一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路及方法，主电路包括输入侧并联输出侧串联的双向DC

【技术实现步骤摘要】
一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路及方法


[0001]本专利技术属于新能源光伏、燃料电池等分布式发电领域，具体涉及一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路及方法。

技术介绍

[0002]与燃煤相比，新能源发电污染小、储量高，具有广泛的应用前景。光伏、燃料电池等新能源发出的电能为直流电，需要经过逆变器接入电网。两级式单相逆变器适合于中小功率等级，例如户用光伏等分布式新能源系统。然而，单相逆变器固有的低频纹波会造成母线电压波动、系统效率下降、新能源使用寿命缩短等后果。在传统解决方案中，需要并联大容值的电解电容吸收该纹波能量，使得系统体积、成本大幅上升。同时，电解电容的寿命仅有1～2年，且温度每上升10℃寿命缩短一半，这使得单相逆变器的运行可靠性下降、使用寿命大幅缩短。因此，适用于两级式单相逆变器的小容值、低纹波解决方案成为国内外学者研究的热点。
[0003]现有方案可分为两类：无源功率解耦和有源功率解耦。无源功率解耦利用谐振频率位于2ω0的LC滤波器缓冲纹波功率，可减小系统容值需求，然而磁性元件的功率密度低，磁滞损耗、涡流损耗高，无法满足高效高功率密度需求。有源功率解耦方案可细分为拓扑型和控制算法型。拓扑型利用Buck、Boost、H桥等拓扑组成的辅助变换器缓冲纹波功率，将纹波功率传输至非母线电容。非母线电容电压不需要维持恒定，因此拓扑型有源功率解耦方案所需电容容值相较于传统方案大幅减小，但该方案额外加入的有源功率电路不可避免地增加了装置的成本和功率损耗。基于控制算法的有源功率解耦技术在不改变原有电路的基础上，通过优化控制算法降低二倍频纹波能量对电感或电容的影响，二倍频纹波功率仍在主电路流动，但此类技术对直流变换器拓扑依赖性强，控制算法复杂，需要较多储能元件和控制自由度。
[0004]综上所述，单相逆变器中亟待一种广泛适用、控制逻辑简单、低成本小型轻量化低频纹波抑制方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对两级式单相逆变器低频纹波抑制问题，提出一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路及方法，该主电路通过差异化设计输出串联电容的容值和直流工作点，使电路本身具备有源功率解耦能力，在不引入额外电路的前提下大幅减小母线电容需求，实现系统小容值、低纹波和低成本。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路，包括输入侧并联输出侧串联的双向DC
‑
DC变流器和单相逆变器，双向DC
‑
DC变流器输入侧并联输入电源，输出侧分别并联一个输出电容，两个输出电容串联，双向DC
‑
DC变流器输出侧并联单相逆变器，单相逆变器输出端串联滤波电感；
[0008]所述双向DC
‑
DC变流器的两个串联输出电容采用不同容值和不同直流工作点。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述双向DC
‑
DC变流器串联输出电容的容值和直流工作点满足如下条件：
[0010]由双向DC
‑
DC变流器确定其最大输出电流与单相逆变器直流母线电流额定值的比值为m+1；初选两个串联输出电容中大电容的容值为C2，小电容容值为C1，且满足C1＝0.3
×
C2；确定参数k：
[0011][0012]其中，ω0为电网的基波角频率；V
bus
为单相逆变器直流母线额定电压；I
bus
为直流母线额定电流；
[0013]根据参数k、C1和C2，确定串联输出电容C1和C2的电压：
[0014][0015][0016]如果v
C1
的最小值大于零或v
C2
的最大值小于直流母线额定电压，则减小C2，重新计算参数k和串联输出电容的电压，直至v
C1
的最小值近似为0或v
C2
的最大值近似为母线额定电压；如果v
C1
的最小值小于零或v
C2
的最大值大于直流母线额定电压，则增大C2，重新计算参数k和串联输出电容的电压，直至v
C1
的最小值近似为0或v
C2
的最大值近似为直流母线额定电压；
[0017]基于以上参数迭代过程最终确定的串联输出电容C1和电容C2即是完全抑制两级式单相逆变器低频纹波的最小容值；串联输出电容C1和电容C2的直流工作点是v
C1
和v
C2
的FFT分解的直流分量。
[0018]一种基于所述的抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路的控制方法，用闭环控制确保电容电压纹波互补和直流母线电压恒定，具体是采用PI控制器的均压外环，和采用比例积分控制器、谐振控制器的电容电压波形控制环。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，母线电压外环调节器G
v
为比例积分控制器，用于使直流母线电压稳定在额定值附近：当母线电压低于额定值时，比例积分控制器输出值增加，使控制器输出的PWM波占空比增加，母线电压上升；当母线电压低于额定值时，比例积分控制器输出值减小，使控制器输出的PWM波占空比减小，母线电压下降；
[0020]电容电压内环G
c
为比例积分控制器+谐振控制器，其中PI控制器为比例积分控制器，用于控制电容电压的稳态工作点，谐振控制器PR1～PR8的谐振频率点为2hω0，h＝1,2
…
8，用于控制电容电压的纹波形状。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，谐振控制器传递函数如下式所示：
[0022][0023]其中，K
r
为谐振增益，w
c
为谐振带宽，w0为电网基波角频率，h为谐波次数。
[0024]一种分布式电源系统，包括光伏电池或燃料电池，光伏电池或燃料电池采用所述
的抑制两级式单相逆变器低频纹波主电路。
[0025]相比于现有技术，本专利技术具有以下优势：
[0026]本专利技术该主电路通过差异化设计输出串联电容的容值和直流工作点，使电路本身具备有源功率解耦能力，在不引入额外电路的前提下大幅减小母线电容需求，实现系统小容值、低纹波和低成本。通过差异化设计DC
‑
DC电路输出串联电容容值和直流工作点，使DC
‑
DC电路本身具备低频纹波抑制能力，不需要引入额外辅助电路。基于此方法设计的单相逆变系统，可以完全消除直流母线电压纹波和输入电流纹波，母线电容需求相比于传统设计方案降低了90％。同时，本专利技术提出了可适用于任何DC
‑
DC电路的输出串联电容容值、直流工作点参数设计方法，和电容电压波形控制方法。与其他低频纹波抑制方法相比，此方法的母线电容需求更小，装置功率密度更高，控制算法更加简单有效，适用范围更广，可在现有电路结构和控制器的基础上进行功能升级。
附图说明
[0027]图1为本专利技术一种抑制两级式单相逆变器低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路，其特征在于：包括输入侧并联输出侧串联的双向DC
‑
DC变流器和单相逆变器，双向DC
‑
DC变流器输入侧并联输入电源，输出侧分别并联一个输出电容，两个输出电容串联，双向DC
‑
DC变流器输出侧并联单相逆变器，单相逆变器输出端串联滤波电感；所述双向DC
‑
DC变流器的两个串联输出电容采用不同容值和不同直流工作点。2.根据权利要求1所述的一种抑制两级式单相逆变器低频纹波的主电路，其特征在于：所述双向DC
‑
DC变流器串联输出电容的容值和直流工作点满足如下条件：由双向DC
‑
DC变流器确定其最大输出电流与单相逆变器直流母线电流额定值的比值为m+1；初选两个串联输出电容中大电容的容值为C2，小电容容值为C1，且满足C1＝0.3
×
C2；确定参数k：其中，ω0为电网的基波角频率；V
bus
为单相逆变器直流母线额定电压；I
bus
为直流母线额定电流；根据参数k、C1和C2，确定串联输出电容C1和C2的电压：的电压：如果v
C1
的最小值大于零或v
C2
的最大值小于直流母线额定电压，则减小C2，重新计算参数k和串联输出电容的电压，直至v
C1
的最小值近似为0或v
C2
的最大值近似为母线额定电压；如果v
C1
的最小值小于零或v
C2
的最大值大于直流母线额定电压，则增大C2，重新计算参数k和串联输出电容的电压，直至v
C1
的最小值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，李震朝，王子铟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：