一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法技术

本发明专利技术属于电学技术领域，涉及一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法，隔离变压器原边用一个开关管实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量；变压器副边采用两套高频全波整流电路，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成工频220V交流电；其电路结构简单，体积小，成本低，效率高，容易控制，可靠性高，除可专门用于光伏离网小型逆变器外，也可推广应用到其他小型离网逆变器、车载逆变器、UPS电源、变频器、隔离升压DC‑AC变换器中。

Single stage photovoltaic off grid inverter and its control method

The invention belongs to the technical field of electricity, relates to a single stage photovoltaic off grid inverter and its control method, isolation transformer with a primary side switch transformer and bidirectional excitation switch, which can realize zero voltage switching and can realize zero voltage shut off during turn-on and turn off can transfer energy to the secondary side of the transformer the secondary side of the transformer; the high frequency full wave rectifier circuit, by controlling the frequency output, and then let it in reverse parallel, combined with the modulation of the primary side of the transformer high frequency switch pulse forming sequence changes according to the sine modulation law, after filtering into 220V power frequency alternating current; the circuit is simple in structure, small size, low cost, efficiency high, easy control, high reliability, except for small stand-alone photovoltaic inverter, but also be applied to other small off grid inverter, car Load inverter, UPS power supply, inverter, DC AC isolated boost converter.

【技术实现步骤摘要】
一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法
：本专利技术属于电学
，涉及一种离网逆变器及其控制方法，特别是一种针对电池板组件的新型高效单级式光伏离网逆变器及其控制方法。
技术介绍
：传统的光伏离网微逆变器一般有以下三种结构形式：第一种为非隔离型两级式结构，即前级用非隔离Boost电路升压，后级用H桥逆变，其优点是电路相对简单，缺点是微逆变器的输出和电池板不隔离，会带来安全隐患，且其效率较低。第二种为隔离型两级式结构，即前级用隔离电压或电流型半桥LLC电路升压，后级用H桥逆变，其优点是微逆变器的输出和电池板实现了电气隔离，消除了安全隐患，且其前级电路可以通过谐振实现软开关，前级电路效率相对高一点，其缺点是逆变器体积相对较大，成本较高，前级为电流型半桥LLC电路控制相对复杂，且需要两个电感，增加了逆变器的体积；前级为电压型半桥LLC电路控制相对复杂，桥臂上下两个开关管容易直通而烧毁电路；第三种为隔离型单级式结构，目前变压器原边一般采用反激型、交错反激型或交错反激有源箝位型电路，变压器副边采用工频逆变，即用一级电路既可实现电气隔离又可逆变，省掉了后级H桥逆变电路，对于反激型或交错反激型电路，其优点是电路结构简单、容易控制，缺点是变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，开关管不能实现软开关，效率相对较低；对于交错反激有源箝位型电路，有源箝位支路中的开关管和主开关管互补导通，通过谐振使两个开关管都实现了零电压软开关，并且减小了开关管的耐压，相对提高了效率，但是现有的变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，增加了控制的复杂性。综合传统离网小型光伏逆变器的三种结构形式，对于隔离或非隔离两级式小型逆变器，其后级一般用H桥逆变，存在着桥臂上下两个开关管容易直通而烧坏电路、控制难度高、可靠性低、效率低的缺点，再加上前后两级级联后致使逆变器的体积增大，可靠性降低，效率进一步降低，目前逐步被隔离型单级式结构所取代，但隔离型单级式结构共同存在着变压器单向励磁的问题。因此，设计一款电路结构简单、体积小、成本低、效率高、变压器双向励磁的新型单级式光伏离网小型逆变器及其控制方法具有非常大的实用价值。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺陷，设计提供一种新型高效单级式光伏离网逆变器及其控制方法，隔离变压器原边只用一个开关管实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量；变压器副边采用两套高频全波整流电路，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成工频220V交流电。为了实现上述目的，本专利技术所述单级式光伏离网逆变器的主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频全波整流电路、第二高频全波整流电路、第二开关管、第三开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路、反激电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管和第三开关管交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管在工频正半周期内导通，第三开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第二开关管和第三开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和电流信号进行最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，输出电压采样电路采集逆变器的输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的逆变器的输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、输出电压采样电路输出侧、输出电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管。本专利技术实现单级式光伏离网逆变器控制过程包括以下步骤：(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)与脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation，PFM)相结合的方式软启动、即给定第一开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第二开关管和第三开关管按工频交替导通，使逆变器输出电压峰值达到3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单级式光伏离网逆变器，其特征在于主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频全波整流电路、第二高频全波整流电路、第二开关管、第三开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路、反激电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感的耦合系数均为0.5‑0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管和第三开关管交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管在工频正半周期内导通，第三开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第二开关管和第三开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和电流信号进行MPPT控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，输出电压采样电路采集逆变器的输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的逆变器的输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、输出电压采样电路输出侧、输出电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管。...

【技术特征摘要】
1.一种单级式光伏离网逆变器，其特征在于主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频全波整流电路、第二高频全波整流电路、第二开关管、第三开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路、反激电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管和第三开关管交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管在工频正半周期内导通，第三开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第二开关管和第三开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和电流信号进行MPPT控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，输出电压采样电路采集逆变器的输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的逆变器的输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、输出电压采样电路输出侧、输出电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序和PWM+PFM控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春芳，赵永强，郑再余，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37