本實用新型一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，涉及新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著化石燃料的快速消耗，以及由此而帶來的環(huán)境污染日益加劇。可再生能源的開發(fā)以及利用越來越引起人們廣泛的注意。而在新能源發(fā)電并網(wǎng)過程中，需要使用到DC-AC 變換器(逆變器)，而變換器需要接入不同的直流電壓等級作為輸入。而DC-AC逆變器通常工作在降壓條件下，如果需要輸出電壓大于輸出電壓，就需要用到buck-boost逆變器，這就要求使用一個中間功率階段或者變壓器，這樣使用這個電路的DC-AC變換器就會很復雜。一是拓撲結(jié)構(gòu)會變復雜，二是變換器體積會增大。同時，在并網(wǎng)時必須要考慮到逆變器的輸出需與電網(wǎng)保持同頻、同相，這就對相應(yīng)的鎖相環(huán)技術(shù)提出了更高的要求，需要利用新技術(shù)解決諧波問題，保證分布式發(fā)點接入電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，所述拓撲結(jié)構(gòu)只利用占空比和兩組電容電感，完成了直流到交流的升降壓；該方法可以檢測出實際的相位，且兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

本實用新型采取的技術(shù)方案為：

一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，DC/AC逆變器包括電源V_in、電感L_f、電容C_f、負載電阻R₀；

第一功率開關(guān)S₁、第二功率開關(guān)S₂、第三功率開關(guān)S₃、第四功率開關(guān)S₄；

第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄；

電容C₁、電容C₂、電感L₁、電感L₂；

電源V_in的正極分別與第一功率開關(guān)管S₁的漏極、第三功率開關(guān)管S₃的漏極連接，第一功率管S₁的源極與電感L₁的一端、電容C₁的一端連接，電感L₁的另一端與電源V_in的負極連接，電容C₁的另一端與第二功率開關(guān)S₂的漏極以及公共部分連接，第二功率開關(guān)S₂的源極與電源V_in負極連接；第三功率管S₃的源極與電感L₂的一端、電容C₂的一端連接，電感L₂的另一端與電源V_in的負極連接，電容C₂的另一端與第四功率開關(guān)S₄的漏極以及公共部分連接，第四功率開關(guān)S₄的源極與電源V_in負極連接；

公共部分由電感L_f和電容C_f組成的高頻濾波器和負載電阻R₀組成，電感L_f的一側(cè)與電容C₁的另一端連接，電感L_f的另一側(cè)與電容C_f的一端以及負載電阻R₀的一端連接，電容C_f的一端與電感L_f連接，電容C_f的另一側(cè)與電容C₂的另一端以及負載電阻R₀的另一端連接。

一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)控制方法，第一功率開關(guān)管S₁和第三功率開關(guān)管S₃為一對，第四功率開關(guān)管S₄和第二功率開關(guān)管S₂為一對；

在t₁時刻前，當S₁，S₄導通，之后電感L₁開始充電，電感L₂開始放電，電容C₂開始充電，電容C₁開始放電，輸出電壓為U_d；

t₁時刻S₃、S₄柵極信號反向，電流不能突變，S₃不能立即導通，D₃導通續(xù)流，因為S₁和D₃同時導通，所以輸出電壓為零；

到t₂時刻S₁、S₂的柵極信號反向，S₁截止，而S₂不能立刻導通，D₂導通續(xù)流，和S₃構(gòu)成電流通道，L₁開始放電，C₁開始充電，L₂開始充電，C₂開始放電，輸出電壓為-U_d，到負載電流為零之后并開始反向時，D₂和D₃截止，S₂和S₃導通，輸出電壓仍為-U_d；

t₃時刻S₃、S₄柵極信號再次反向，S₃截止，而S₄不立即導通，D₄導通續(xù)流，輸出電壓再次為零；

以后的過程和前面類似；

通過對占空比的控制，以及各個時刻兩組電容C₁、C₂兩組電感L₁、L₂的充放電的電壓大小進行控制，實現(xiàn)電壓的升降，變換器可以完成輸入為直流到交流的變換。

本實用新型一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于：

1：本實用新型提供的逆變器，采用無變壓器結(jié)構(gòu)，體積小，可靠性高；變換器能耗小，利用兩組開關(guān)單元和兩組電壓電感完成了升降壓，利用占空比可以獲得比直流輸入更高的交流輸出。

2：本實用新型拓撲結(jié)構(gòu)，只利用占空比和兩組電容電感完成了直流到交流的升降壓。

3：本實用新型用了一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標變換的單相鎖相環(huán)新算法，可以檢測出實際的相位，且兼顧系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。

4：本實用新型采用了PR控制，系統(tǒng)具有更好的抗點網(wǎng)電壓擾動性能。

附圖說明

圖1為本實用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實用新型的變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本實用新型的單相鎖相環(huán)新算法框圖。

圖4為本實用新型的并網(wǎng)逆變器控制結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本實用新型的開關(guān)切換時間表圖。

具體實施方式

一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲并網(wǎng)框架圖，如圖1所示。DC/AC逆變器的輸入端與分布式電源連接，DC/AC逆變器的輸出端與電網(wǎng)連接、在DC/AC逆變器的輸入輸出端都有電壓電流檢測裝置，電壓電流檢測裝置與逆變器控制系統(tǒng)連接。

DC/AC逆變器包含兩個電感、兩個電容、四個功率開關(guān)、四個二極管、高頻濾波器組成，變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述并網(wǎng)方法為直接采樣公共電網(wǎng)電壓，實際并網(wǎng)電流和電網(wǎng)前饋電壓，將這些采樣值作為控制基準一起送給DSP，由DSP根據(jù)一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標變換的單相鎖相環(huán)新算法計算并輸出PWM信號，分別驅(qū)動逆變橋的四只功率開關(guān)工作，逆變器輸出的并網(wǎng)電流將會較好地跟蹤參考電流，并始終與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，從而實現(xiàn)可再生能源以高功率因數(shù)回饋電網(wǎng)。其中DSP采用TMS320LF2407為主控制芯片，具有處理能力更好、外設(shè)集成度更高、存儲器容量更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點。電壓電流采樣模塊均采用來自LEM公司的電壓電流傳感器進行采樣。

如圖2所示，一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，DC/AC逆變器包括電源V_in、電感L_f、電容C_f、負載電阻R₀。

第一功率開關(guān)S₁、第二功率開關(guān)S₂、第三功率開關(guān)S₃、第四功率開關(guān)S₄；

第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄；

電容C₁、電容C₂、電感L₁、電感L₂；

電源V_in的正極分別與第一功率開關(guān)管S₁的漏極、第三功率開關(guān)管S₃的漏極連接，第一功率管S₁的源極與電感L₁的一端、電容C₁的一端連接，電感L₁的另一端與電源V_in的負極連接，電容C₁的另一端與第二功率開關(guān)S₂的漏極以及公共部分連接，第二功率開關(guān)S₂的源極與電源V_in負極連接；第三功率管S₃的源極與電感L₂的一端、電容C₂的一端連接，電感L₂的另一端與電源V_in的負極連接，電容C₂的另一端與第四功率開關(guān)S₄的漏極以及公共部分連接，第四功率開關(guān)S₄的源極與電源V_in負極連接；

公共部分由電感L_f和電容C_f組成的高頻濾波器和負載電阻R₀組成，電感L_f的一側(cè)與電容C₁的另一端連接，電感L_f的另一側(cè)與電容C_f的一端以及負載電阻R₀的一端連接，電容C_f的一端與電感L_f連接，電容C_f的另一側(cè)與電容C₂的另一端以及負載電阻R₀的另一端連接。

一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)控制方法，第一功率開關(guān)管S₁和第三功率開關(guān)管S₃為一對，第四功率開關(guān)管S₄和第二功率開關(guān)管S₂為一對。

在t₁時刻前，可視作t₀時刻，當S₁，S₄導通，之后電感L₁開始充電，電感L₂開始放電，電容C₂開始充電，電容C₁開始放電，輸出電壓為U_d。

t₁時刻S₃、S₄柵極信號反向，電流不能突變，S₃不能立即導通，D₃導通續(xù)流，因為S₁和D₃同時導通，所以輸出電壓為零。

到t₂時刻S₁、S₂的柵極信號反向，S₁截止，而S₂不能立刻導通，D₂導通續(xù)流，和S₃構(gòu)成電流通道，L₁開始放電，C₁開始充電，L₂開始充電，C₂開始放電，輸出電壓為-U_d，到負載電流為零之后并開始反向時，D₂和D₃截止，S₂和S₃導通，輸出電壓仍為-U_d。

t₃時刻S₃、S₄柵極信號再次反向，S₃截止，而S₄不立即導通，D₄導通續(xù)流，輸出電壓再次為零。

以后的過程和前面類似。

通過對占空比的控制，以及各個時刻兩組電容C₁、C₂兩組電感L₁、L₂的充放電的電壓大小進行控制，實現(xiàn)電壓的升降，變換器可以完成輸入為直流到交流的變換。

t₀、t₁、t₂、t₃加起來為一整個開關(guān)工作周期，如圖5所示。

一種單相并網(wǎng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)控制方法，并網(wǎng)時，當DSP檢測到電網(wǎng)電壓正向過零點時，啟動DSP內(nèi)部的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標變換的單相鎖相環(huán)新算法，對于一個單相電網(wǎng)電壓U_s，假定其數(shù)學表達式為：

U_s＝U_mcos(ωt) (1)

式中，U_s為單相電網(wǎng)電壓，U_m表示電壓幅值，ω表示角頻率，t表示時間。

如果把它定向在αβ坐標系的α軸上，而β軸信號則直接強制為零，這樣構(gòu)建的電壓矢量可以認為是兩個同步旋轉(zhuǎn)但是方向不同的電壓矢量的和，這樣一個電壓矢量可以分解為兩個同步旋轉(zhuǎn)但是方向不同的電壓矢量的和，即：

式中，U_s為單相電網(wǎng)電壓，U_m表示電壓幅值，ω表示角頻率，t表示時間。

如果估計的dq參考坐標的相位角為進行dq旋轉(zhuǎn)變換，得：

式中，U_d為電壓在d軸的分量，U_q為電壓在q軸的分量，U_m表示電壓幅值，ω表示角頻率，t表示時間，為dq參考坐標的相位角。

當系統(tǒng)穩(wěn)定時，假定相位估計值接近實際值θ，即因此，式(3)可寫成

式中，U_d為電壓在d軸的分量，U_q為電壓在q軸的分量，U_m表示電壓幅值，ω表示角頻率，t表示時間，為dq參考坐標的相位角，是d軸分量，代表了輸入電壓的幅值， q軸分量代表了觀測的相位與實際相位之差。

由此看到，經(jīng)過變換后可以解耦出需要的輸入電壓幅值與相位信息，其中：d軸分量，代表了輸入電壓的幅值，而q軸分量代表了觀測的相位與實際相位之差。

上述控制算法如圖3所示。這樣就實現(xiàn)電網(wǎng)頻率的鎖相跟蹤，并經(jīng)過運算，將產(chǎn)生的信號作為PR控制的輸入，PR控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于開關(guān)頻率(20kHz)遠遠高于電網(wǎng)頻率，為了便于分析，忽略開關(guān)動作對系統(tǒng)的影響，將PWM逆變單元近似為一增益環(huán)節(jié)K， G(s)為系統(tǒng)控制器傳遞函數(shù)，R為電感L的串聯(lián)等效電阻，U_gird為電網(wǎng)電壓，I_ref是于電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流參考信號，推出并網(wǎng)逆變器輸出電流的傳遞函數(shù)如式(5)所示。

I_L電感電流，K表示增益系數(shù)，G(s)為系統(tǒng)控制器傳遞函數(shù)，s為拉普拉斯函數(shù)的自變量， L是電感值，R是電阻值，U_gird為電網(wǎng)電壓，I_ref是于電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流參考信號

PI控制器傳遞函數(shù)為：

G_PI(s)表示PI控制器傳遞函數(shù)，k_p表示比例增益系數(shù)，k_i表示積分增益系數(shù)，s為拉普拉斯函數(shù)的自變量

PR控制器傳遞函數(shù)為：

G_PR(s)表示PR控制器傳遞函數(shù)，k_p表示比例增益系數(shù)，s為拉普拉斯函數(shù)的自變量 k_r為諧振增益系數(shù)，ω₀為基波頻率

由式(5)可以看出，逆變器輸出電流與參考電流和電網(wǎng)電壓有關(guān)，對于PI控制，基波頻率ω₀處控制器的增益為(k_p表示比例增益系數(shù)，ki表示積分增益系數(shù)，ω₀表示基波頻率)是有限的，因此式(5)的第一項可寫成εI_ref(ε＝1/[1+(sL+R)KG(s)],0<|ε|<1)，(I_L電感電流，K表示增益系數(shù)，G(s)為系統(tǒng)控制器傳遞函數(shù)，s為拉普拉斯函數(shù)的自變量，L是電感值，R是電阻值，U_gird為電網(wǎng)電壓， I_ref是于電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流參考信號，ε是式(5)的第一項的計算值)即輸出電流小于參考電流，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差；同理，第2項不為0，即輸出電流受電網(wǎng)電壓影響。對于PR控制，控制器在基波頻率ω₀處的增益為(k_p表示比例增益系數(shù)，k_r為諧振增益系數(shù)，ω₀為基波頻率)趨于無窮大，因此，式(5)的第1項基本等于I_ref；同理，第2項趨于0，此時，有I_L＝I_ref，實現(xiàn)了對正弦電流參考信號的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，并且可以抑制電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)電流的影響。

PR控制器生成電壓控制指令,該指令電壓轉(zhuǎn)換成交流指令電壓后,被送入PWM調(diào)制單元生成PWM信號送到并網(wǎng)逆變器,從而控制功率器件的開斷,產(chǎn)生實際所需交流電壓,并使并網(wǎng)電流跟隨參考值變化；逆變器輸入端是電壓采樣模塊將采樣數(shù)據(jù)傳遞給DSP，當檢測到電壓超過逆變器的額定輸入電壓，就不會進行并網(wǎng)操作；這樣就完成了并網(wǎng)的所有操作。