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1、(10)申请公布号 CN 102882405 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 4 0 5 A *CN102882405A* (21)申请号 201210390856.5 (22)申请日 2012.10.16 H02M 7/48(2007.01) (71)申请人哈尔滨东方报警设备开发有限公司 地址 150090 黑龙江省哈尔滨市南岗区富水 路119号 (72)发明人李宣南 张卓林 毛飞 (54) 发明名称 T源型交流逆变电源 (57) 摘要 本发明涉及一种T源型交流逆变电源，属于 电能变换领域，用于将波动的、较低的直流电压转 化为幅值和频率恒定的交流。
2、电压。在原有逆变器 和滤波电感的基础上，在直流侧增加二极管，双绕 组变压器和滤波电容，不增加额外的功率开关器 件，利用逆变器的直通状态实现直流电压的升压 和稳压控制；加入交流电压检测电路，偏置电路， 直流电压检测电路，低通滤波电路，主控制器以及 隔离驱动电路，结合直流电压和交流电压双闭环 的控制策略，同时实现直流电压和交流电压幅值 恒定控制，本发明具有结构紧凑、直流电压利用率 高以及效率高、可靠性高等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/1页 2 1。
3、.一种T源型交流逆变电源，其特征在于，其组成包括直流正极输入端的二极管（1）， 变压器（2），滤波电容（3），逆变器（4），滤波电感（5），交流滤波电容（6），交流电压检测电路 （7），偏置电路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱 动电路（12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一 输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负。
4、极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的第一输出端与滤波电感（5）的一端相连，滤波电感（5）的另一端与交 流滤波电容（6）的一端相连作为所述的T源型交流逆变电源一个交流输出端与负载相连， 逆变器（4）的第二输出端与交流滤波电容（6）的另一端相连作为所述的T源型交流逆变电 源的另一个交流输出端与负载相连； 交流电压检测电路（7）的输入端与交流滤波电容（6）的两端相连，用于检测交流输出 电压，交流电压检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，将采集到的交流输出 电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第一输入端相连， 直流电压检测电路（9）的第一输。
5、入端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，直流电压检测 电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流 输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变 器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路 （10）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电 路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的信号输入端相连，用于 驱动逆变器（4）的各个功率器件工作。 2.根据权利要求1所述的T源型交流逆变电源，其特征在于，所述的变压器（2）包。
6、括绕 组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个闭合的磁环上，绕组W1和绕组W2 的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的另一端作为所述变压器（2）的第一 输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输出端。 3.根据权利要求1所述的T源型交流逆变电源，其特征在于，所述的逆变器（4）由第 一桥臂（41）和第二桥臂（42）组成，第一桥臂（41）和第二桥臂（42）并联，所述的第一桥臂 （41）由第一开关管V 1 和第二开关管V 2 串联构成，所述的第二桥臂（42）由第三开关管V 3 和 第四开关管V 4 串联构成，第一桥臂（41）中第一开关管V 1 和第二开关管V 2。
7、 的连接点作为所 述的逆变器（4）的第一输出端，第二桥臂（42）中第三开关管V 3 和第四开关管V 4 的连接点 作为所述的逆变器（4）的第二输出端。 权 利 要 求 书CN 102882405 A 1/5页 3 T 源型交流逆变电源 技术领域 0001 本发明涉及一种T源型交流逆变电源，属于电能变换领域，用于将光伏发电源等 具有波动性的较低直流电源转化为幅值和频率恒定的交流电源。 背景技术 0002 目前，能源的短缺以及环境污染问题日益严重，以风力发电、光伏发电为代表的可 再生能源发电技术因其不消耗地球化石能源、对环境零排放等优点，成为最有竞争力的解 决能源和环境问题的途径，获得了广泛关注，。
8、成为了当前的研究热点。 0003 由于可再生发电源输出的电能形式对环境变化更加敏感，波动较大，难以直接为 负载供电，为此需要结合相应的电能变换技术来获得满足独立供电要求的电能形式。在目 前的解决方案中，对于光伏发电系统，其输出为直流形式，一种方案是采用直流-直流-交 流的两级式结构实现平稳的交流电能输出。这种结构中直流侧增加的开关变换器造成系统 损耗增加，效率和可靠性均有所下降。 0004 另一种方案是采用Z源型逆变器，在直流发电源和传统逆变器中间串接由两个电 感和电容组成的交叉阻抗网络，利用逆变器的直通状态对电感进行储能，在非直通状态释 放，进而间接实现直流电压的升压控制。Z源型逆变器采用单。
9、级结构同时实现直流侧的升压 控制和交流侧的逆变控制，具有结构紧凑、效率高等优点，受到广泛关注。但是这种方案直 流升压比有限，在直流升压比较大时，需要较大的直通占空比，造成对交流侧的输出电压和 电流波形造成不良影响，另外，Z源型逆变器需要两个储能电感和两个滤波电容，造成成本 和体积均有所增加，不利于推广应用。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种T源型交流逆变电源，用于将光伏发电源等具有波动 性的较低直流电源转化为幅值和频率恒定的交流电源，以解决现有包含可再生发电源的交 流逆变电源的效率低、结构复杂等问题。 0006 一种T源型交流逆变电源，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器。
10、（2）， 滤波电容（3），逆变器（4），滤波电感（5），交流滤波电容（6），交流电压检测电路（7），偏置电 路（8），直流电压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一 输出端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的第一输出端与滤波电感（5）的一端相。
11、连，滤波电感（5）的另一端与交 流滤波电容（6）的一端相连作为所述的T源型交流逆变电源一个交流输出端与负载相连， 逆变器（4）的第二输出端与交流滤波电容（6）的另一端相连作为所述的T源型交流逆变电 源的另一个交流输出端与负载相连，； 说 明 书CN 102882405 A 2/5页 4 交流电压检测电路（7）的输入端与交流滤波电容（6）的两端相连，用于检测交流输出 电压，交流电压检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，将采集到的交流输出 电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第一输入端相连， 直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流正极输。
12、入端相连，直流电压检测 电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流 输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变 器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路 （10）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电 路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的信号输入端相连，用于 驱动逆变器（4）的各个功率器件工作。 0007 所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个 闭合的磁环上，绕。
13、组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的 另一端作为所述变压器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输 出端。 0008 所述的逆变器（4）由第一桥臂（41）和第二桥臂（42）组成，第一桥臂（41）和第二 桥臂（42）并联，所述的第一桥臂（41）由第一开关管V 1 和第二开关管V 2 串联构成，所述的 第二桥臂（42）由第三开关管V 3 和第四开关管V 4 串联构成，第一桥臂（41）中第一开关管V 1 和第二开关管V 2 的连接点作为所述的逆变器（4）的第一输出端，第二桥臂（42）中第三开关 管V 3 和第四开关管V 4 的连接点作为所述的逆。
14、变器（4）的第二输出端。 0009 本发明所具有的优点：本发明通过在直流-交流逆变器的直流侧加入变压器，并结合 交流电压闭环控制算法，采用一级电路结构和更少的储能元件同时实现了直流电压的升 压、稳压控制以及将直流形式的电能转化为幅值和频率固定的交流电源，实现为负载提供 稳定可靠的交流电能，由于无需增加直流-直流逆变环节，减少了开关器件的数量，因此有 效降低了系统的损耗、体积和成本，具有结构紧凑以及效率高、可靠性高等优点。 附图说明 0010 图1是本发明的原理图； 图2是本发明的直通状态的原理图，图3是本发明的非直通状态的原理图； 图4是本发明的产生直通状态的正弦波脉宽调制算法的原理图。 00。
15、11 具体实施方式 0012 具体实施方式一：下面结合图1至图4具体说明本实施方式。图1为T源型交流 逆变电源的原理图，其组成包括直流正极输入端的二极管（1），变压器（2），滤波电容（3）， 逆变器（4），滤波电感（5），交流滤波电容（6），交流电压检测电路（7），偏置电路（8），直流电 压检测电路（9），低通滤波电路（10），主控制器（11）以及隔离驱动电路（12）； 所述的二极管（1）的正极与外部直流电源的正极输出端相连，作为所述的T源型交流 逆变电源的正极输入端，二极管（1）的负极与变压器（2）的输入端相连，变压器（2）的第一 说 明 书CN 102882405 A 3/5页 5 输出端。
16、与逆变器（4）的直流正极输入端相连，变压器（2）的第二输出端与滤波电容（3）的一 端相连，滤波电容（3）的另一端与逆变器（4）的直流负极输入端以及外部直流电源的负极 输出端相连，逆变器的第一输出端与滤波电感（5）的一端相连，滤波电感（5）的另一端与交 流滤波电容（6）的一端相连作为所述的T源型交流逆变电源一个交流输出端与负载相连， 逆变器（4）的第二输出端与交流滤波电容（6）的另一端相连作为所述的T源型交流逆变电 源的另一个交流输出端与负载相连，； 交流电压检测电路（7）的输入端与交流滤波电容（6）的两端相连，用于检测交流输出 电压，交流电压检测电路（7）的输出端与偏置电路（8）的输入端相连，。
17、将采集到的交流输出 电压信号提高到始终大于零，偏置电路（8）的输出端与主控制器（11）的第一输入端相连， 直流电压检测电路（9）的第一输入端与逆变器（4）的直流正极输入端相连，直流电压检测 电路（9）的第二输入端与逆变器（4）的直流负极输入端相连，用于检测逆变器（4）的直流 输入电压，直流电压检测电路（9）的输出端与低通滤波电路（10）的输入端相连，滤除逆变 器的直流输入电压的高频脉冲，获得逆变器的直流输入电压中的直流分量，低通滤波电路 （10）的输出端与主控制器（11）的第二输入端相连，主控制器（11）的输出端与隔离驱动电 路（12）的输入端相连，隔离驱动电路（12）的输出端与逆变器（4）的。
18、信号输入端相连，用于 驱动逆变器（4）的各个功率器件工作。 0013 所述的变压器（2）包括绕组W1和绕组W2，所述的绕组W1和绕组W2缠绕在同一个 闭合的磁环上，绕组W1和绕组W2的同名端相连作为所述变压器（2）的输入端，绕组W1的 另一端作为所述变压器（2）的第一输出端，绕组W2的另一端作为所述变压器（2）的第一输 出端。 0014 所述的逆变器（4）采用单相桥式逆变器，由第一桥臂和第二桥臂组成，第一桥臂和 第二桥臂并联，所述的两个桥臂分别由两个功率开关器件串联构成。 0015 本发明的基本原理是在直流侧加入直流变压器和滤波电容，通过逆变器的同一桥 臂的两个开关管同时导通，产生直通状态，进。
19、而使能量存储在直流变压器中，而在非直通状 态释放出去，进而实现直流电压的升压。再结合交流侧的滤波电感和滤波电容以及电压检 测电路和控制器，进而实现直流侧电压和交流侧电压的同时控制。下面分析其直流电压和 直流供电电源之间的关系，即直流升压比。 0016 各个公式中变量的物理含义为， 为变压器（2）的绕组W1两端电压，为变压器（2）的绕组W2两端电压，为变压器（2） 的匝数比，为滤波电容（3）的电压，为直流正极输入端的二极管（1）的电压，为直 流输入电源电压，为逆变器的直通占空比。 0017 在直通状态下，对应的等效电路如图2所示，其绕组电压方程为 (1) 二极管两端电压为 (2) 说 明 书CN。
20、 102882405 A 4/5页 6 上式说明此时二极管承受反压，在直通状态下直流电源同样不输出电流。 0018 在非直通状态下，对应的等效电路如图3所示，其绕组电压方程为 (3) 根据一个开关周期内的绕组平均电压为零，即 (4) 解得直流电容电压与直流电源的关系为 (5) 进一步求得在非直通状态下直流输出电压和直流电源电压的关系即直流升压比为 (6) 由上式可知，直流升压比由直通占空比和变压器匝比共同决定，并有。通过 控制直流占空比，即可控制直流输出电压。 0019 由上述分析可知，通过控制逆变器各个桥臂的直通占空比即可控制直流输出电 压，即逆变器的输入电压，为了获得幅值和频率恒定的交流电。
21、压，要求逆变器的输入电压一 方面要大于交流电机额定电压的幅值，另一方面要求逆变器的输入电压尽量保持稳定，因 此需要引入直流输出电压的闭环控制。下面分析其工作原理。首先设定一个直流输出电压 的给定值，再用直流电压检测电路（9）检测直流输出电压，由于逆变器存在直通状态，因此 直流输出电压带有高频脉冲，通过低通滤波电路（10）可以滤除高频成分，获得直流输出电 压的平均值，再用直流输出电压的给定值减去其平均值，获得的差值输入到比例-积分调 节器，获得直通占空比的给定值，可以用来控制逆变器各个桥臂的直通时间。 0020 在交流电压闭环控制方面，通过交流电压检测电路（7）将交流电压转化为低压交 流信号，由。
22、于主控制器选用的控制芯片不能输入负电压，因此通过偏置电路（8）将低压交流 信号加上直流偏移量，使其始终大于零，在主控制器中再减去相应的偏置值，使其还原为和 交流电压成正比的交流信号，以便用于交流电压的闭环控制。交流输出电压的闭环控制算 法采用现有方案中的控制算法即可，包括交流电压幅值控制，实时波形控制算法等。上述算 法均可以生成逆变器桥臂的输出电压的给定值，用于对逆变器的各个功率开关器件进行控 制。 0021 本发明中，需要同时实现逆变器各个功率开关器件的正常逆变控制和产生直通状 态，本实施方式以现有方案中的正弦波脉宽调制策略（SPWM）为基础，由于SPWM方法中的每 相桥臂的两个功率开关器件。
23、处于互补导通模式，在每一个载波周期里均会切换两次开关状 态，因此在每一相桥臂的两个功率开关器件的状态发生切换时，强制让两个功率开关器件 同时导通，其导通时间等于直通占空比与载波周期的乘积。其具体工作原理为，设置一个三 角波，用逆变电压给定和三角波比较，若逆变电压给定大于三角波，输出“1”，若正弦波小于 说 明 书CN 102882405 A 5/5页 7 或等于三角波，则输出“0”，形成第一路方波信号，将所述的第一路方波信号进行逻辑取反， 获得第二路方波信号，对所获得的第一路方波信号进行判断，若由“1”跳变到“0”，或由“0” 跳变到“1”，则以所述的步骤一所获得的第一路方波信号的电平跳变点为。
24、起点，在所获得的 两路方波信号中，同时加入一段时间的全“1”状态，这段全“1”状态的时间等于直通占空比 与所设定的三角波周期的乘积，由此获得的两路方波信号，第一路用于控制第一个桥臂的 上管和第二个桥臂的下管，第二路用于控制第一个桥臂的下管和第二个桥臂的上管。图4 给出了控制过程产生的控制信号的原理图，其中两路信号的全“1”状态会使同一个桥臂的 两个开关管均导通，即产生直通状态。 0022 上述的直流输出电压闭环控制算法、交流输出电压控制算法以及用于控制逆变器 带有直通状态的SPWM方法均在主控制器（11）中通过软件加以实现，主控制器需为带有模 数转换器，脉宽调制模块等外设的单片机，数字信号处理。
25、器等控制器。 0023 通过上述系统及其控制方法，即可实现利用具有波动特性的低压直流电源获得具 有较高电压幅值的幅值和频率固定的交流电源，例如在一些无大电网供电的偏远地区或者 便携式供电系统中，利用本系统可以将低压光伏电池的发电电能转化为和单相大电网相同 规格的交流电能，进而起到替代公共大电网为家用电器、照明以及取暖设备等负载供电的 作用。由于本系统无需外加额外的功率开关器件，因此结构紧凑，成本较低，效率较高，另 外，只需较小的直通占空比即可获得较高的直流升压比，因此电压利用率比较高，具有重要 的推广应用价值。 说 明 书CN 102882405 A 1/2页 8 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102882405 A 2/2页 9 图4 说 明 书 附 图CN 102882405 A 。