差分式升降压单相逆变器及其功率解耦方法技术

本发明专利技术公开了差分式升降压单相逆变器及其功率解耦方法，其特征是：包括左侧双向升降压直流变换器、右侧双向升降压直流变换器和交流低通输出滤波电路；左侧双向升降压直流变换器和右侧双向升降压直流变换器输入侧并联，并且共用直流输入源；左侧双向升降压直流变换器和右侧双向升降压直流变换器输出侧差分式连接以获得交流输出，交流输出通过交流低通滤波电路与交流侧连接。本发明专利技术在不增加任何电力电子器件的条件下，基于能量平衡对逆变器进行调制，使得两倍工频的功率脉动被左侧和右侧输出滤波电容所吸收。本发明专利技术可以使用非电解电容作为输入滤波电容，避免使用电解电容，从而提升了逆变器的功率密度和寿命。

Differential buck single-phase inverter and power decoupling method thereof

The invention discloses a differential pressure lifting single-phase inverter and power decoupling method, which is characterized by comprising the left bidirectional DC converter, the bidirectional DC converter and the AC output low-pass filter circuit; the bidirectional DC / DC converter and right bidirectional DC converter input side in parallel, and share DC input source; the bidirectional DC / DC converter and right bidirectional DC converter output side differential connection to get AC output, AC AC output through the low-pass filter circuit and the AC link. Under the condition that no power electronic device is added, the inverter is modulated on the basis of energy balance, so that the power pulsation of the two times power frequency is absorbed by the output filter capacitor on the left and the right. The invention can use a non electrolytic capacitor as an input filter capacitor to avoid the use of electrolytic capacitors, thereby enhancing the power density and the lifetime of the inverter.

【技术实现步骤摘要】
差分式升降压单相逆变器及其功率解耦方法
本专利技术涉及微型单相逆变器
，特别涉及一种具有主动功率解耦功能的差分式升降压单相逆变器及其功率解耦控制方法，该逆变器主要应用于交流微电网、小型分布式发电系统和小功率储能系统中。
技术介绍
小型发电系统多以单相电为主，故单相逆变器被广泛地应用于小型分布式发电系统中。例如，在小型光伏发电系统中，逆变器的直流侧同光伏模块连接，交流侧同电网连接。这样的连接模式决定了单相逆变器必须同时满足两侧的要求：光伏侧在一定的光照条件下，光伏模块工作在最大功率点处，微逆变器的输入功率恒定；电网侧的电压和电流均为正弦信号，单相逆变器的输出功率是随时间变化的瞬时功率。这样，单相逆变器的电网侧的功率含有很大的两倍工频脉动，同时引起输入侧的两倍工频脉动，从而无法保证输入瞬时功率的恒定，造成光伏利用率的降低和并网电流的畸变。所以，单相并网逆变器需要功率解耦方法来去除输入侧的两倍频脉动功率。现有技术中通常采用被动功率解耦的方法解决上述问题，即通过在直流输入源与逆变器中间并联大容值的输入滤波电容，利用电容自身特性被动吸收脉动功率以实现逆变器输入与输出的瞬时功率平衡，并保证输入侧直流功率恒定。输入滤波电容容值为：其中PPV为逆变器平均功率，ω为电网角频率，VC为输入滤波电容平均电压，ΔVC为输入滤波电容电压脉动的峰峰值。以一个200瓦单相逆变器为例，解耦电容的容值需要达到13.9毫法来满足98％的光伏利用率。这时候就必须用容值较大的电解电容，但这种电解电容的工作寿命很有限，在105摄氏度的工作环境下寿命一般在1000到7000小时。与光伏系统其他组件的10万小时以上工作寿命相比，电解电容的寿命是光伏系统中的软肋。近来一些文献提出主动功率解耦的方法，通过增加功率解耦电路来将两倍工频脉动功率存储于储能设备(薄膜电容或电感)中，这样就能把大容值的电解电容替换为容值较小的薄膜电容，从而提高系统的功率密度和可靠性。但是这些方法需要额外的电力电子器件，这样就增加了逆变器的成本和系统出故障的概率；而且由于这些附加的电力电子器件存在导通损耗和开关损耗，这样也降低了逆变器的效率。鉴于增加功率解耦电路所带来的问题，在期刊《IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS》2013年，第28卷，第2期，第779至792页中刊登的“MitigationofLow-FrequencyCurrentRippleinFuel-CellInverterSystemsThroughWaveformControl”一文(作者GuorongZhu等)提出了一种具有主动功率解耦功能的差分式升压逆变器，利用波形控制算法将两倍工频脉动功率导入到两个输出滤波电容中；在期刊《IEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS》2015年，第62卷，第8期，第4805至4813页中刊登的“PowerDecouplingMethodforSingle-PhaseH-BridgeInverterswithNoAdditionalPowerElectronics”一文(作者IoanSerban)提出了一种具有主动功率解耦功能的差分式降压逆变器，在不增加任何电力元器件的基础上将两倍工频脉动功率控制到两个输出滤波电容中；在国际会议《EuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications2015》的会议论文集中的第1-10页刊登“PowerDecouplingwithAutonomousReferenceGenerationforSingle-PhaseDifferentialInverters”一文(作者WenliYao等)提到了以上两种差分式逆变器和另一种差分式升降压逆变器，其中由于上述差分式降压逆变器的直流电压利用率较低，而差分式升压逆变器的开关管电压应力较大，所以差分式升降压逆变器就有了其优势；但是所提到的差分式升降压逆变器是控制电容负极端电压，不能并网运行；并且开关管没有共源极连接，需要更复杂的驱动电路。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种具有主动功率解耦功能的差分式升降压单相逆变器及功率解耦方法，以期获得用输出滤波电容来吸收两倍工频脉动功率而不增加电力电子器件数量和驱动电路的复杂性、且输入电压变化范围大的优势。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：本专利技术差分式升降压单相逆变器的特点是：包括左侧双向升降压直流变换器、右侧双向升降压直流变换器和交流低通输出滤波电路；所述左侧双向升降压直流变换器和右侧双向升降压直流变换器输入侧并联，并且共用直流输入源Vi；所述左侧双向升降压直流变换器和右侧双向升降压直流变换器输出侧差分式连接以获得交流输出，所述交流输出通过所述交流低通滤波电路与交流侧vo连接。本专利技术差分式升降压单相逆变器的特点也在于：所述左侧双向升降压直流变换器包括左侧输入开关Q11、左侧输出开关Q12、左侧升降压电感L11以及左侧输出滤波电容C1；所述左侧输入开关Q11的源极与直流输入源Vi的负极端相连接；所述左侧升降压电感L11的一端与左侧输入开关Q11的漏极以及左侧输出开关Q12的源极相连接，另一端与直流输入源Vi的正极端以及左侧输出滤波电容C1的负极端相连接；所述左侧输出开关Q12的漏极与左侧输出滤波电容C1的正极端以及交流低通滤波电路的输入端相连接。本专利技术差分式升降压单相逆变器的特点也在于：所述右侧双向升降压直流变换器包括右侧输入开关Q21、右侧输出开关Q22、右侧升降压电感L21以及右侧输出滤波电容C2；所述右侧输入开关Q21的源极与直流输入源Vi的负极端相连接；所述右侧升降压电感L21的一端与右侧输入开关Q21的漏极以及右侧输出开关Q22的源极相连接，另一端与直流输入源Vi的正极端以及右侧输出滤波电容C2的负极端相连接；右侧输出开关Q22的漏极与右侧输出滤波电容C2的正极端以及交流低通滤波电路的另一个输入端相连接。本专利技术差分式升降压单相逆变器的特点也在于：所述交流低通滤波电路包括第一滤波电感Lf1和第二滤波电感Lf2；所述第一滤波电感Lf1的一端与左侧输出滤波电容C1的正极端相连接，另一端与交流侧vo的P端连接；所述第二滤波电感Lf2的一端与右侧输出滤波电容的正极端相连接，另一端与交流侧vo的N端连接。本专利技术差分式升降压单相逆变器的特点也在于：所述左侧输出滤波电容C1与右侧输出滤波电容C2均为非电解电容；所述左侧输入开关Q11、左侧输出开关Q12、右侧输入开关Q21以及右侧输出开关Q22采用双极性晶体管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。本专利技术差分式升降压单相逆变器的功率解耦控制方法的特点是按如下步骤进行：步骤1、在已知输出侧交流电压峰值Vmax和输出侧交流电流峰值Imax的条件下，首先假设左侧输出滤波电容电压vC1的表达式如式(1)，右侧输出滤波电容电压vC2的表达式如式(2)：vC1＝Vd-0.5Vmax·sin(ωt)+vadd(t)(1)，vC2＝Vd-0.5Vmax·sin(ωt)+vadd(t)(2)，其中vadd(t)为待定输出滤波电容附加电压，Vd为输出滤波电容电压的直流偏移量；则，交流侧的交流电压vo本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差分式升降压单相逆变器，其特征是：包括左侧双向升降压直流变换器(1)、右侧双向升降压直流变换器(2)和交流低通输出滤波电路(3)；所述左侧双向升降压直流变换器(1)和右侧双向升降压直流变换器(2)输入侧并联，并且共用直流输入源V

【技术特征摘要】
1.一种差分式升降压单相逆变器，其特征是：包括左侧双向升降压直流变换器(1)、右侧双向升降压直流变换器(2)和交流低通输出滤波电路(3)；所述左侧双向升降压直流变换器(1)和右侧双向升降压直流变换器(2)输入侧并联，并且共用直流输入源Vi；所述左侧双向升降压直流变换器(1)和右侧双向升降压直流变换器(2)输出侧差分式连接以获得交流输出，所述交流输出通过所述交流低通滤波电路(3)与交流侧vo连接。2.根据权利要求1所述的差分式升降压单相逆变器，其特征是：所述左侧双向升降压直流变换器(1)包括左侧输入开关Q11、左侧输出开关Q12、左侧升降压电感L11以及左侧输出滤波电容C1；所述左侧输入开关Q11的源极与直流输入源Vi的负极端相连接；所述左侧升降压电感L11的一端与左侧输入开关Q11的漏极以及左侧输出开关Q12的源极相连接，另一端与直流输入源Vi的正极端以及左侧输出滤波电容C1的负极端相连接；所述左侧输出开关Q12的漏极与左侧输出滤波电容C1的正极端以及交流低通滤波电路(3)的输入端相连接。3.根据权利要求1所述的差分式升降压单相逆变器，其特征是：所述右侧双向升降压直流变换器(2)包括右侧输入开关Q21、右侧输出开关Q22、右侧升降压电感L21以及右侧输出滤波电容C2；所述右侧输入开关Q21的源极与直流输入源Vi的负极端相连接；所述右侧升降压电感L21的一端与右侧输入开关Q21的漏极以及右侧输出开关Q22的源极相连接，另一端与直流输入源Vi的正极端以及右侧输出滤波电容C2的负极端相连接；右侧输出开关Q22的漏极与右侧输出滤波电容C2的正极端以及交流低通滤波电路(3)的另一个输入端相连接。4.根据权利要求1所述的差分式升降压单相逆变器，其特征是：所述交流低通滤波电路(3)包括第一滤波电感Lf1和第二滤波电感Lf2；所述第一滤波电感Lf1的一端与左侧输出滤波电容C1的正极端相连接，另一端与交流侧vo的P端连接；所述第二滤波电感Lf2的一端与右侧输出滤波电容的正极端相连接，另一端与交流侧vo的N端连接。5.根据权利要求2、3或4所述的差分式升降压单相逆变器，其特征在于：所述左侧输出滤波电容C1与右侧输出滤波电容C2均为非电解电容；所述左侧输入开关Q11、左侧输出开关Q12、右侧输入开关Q21以及右侧输出开关Q22采用双极性晶体管、场效应管或绝缘栅双极性晶体管。6.一种权利要求1所述的差分式升降压单相逆变器的功率解耦控制方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、在已知输出侧交流电压峰值Vmax和输出侧交流电流峰值Imax的条件下，首先假设左侧输出滤波电容电压vC1的表达式如式(1)，右侧输出滤波电容电压vC2的表达式如式(2)：vC1＝Vd+0.5Vmax·sin(ωt)+vadd(t)(1)，vC2＝Vd-0.5Vmax·sin(ωt)+vadd(t)(2)，其中vadd(t)为待定输出滤波电容附加电压，Vd为输出滤波电容电压的直流偏移量；则，交流侧的交流电压vo的表达式如式(3)，交流侧的交流电流io的表达式如式(4)：vo＝vC1-vC2＝Vmax·sin(ωt)(3)，其中R为输出端电阻型负载的电阻值；步骤2、根据开关周期内能...

【专利技术属性】
技术研发人员：茆美琴，徐爽，邵日明，张榴晨，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34