)管的開關(guān)頻率進(jìn)行PFM控制，若逆變器輸出電壓幅值不變，則保持第一開關(guān)管既定的調(diào)制信號，若逆變器輸出電壓幅值變大，則發(fā)出增大第一開關(guān)管開關(guān)頻率的信號，若逆變器輸出電壓幅值變小，則發(fā)出減小第一開關(guān)管開關(guān)頻率的信號，從而穩(wěn)定逆變器的輸出電壓幅值；

(4)通過檢測第一開關(guān)管開通前其漏源極間的電壓是否為零來判斷第一開關(guān)管是否實現(xiàn)零電壓開通，通過第一中斷用PWM控制的方法控制其驅(qū)動脈沖寬度來實現(xiàn)第一開關(guān)管的零電壓開通，第一中斷的優(yōu)先級優(yōu)于其他中斷；在第一開關(guān)管當(dāng)前驅(qū)動信號上升沿到來之前，第二電壓采樣電路采集第一開關(guān)管漏源極間的電壓信號并送至控制單片機，若軟開關(guān)判斷程序判斷第一開關(guān)管漏源極間的電壓不為零，則第一開關(guān)管沒有實現(xiàn)零電壓開通，進(jìn)入中斷，減小第一開關(guān)管控制信號的脈沖寬度基準(zhǔn)值，保持第二開關(guān)管、第三開關(guān)管的驅(qū)動信號不變，第一中斷返回，等待下一次檢測；

(5)當(dāng)太陽能電池板組件的最大功率點發(fā)生偏移時，通過第二中斷控制第一開關(guān)管控制信號的占空比，來調(diào)節(jié)逆變器及負(fù)載的等效阻抗與太陽能電池板組件的等效內(nèi)阻相等，以實現(xiàn)MPPT，第二中斷的優(yōu)先級次于第一中斷；第一電壓采樣電路、第一電流采樣電路采集到太陽能電池板組件的輸出電壓、輸出電流信號并送至控制單片機，每隔n秒進(jìn)入一次第二中斷，n的取值由單片機程序設(shè)定，MPPT控制程序在上一次進(jìn)行MPPT控制時記錄的特征信息的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行MPPT控制，直至逆變器工作在最大功率點，第二中斷返回；

(6)判斷逆變器是否需要停止工作，若逆變器需要停止工作，則封鎖輸出第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管的驅(qū)動信號；若逆變器不需要停止工作，則逆變器重新輸出電壓，重復(fù)上述步驟，實現(xiàn)逆變器的控制。