一种三相多方向并网逆变器.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410836950.8(22)申请日 2014.12.29H02J 3/38(2006.01)H02M 7/5387(2007.01)(71)申请人 武汉理工大学地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122 号(72)发明人 陈启宏 段博文 全书海 张立炎谢长君 黄亮 石英(74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限公司 42104代理人 潘杰(54) 发明名称一种三相多方向并网逆变器(57) 摘要本发明涉及一种三相多方向并网逆变器，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的 A 桥臂

2、、B 桥臂、C 桥臂以及 N 桥臂，每个桥臂均由两个IGBT 串联组成，每个桥臂的中点 A、B、C、N 分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，用于连接负载继电器的输入端；所述控制器用于采集所述滤波电路的信号 ；所述控制器用于控制所述功率变换电路的输出 ；所述控制器用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网。本发明具有功能全，利用率高，实时性高，可靠性强等优点。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请

3、权利要求书1页 说明书4页 附图1页(10)申请公布号 CN 104467021 A(43)申请公布日 2015.03.25CN 104467021 A1/1 页21.一种三相多方向并网逆变器，其特征在于，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的 A 桥臂、B 桥臂、C 桥臂以及 N 桥臂，每个桥臂均由两个IGBT串联组成，每个桥臂的中点A、B、C分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，用于连接负载继电器的输入端 ；所述控制器包括信号采集与处理单元，信号采集

4、与处理单元与所述滤波电路相连接，用于采集所述滤波电路的信号 ；所述控制器包括 PWM 驱动单元，PWM 驱动单元与所述功率变换电路中的每个 IGBT 的控制端相连接，用于控制所述功率变换电路的输出 ；所述控制器包括继电器控制单元，继电器控制单元用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网。2.如权利要求1所述三相多方向并网逆变器，其特征在于，所述滤波电路包括三个T形滤波器和一个电感滤波器，所述三个 T 形滤波器的输入正端分别与所述功率变换电路的 A桥臂、B 桥臂、C 桥臂的中点 A、B、C 相连，所述三个 T 形滤波器的输出正端分别作

5、为三相电源的 A 相、B 相、C 相输出 ；所述电感滤波器的一端与所述功率变换电路的 N 桥臂的中点 N 相接，所述电感滤波器的另一端和所述三个 T 形滤波器的负端相连接，作为三相电源的零线 N输出。3.如权利要求1所述的三相多方向并网逆变器，其特征在于，所述控制器包括PWM驱动单元、DSP 电路、双口 RAM 电路、FPGA 电路、信号采集与处理单元、继电器控制单元和人机接口，所述 DSP 电路通过双口 RAM 电路、FPGA 电路以与人机接口相连，所述 DSP 电路通过信号采集与处理单元与所述滤波电路相接，用于采集所述滤波电路的信号，所述 DSP 电路通过PWM 驱动单元与所述功率变换电路

6、相连接，用于控制所述功率变换电路的输出，所述 DSP 电路和 FPGA 电路分别与继电器控制单元连接，用于控制负载继电器和并网继电器的通断。4.如权利要求2所述的三相多方向并网逆变器，其特征在于，所述T形滤波器包括第一电感、第二电感以及电容，所述第一电感与第二电感串联，所述串联的第一电感与第二电感的一端作为 T 形滤波器输入正端，所述串联的第一电感与第二电感的另一端作为 T 形滤波器输出正端，所述串联的第一电感与第二电感的串联端与所述电容的一端相连，所述电容的另一端作为 T 形滤波器的负端。权 利 要 求 书CN 104467021 A1/4 页3一种三相多方向并网逆变器技术领域0001 本发

7、明涉及一种逆变器，特别是一种具有并网逆变、为本地负载供电、反向充电功能的三相多方向并网逆变器。背景技术0002 能源问题一直是制约一个人类社会发展的重要因素，社会的每一次重大进步，都离不开能源的改进和更替。2012 年 6 月，著名的美国经济学家杰里米里夫金提出，世界即将步入“后碳”时代，以互联网技术和可再生能源相结合为特征的第三次工业革命将是人类可持续发展、避免灾难性气候变化的希望。我国正在从战略上调整目前的能源结构，大力研究开发清洁可再生能源技术，包括风能、太阳能、氢能等能源的开发与应用。在国家政策的大力引导下，风能、太阳能的开发与利用得到了迅猛的发展。2013 年 2 月，国家电网公司发

8、布关于做好分布式电源并网服务工作的意见，明确指出家庭用户不但能用风能、太阳能等新能源发电装置给自己供电，还可以将用不完的电卖给电网。0003 新能源发电技术的高速发展促使分布式发电技术也突飞猛进，分布式发电系统的建立促使了新型电网的建设，提升了传统电网的稳定性与可靠性。三相并网逆变器是分布式发电系统的核心部件，对其进行研究具有重要意义。0004 目前的三相并网逆变器只是工作在并网模式，也就是在电网正常时，将太阳能、风能等新能源所产生的电能并入到电网，跟电网一起向负荷供电 ；当电网断电或发生故障时，逆变器停机保护，分布式发电也中止，起不到备用电源的作用。实际的需求是当电网断电时，分布式发电系统继

9、续工作，并网逆变器必须与电网断开连接，并且独立运行为负荷正常供电 ；当电网电量过剩时，逆变器可反向工作，将电网的交流电变换为直流，储存至电池。因此，并网逆变器需要有多种工作模式及多个电力变换方向。0005 由于新能源发电系统规模正在日益增大，对三相并网逆变器的需求日益增多，进而对三相并网逆变器的研究也就日益深入。对三相并网逆变器来说，保证其三相输出的对称性，是对其最基本的一个要求。在电力电子领域中所指的三相不平衡通常指的有两种不平衡，第一种是三相负载不平衡，这种不平衡也就是三相并网逆变器中所指的三相不平衡，造成这种不平衡的原因在于逆变器的输出端接的三相负载的大小不一样，这样就会导致输出电压矢量

10、的中心点偏移，使得每一相的输出电压差异很大，造成所谓的逆变器三相输出不平衡 ；第二种是三相电源不平衡，这种不平衡产生的原因是接入电力系统中的三相电动势差异很大，也就是说电网电压的三相电压之间差异很大，因而造成用户端得到的三相电之间的电压也是相差很大的，这就会对用户的正常用电产生极大的影响。从根本上来说，三相电源的不平衡是由于三相负载不平衡引起的，很多用电设备是单相的，当三相电网某一相上的负荷大于或小于其它相时，就会造成三相负载不平衡，从而引起三相电源不平衡，造成电网的不稳定。0006 因此，有必要提供一种改进的三相多方向并网逆变器，来克服现有技术的缺陷。说 明 书CN 104467021 A2

11、/4 页4发明内容0007 本发明的目的是提供一种将直流电逆变为交流，为本地三相四线制负载供电 ；并入电网，为电网供电 ；将电网的交流电变换为直流为蓄电池充电的三相多方向逆变器。0008 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是 ：0009 一种三相多方向并网逆变器，包括功率变换电路、滤波电路以及控制器，所述的功率变换电路包括均用于并联连接蓄电池的 A 桥臂、B 桥臂、C 桥臂以及 N 桥臂，每个桥臂均由两个 IGBT 串联组成，每个桥臂的中点 A、B、C 分别作为功率变换电路的三相四线输出点，所述功率变换电路的输出与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端为所述并网逆变器的输出端，

12、用于连接负载继电器的输入端 ；所述控制器包括信号采集与处理单元，信号采集与处理单元与所述滤波电路相连接，用于采集所述滤波电路的信号 ；所述控制器包括 PWM 驱动单元，PWM 驱动单元与所述功率变换电路中的每个 IGBT 的控制端相连接，用于控制所述功率变换电路的输出 ；所述控制器包括继电器控制单元，继电器控制单元用于控制负载继电器和并网继电器的通断，所述负载继电器的输出用于连接负载以及通过并网继电器连接三相四线电网。0010 所述滤波电路包括三个 T 形滤波器和一个电感，所述三个 T 形滤波器的输入正端分别与所述功率变换电路的 A 桥臂、B 桥臂、C 桥臂的中点 A、B、C 相连，所述三个

13、T 形滤波器的输出正端分别作为三相电源的 A 相、B 相、C 相输出 ；所述电感的一端与所述功率变换电路的 N 桥臂的中点 N 相接，所述电感的另一端和所述三个 T 形滤波器的负端相连接，作为三相电源的零线 N 输出。0011 所述控制器包括 PWM 驱动单元、DSP 电路、双口 RAM 电路、FPGA 电路、信号采集与处理单元、继电器控制单元和人机接口，所述 DSP 电路通过双口 RAM 电路、FPGA 电路以与人机接口相连，所述 DSP 电路通过信号采集与处理单元与所述滤波电路相接，用于采集所述滤波电路的信号，所述DSP电路通过PWM驱动单元与所述功率变换电路相连接，用于控制所述功率变换电

14、路的输出，所述 DSP 电路和 FPGA 电路分别与继电器控制单元连接，用于控制负载继电器和并网继电器的通断。0012 所述 T 形滤波器包括第一电感、第二电感以及电容，所述第一电感与第二电感串联，所述串联的第一电感与第二电感的一端作为 T 形滤波器输入正端，所述串联的第一电感与第二电感的另一端作为 T 形滤波器输出正端，所述串联的第一电感与第二电感的串联端与所述电容的一端相连，所述电容的另一端作为 T 形滤波器的负端。0013 与现有技术相比，本发明三相多方向并网逆变器同时具有并网逆变、本地负载独立供电、反向充电等工作模式，功能全，并且各工作模式可无缝切换。由于采用了三相四桥臂结构，逆变时直

15、流电压利用率高。滤波电流处理引入了电容电流反馈，消除了谐振。控制器采用了 DSP+FPGA 结构，采集与计算分别在 DSP 和 FPGA 中进行，并且同时控制并网继电器的通断，实时性高，可靠性强。0014 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。附图说明0015 图 1 为本发明的原理框图。说 明 书CN 104467021 A3/4 页5具体实施方式0016 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，附图中类似的元件标号代表类似的元件。0017 如图1所示，本发明三相多方向并网逆变器包括功率变换电路200、滤波电路400、控制器 100、本发明用

16、于连接负载继电器 500、并网继电器 600 及蓄电池 300。0018 所述功率变换电路 200 包括并联连接的 A 桥臂、B 桥臂、C 桥臂及 N 桥臂，A 桥臂由第一IBGT 211与第二IGBT 212串联组成，B、C、N桥臂分别由IGBT 221与IGBT222、IGBT231与 IGBT232、IGBT241 与 IGBT242 串联组成。0019 所述滤波电路 400A 相第一电感 411 一端接 A 桥臂 IBGT 211 与 IGBT 212 的连接处，另一端接 A 相第二电感 412 及电容 413 的一端 ；B 相第一电感 421 一端接 B 桥臂 IGBT 221与IG

17、BT222的连接处，另一端接B相第二电感422及电容423的一端 ；C相第一电感431一端接 C 桥臂 IGBT231 与 IGBT232 的连接处，另一端接 C 相第二电感 432 及电容 433 的一端 ；电感 440 一端接 N 桥臂 IGBT241 与 IGBT242 的连接处，另一端与电容 413、电容 423、电容 433 的另端及电网零线相连。电感 412、电感 422、电感 432 的另一端经负载继电器 500与负载 700 相连，再经并网继电器 600 与电网 A、B、C 相相连。0020 所述控制器 100 包括依次相连的 PWM 驱动单元 170、DSP 电路 110、双

18、口 RAM 电路120、FPGA 电路 130、信号采集与处理单元 160、继电器控制单元 150 和人机接口 140，所述的DSP 电路 110 通过双口 RAM 电路 120 与 FPGA 电路 130 相连。所述的信号采集与处理单元160 将采集的模拟量进行滤波后输入所述的 DSP 电路 110，DSP 电路 110 将模拟信号进行 A/D 转换后传送给所述的双口 RAM 电路 120，FPGA 电路 130 通过双口 RAM 读取采集的数据，根据该数据计算功率变换电路 200 中八个 IGBT 的导通占空比，并将占空比写入双口 RAM 电路120，所述的 DSP 电路 110 通过双口

19、 RAM 电路 120 读取 IGBT 211 242 的占空比数据，并经PWM 驱动单元 170 控制八个 IGBT 211 242 的开通与关断。0021 所述的三相多方向并网逆变器，当逆变器工作于为本地负载 700 独立供电模式时 , 并网继电器 600 断开，所述功率变换电路 200 的四个桥臂共同工作，运行于三相四桥臂模式，三相输出电压可独立解耦控制，直流电压利用率高 ；当逆变器工作于并网逆变模式或充电模式时，断开 N 桥臂的 IGBT 241 及 IGBT 242，逆变器运行于三相三桥臂状态，以降低IGBT 功耗，提高能量转换效率。0022 所述的三相多方向并网逆变器，断开 A、B

20、、C 三个桥臂的第一 IGBT、N 桥臂的第一及第二 IGBT，根据蓄电池 300 电压及电网三相电压的实时值调节 A、B、C 三个桥臂第二 IGBT的通断，所述的三相多方向并网逆变器工作于 DC/DC 升压变换模式，即由电网向蓄电池 300充电。0023 所述的控制器100控制所述DSP电路110和FPGA电路130经继电器控制单元150，控制负载继电器 500、并网继电器 600 的闭合与断开 ：DSP 电路 110 和 FPGA 电路 130 对负载继电器 500 的控制信号串联后共同控制负载继电器 500，DSP 电路 110 和 FPGA 电路 130 对并网继电器 600 的控制信

21、号串联后共同控制并网继电器 600。只要 DSP 电路 110 和 FPGA 电路 130 中的一方断开负载继电器 500 和并网继电器 600，则负载继电器 500 和并网继电器600 立即断开。说 明 书CN 104467021 A4/4 页60024 DSP 电路 110 和 FPGA 电路 130 在双口 RAM 电路 120 上分别分配一个生命值存储单元，并周期性地将各自的生命值存储单元加 1，DSP 电路 110 和 FPGA 电路 130 实时检测对方生命值存储单元中的值，发现不再变化后，判定对方死机，立即断开负载继电器 500 和并网继电器 600，以保证安全。0025 所述信

22、号采集与处理单元 160 包括多个传感器，多个传感器分别安装在所述蓄电池300、滤波电路400和并网继电器600上，用于对蓄电池300的电压值和电流值、电感412、电感422、电感432上的电流值和相对于零线的电压值、电容413、电容423、电容433上的电流值、超级电容220的电压值和电流值、以及电网A、B、C三相的相电压进行实时测量以及对测量的信号进行滤波处理。所述信号采集与处理单元 160 包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、以及二阶低通有源滤波电路。0026 所述的控制器100采集到的滤波电路400中A相第二电感412、B相第二电感422、C 相第二电感 432 上的电流后，不直接用于

23、控制，将其减去对应电容上的电流的导数乘以一个系数后再用于控制，模拟电容支路存在阻抗，消除谐振。其修正公式如下 ：0027 0028 0029 0030 其中，ia2,ib2,ic2分别为电感 La2,Lb2,Lc2上的电流，ia2,ib2,ic2为修正后的电流 ,ica,icb,icc分别为电容 Ca,Cb,Cc上的电流，a,b,c为修正系数。0031 本发明三相多方向并网逆变器同时具有并网逆变、本地负载独立供电、反向充电等工作模式，功能全，并且各工作模式可无缝切换。由于采用了三相四桥臂结构，逆变时直流电压利用率高。滤波电流处理引入了电容电流反馈，消除了谐振。控制器采用了DSP+FPGA结构，采集与计算分别在 DSP 和 FPGA 中进行，并且同时控制并网继电器的通断，实时性高，可靠性强。0032 以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。说 明 书CN 104467021 A1/1 页7图1说 明 书 附 图CN 104467021 A