專利名稱：一種延長直流分布式電源壽命的逆變裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電能變換裝置中的直流-交流變換器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種延長直流分布式電源壽命的逆變裝置。
背景技術(shù)：
太陽能與燃料電池等直流分布式電源廣泛應(yīng)用于筆記本等便攜式設(shè)備、電動(dòng)汽車以及分布式發(fā)電系統(tǒng)中。給便攜式設(shè)備供電屬于直流供電，而應(yīng)用于電動(dòng)汽車或分布式發(fā)電系統(tǒng)屬于交流供電系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用于交流供電系統(tǒng)時(shí)，50Hz的交流電會在分布式電源的輸出直流端產(chǎn)生IOOHz的紋波，該紋波會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出特性出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，威脅直流分布式電源的安全運(yùn)行。與此同時(shí)，IOOHz的低頻紋波電流還會導(dǎo)致其供電效率低。因此，抑制低頻紋波電流是延長直流分布式電源壽命的一個(gè)重要研究方向。直流分布式電源輸出的直流電壓范圍較寬，如采用傳統(tǒng)的單級半橋或全橋逆變器直接實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，雖然其變換結(jié)構(gòu)簡潔，但電源輸出端低頻電流紋波大。為了抑制低頻紋波電流，需要在分布式電源輸出端并聯(lián)大容量的電解電容、蓄電池或接入有源濾波裝置，雖然有效抑制了低頻紋波電流，但電解電容、蓄電池以及有源濾波裝置會增加系統(tǒng)成本。另夕卜，大量使用電解電容還會影響系統(tǒng)的使用壽命。由于直流分布式電源輸出電壓等級較低，基于單級逆變器的供電系統(tǒng)需要加入體積笨重的工頻升壓變壓器。為了省去工頻變壓器，可以在其輸出端加入一級DC/DC變換器。DC/DC變換器將電源輸出的直流電升壓并穩(wěn)定在合理的電壓值，后級逆變器將該電壓轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的交流電。雖然采用兩級式的供電系統(tǒng)簡化了逆變器的控制，但直流分布式電源輸出端的低頻紋波電流并沒有得到改善，仍需要借助于電解電容、蓄電池或有源濾波裝置來抑制低頻紋波電流。也有人提出前級DC/DC變換器采用有源控制技術(shù)抑制直流分布式電源輸出端的低頻紋波電流。這種方法的逆變器輸入側(cè)電容電壓波動(dòng)大，為防止直流分布式電源輸出電流隨逆變器輸入側(cè)電壓波動(dòng)而變化，需要將DC/DC變換器電流環(huán)的帶寬控制在IOOHz以下。雖然有效抑制了直流分布式電源輸出的低頻紋波電流，但逆變器輸入側(cè)電壓波動(dòng)大會增加后級逆變器輸出電壓諧波的控制難點(diǎn)，一旦負(fù)載發(fā)生突變，要經(jīng)過幾個(gè)工頻周期才能達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種延長直流分布式電源壽命的逆變裝置。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為一種延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，包括直流分布式電源、第一變換器和第二變換器，其中直流分布式電源分別與第一變換器和第二變換器連接，第一變換器包括第一差分電容Cl、第一電感LI和開關(guān)管，第二變換器包括第二差分電容C2、第二電感L2和開關(guān)管，第一、第二變換器的結(jié)構(gòu)對稱；本逆變裝置的輸出端由第一、第二差分電容Cl、C2串聯(lián)，且輸出電壓為兩個(gè)差分電容的電壓的差分；其特征在于[0006]它還包括控制電路，控制電路包括控制器、第一變換器控制模塊、第二變換器控制模塊和抗直流偏磁模塊；控制器的輸入端輸入本逆變裝置的輸出電壓、輸出電流和第一、第二差分電容Cl、C2的電容值,控制器的輸出端輸出第一第二差分電容Cl、C2的電容電壓參考值Vc2ref和輸出電流直流部分參考值；抗直流偏磁模塊的輸入端輸入輸出電流直流部分參考值和輸出電流；第一變換器控制模塊的輸入端輸入第一差分電容Cl的電容電壓參考值Velraf、第一差分電容Cl的電容電壓、第一電感LI的電感電流和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第一變換器控制模塊的輸出端與所述第一變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路連接；第二變換器控制模塊的輸入端輸入第二差分電容C2的電容電壓參考值、第二差分電容C2的電容電壓、第二電感L2的電感電流和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第二變換器控制模塊的輸出端與所述第二變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路連接。[0007]按上述方案，所述的第一變換器和第二變換器均為升壓變換器，且結(jié)構(gòu)對稱；其中第一變換器包括第一差分電容Cl、第一電感LI、第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管Τ2，第一電感 LI的一端與所述的直流分布式電源正極連接,第一電感LI的另一端分別與第一開關(guān)管Tl 的輸出端和第二開關(guān)管Τ2的輸入端連接，第一開關(guān)管Tl的輸入端和第二開關(guān)管Τ2的輸出端之間連接第一差分電容Cl，且第一開關(guān)管的輸入端與所述的直流分布式電源正極連接負(fù)極連接；第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管Τ2的控制端分別由第一變換器控制模塊的輸出端通過開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路控制。[0008]按上述方案，所述的第一變換器控制模塊包括順次連接的將Vctof與Id相加的加法器、將、與加法器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第一誤差放大器、第一比例積分調(diào)節(jié)器、將 iL1與第一比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第二誤差放大器、第二比例積分調(diào)節(jié)器、以及將第二比例積分調(diào)節(jié)器與鋸齒波進(jìn)行比較的比較器；所述的第一比例積分調(diào)節(jié)器和第二比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端分別連接兩個(gè)二極管。[0009]按上述方案，所述的第二變換器控制模塊包括順次連接的將Vc2ref和Id相減減法器、將與減法器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第三誤差放大器、第三比例積分調(diào)節(jié)器、將L 與第三比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第四誤差放大器、第四比例積分調(diào)節(jié)器、 以及將第四比例積分調(diào)節(jié)器與鋸齒波進(jìn)行比較的比較器；所述的第三比例積分調(diào)節(jié)器和第四比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端分別連接兩個(gè)二極管。[0010]按上述方案，所述的抗直流偏磁模塊包括順次連接的將輸出電流I0經(jīng)過濾波得到直流電流的低通濾波器、將輸出電流直流部分參考值與低通濾波器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第五誤差放大器、以及第五比例積分調(diào)節(jié)器；第五比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端連接兩個(gè)對輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅的二極管。[0011]本實(shí)用新型的有益效果為與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的主要技術(shù)特點(diǎn)是，采用差分逆變器，同時(shí)利用紋波控制方案，在縮小直流分布式電源逆變系統(tǒng)體積的同時(shí)又達(dá)到了很好的低頻電流紋波的抑制效果。所提的控制方法是讓boost逆變器輸出端的電容提供脈動(dòng)功率，而直流平均功率則有直流輸出端提供，這樣可以將直流分布式電源的低頻紋波影響最小化，從而提高直流分布式電源的壽命；采用差分逆變器的同時(shí)，也去掉了使用壽命較短的電解電容。


[0012]圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和控制框圖。圖3為圖2中第一變換器控制模塊的電路圖。圖4為圖2中第二變換器控制模塊的電路圖。圖5為圖2中直流偏磁模塊的電路圖。圖6為純阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)里，未采用本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的差分升壓逆變器電容電壓Vcl> Vc2以及輸出電壓Vtl和負(fù)載電流L的波形。圖7為純阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)里，未采用本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的差分升壓逆變器電感電流iL1, iL2以及輸入電流iin的波形。圖8是純阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)里，采用本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的差分升壓逆變器電容電壓Vcl> Vc2以及輸出電壓Vtl和負(fù)載電流L的波形。圖9是純阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)里，采用本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的差分升壓逆變器電感電流iL1, iL2,以及輸入電流的波形iin。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用與限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖，差分逆變器指輸出端由兩個(gè)電容C1、C2串聯(lián)，而輸出電壓為兩個(gè)電容電壓^^^^的差分的逆變器，任意形式的差分逆變器均可用于實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型效果。本實(shí)施例中，選用的是差分升壓逆變器，如圖2所示，包括直流分布式電源I、第一變換器2和第二變換器3。第一變換器2包括第一差分電容Cl、第一電感LI、第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管T2,第一電感LI的一端與所述的直流分布式電源正極連接,第一電感LI的另一端分別與第一開關(guān)管Tl的輸出端和第二開關(guān)管T2的輸入端連接，第一開關(guān)管Tl的輸入端和第二開關(guān)管T2的輸出端之間連接第一差分電容Cl，且第一開關(guān)管的輸入端與所述的直流分布式電源正極連接負(fù)極連接；第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管T2的控制端分別由第一變換器控制模塊的輸出端通過開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路控制。第二變換器3與第一變換器結(jié)構(gòu)對稱，對應(yīng)的包括第二差分電容C2、第二電感L2、第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4。它還包括控制電路4，控制電路4包括控制器、第一變換器控制模塊、第二變換器控制模塊和抗直流偏磁模塊；控制器的輸入端輸入本逆變裝置的輸出電壓Vtl、輸出電流Itl和第一、第二差分電容Cl、C2的電容值C,控制器的輸出端輸出第一、第二差分電容Cl、C2的電容電壓參考值VctofJc^f和輸出電流直流部分參考值，輸出電流直流部分參考值為O ;抗直流偏磁模塊的輸入端輸入輸出電流直流部分參考值和輸出電流Itl ;第一變換器控制模塊的輸入端輸入第一差分電容Cl的電容電壓參考值VdM、第一差分電容Cl的電容電壓να、第一電感LI的電感電流Iu和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第一變換器控制模塊的輸出端輸出第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管Τ2的驅(qū)動(dòng)信號dl、d2 ;第二變換器控制模塊的輸入端輸入第二差分電容C2的電容電壓參考值Vc^f、第二差分電容C2的電容電壓Vc2、第二電感L2的電感電流L和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第二變換器控制模塊的輸出端輸出第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4的驅(qū)動(dòng)信號d3、d4。[0025]第一變換器控制模塊的具體電路如圖3所示，由Rl、R2、R3、R4、R5以及第一運(yùn)算放大器Ul構(gòu)成加法器，將Velref和Id相加傳遞給后一級運(yùn)放；由R6、R7、R8、R9和第二運(yùn)算放大器U2構(gòu)成第一誤差放大器，將Vc;1與前一級運(yùn)放的輸出進(jìn)行誤差運(yùn)算，傳遞給后一級運(yùn)放；由R10、R11、R12、C3和第三運(yùn)算放大器U3構(gòu)成第一比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出端連接兩個(gè)二極管，對其輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅；由R13、R14、R15、R16和第四運(yùn)算放大器U4構(gòu)成第二誤差放大器，將iu與前一級運(yùn)放的輸出進(jìn)行誤差運(yùn)算，傳遞給后一級運(yùn)放；由R17、R18、R19、 C4和第五運(yùn)算放大器U5構(gòu)成第二比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出端連接兩個(gè)二極管，對其輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅；之后通過第一比較器U6與鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波dl控制第一開關(guān)管 Tl，通過反相器產(chǎn)生PWM波d2控制第二開關(guān)管T2。[0026]第二變換器控制模塊的具體電路如圖4所示，由R20、R21、R22、R23以及第七運(yùn)算放大器U7構(gòu)成減法器，將Ve2ref和Id相減傳遞給后一級運(yùn)放；由R24、R25、R26、R27和第八運(yùn)算放大器U8構(gòu)成第三誤差放大器，將Ve2與前一級運(yùn)放的輸出進(jìn)行誤差運(yùn)算，傳遞給后一級運(yùn)放；由R28、R29、R30、C5和第九運(yùn)算放大器U9構(gòu)成第三比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出端連接兩個(gè)二極管，對其輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅；由R31、R32、R33、R34和第十運(yùn)算放大器UlO構(gòu)成第四誤差放大器，將L與前一級運(yùn)放的輸出進(jìn)行誤差運(yùn)算，傳遞給后一級運(yùn)放；由R35、 R36、R137、C6和第十一運(yùn)算放大器Ull構(gòu)成第四比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出端連接兩個(gè)二極管，對其輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅；之后通過第二比較器U12與鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波d3 控制第三開關(guān)管T3，通過反相器產(chǎn)生PWM波d4控制第四開關(guān)管T4。[0027]直流偏磁模塊的具體電路如圖5所示，由R39、R40、R41和第十三運(yùn)算放大器U13 構(gòu)成第五誤差放大器，將O (輸出電流直流部分參考值)與前一級運(yùn)放的輸出進(jìn)行誤差運(yùn)算， 傳遞給后一級運(yùn)放；由R42、R43、R44、CS和第十四運(yùn)算放大器U14構(gòu)成第五比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出端連接兩個(gè)二極管，對其輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅。[0028]本實(shí)用新型的工作原理為檢測逆變輸出電壓，電流V。，I0 ;首先為了滿足逆變輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓為Vtj=VciI-Vdi=VmaxSin(Cot), Vel, Vc2分別為第一、第二差分電容的電容電壓，VmaxSin (ω )為V。的表達(dá)式，Vmax為V。的幅值；[0029]構(gòu)建差分電容電壓波形為[0030]
權(quán)利要求1.一種延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，包括直流分布式電源、第一變換器和第二變換器，其中直流分布式電源分別與第一變換器和第二變換器連接，第一變換器包括第一差分電容Cl、第一電感LI和開關(guān)管,第二變換器包括第二差分電容C2、第二電感L2和開關(guān)管，第一、第二變換器的結(jié)構(gòu)對稱；本逆變裝置的輸出端由第一、第二差分電容Cl、C2串聯(lián)，且輸出電壓為兩個(gè)差分電容的電壓的差分；其特征在于 它還包括控制電路，控制電路包括控制器、第一變換器控制模塊、第二變換器控制模塊和抗直流偏磁模塊；控制器的輸入端輸入本逆變裝置的輸出電壓、輸出電流和第一、第二差分電容Cl、C2的電容值,控制器的輸出端輸出第一、第二差分電容Cl、C2的電容電壓參考值VctoP Vc2ref和輸出電流直流部分參考值；抗直流偏磁模塊的輸Λ端輸Λ輸出電流直流部分參考值和輸出電流；第一變換器控制模塊的輸入端輸入第一差分電容Cl的電容電壓參考值Velraf、第一差分電容Cl的電容電壓、第一電感LI的電感電流和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第一變換器控制模塊的輸出端與所述第一變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路連接；第二變換器控制模塊的輸入端輸入第二差分電容C2的電容電壓參考值、第二差分電容C2的電容電壓、第二電感L2的電感電流和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第二變換器控制模塊的輸出端與所述第二變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，其特征在于所述的第一變換器和第二變換器均為升壓變換器，且結(jié)構(gòu)對稱；其中第一變換器包括第一差分電容Cl、第一電感LI、第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管Τ2，第一電感LI的一端與所述的直流分布式電源正極連接，第一電感LI的另一端分別與第一開關(guān)管Tl的輸出端和第二開關(guān)管Τ2的輸入端連接，第一開關(guān)管Tl的輸入端和第二開關(guān)管Τ2的輸出端之間連接第一差分電容Cl，且第一開關(guān)管的輸入端與所述的直流分布式電源正極連接負(fù)極連接；第一開關(guān)管Tl和第二開關(guān)管Τ2的控制端分別由第一變換器控制模塊的輸出端通過開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，其特征在于所述的第一變換器控制模塊包括順次連接的將Vctof與Id相加的加法器、將Vca與加法器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第一誤差放大器、第一比例積分調(diào)節(jié)器、將iu與第一比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第二誤差放大器、第二比例積分調(diào)節(jié)器、以及將第二比例積分調(diào)節(jié)器與鋸齒波進(jìn)行比較的比較器；所述的第一比例積分調(diào)節(jié)器和第二比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端分別連接兩個(gè)二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，其特征在于所述的第二變換器控制模塊包括順次連接的將Vctof和Id相減減法器、將與減法器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第三誤差放大器、第三比例積分調(diào)節(jié)器、將L與第三比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第四誤差放大器、第四比例積分調(diào)節(jié)器、以及將第四比例積分調(diào)節(jié)器與鋸齒波進(jìn)行比較的比較器；所述的第三比例積分調(diào)節(jié)器和第四比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端分別連接兩個(gè)二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，其特征在于所述的抗直流偏磁模塊包括順次連接的將輸出電流I。經(jīng)過濾波得到直流電流的低通濾波器、將輸出電流直流部分參考值與低通濾波器輸出信號進(jìn)行誤差運(yùn)算的第五誤差放大器、以及第五比例積分調(diào)節(jié)器；第五比例積分調(diào)節(jié)器的輸出端連接兩個(gè)對輸出調(diào)節(jié)量進(jìn)行限幅的二極管。
專利摘要本實(shí)用新型提供延長直流分布式電源壽命的逆變裝置，包括直流分布式電源、差分逆變器、控制器、第一變換器控制模塊、第二變換器控制模塊和抗直流偏磁模塊；控制器輸入輸出電壓、輸出電流和第一第二差分電容的電容值，輸出第一第二差分電容電壓參考值和輸出電流直流部分參考值；抗直流偏磁模塊輸入輸出電流直流部分參考值和輸出電流；第一變換器控制模塊輸入第一差分電容電壓參考值、第一差分電容電壓、第一電感電流和抗直流偏磁模塊的輸出信號，第一變換器控制模塊輸出端連第一變換器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路；第二變換器控制模塊結(jié)構(gòu)與第一變換器控制模塊對應(yīng)。本實(shí)用新型采用差分逆變器，通過抑制低頻電流紋波達(dá)到延長電源壽命的效果。
文檔編號H02M7/48GK202818138SQ20122040303
公開日2013年3月20日 申請日期2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月15日
發(fā)明者朱國榮, 陳偉, 趙東明, 李向舜, 張東華 申請人:武漢理工大學(xué)