專利名稱：一種并網逆變器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及電路技術領域，更具體地說，涉及一種并網逆變器及其控制方法。
背景技術：
如圖I所示，為現有的并網逆變器的主電路拓撲結構圖。現有的并網逆變器主要包括直流側電源10、直流側開關20、母線電容組件30、逆變單元40、濾波單元50、接觸器60、斷路器70和主控單元(未示出)。其中，直流側電源10通過直流側開關20輸出至母線電容組件30，再通過逆變單元40進行交流逆變后，經過濾波單元50得到一正弦電壓，接觸器60閉合，輸出經過斷路器70至電網80。其中濾波單元50為常用的LC濾波電路或者LCL濾波電路。該并網逆變器的工作原理為當交流側的接觸器60斷開時，如果主控單元檢測到直流側電源10的直流電壓滿足開機條件，比如直流電壓達到開機電壓，主控單元輸出PWM波控制逆變單元40進行交流逆變，通過調節PWM波控制經濾波單元40濾波后得到的正弦電壓與接觸器60前端的電網80電壓同步，當檢測到接觸器60兩端的電壓一致后，主控單元閉合接觸器60的開關，實現并網發電。當直流側電源10的直流電壓降低到關機電壓后，主控單元控制逆變單元40停止逆變，導致正弦電壓低于電網電壓，主控單元控制接觸器60斷開。同時，主控單元對斷路器70不進行控制，斷路器70起過載、短路保護及維修隔離的功能。上述直流側電源10可以為光伏電池，相應的并網逆變器為光伏并網逆變器，上述直流側電源10也可以為鉛酸、鋰電等其他儲能型直流電源，則相應的并網逆變器為儲能并網逆變器。然而，上述并網逆變器在主回路采用斷路器70和接觸器60實現線路通斷以控制線路輸出的設計方案，使得開關的成本較高，同時由于在主回路存在兩個開關，節點較多，逆變器的損耗也增加，效率降低。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有并網逆變器通過接觸器實現線路通斷導致開關成本高損耗大的缺陷，提供一種在濾波單元中對濾波電容串聯開關元件進行通斷控制的并網逆變器及其控制方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種并網逆變器，包括主控單元以及依次連接的直流側電源、直流側開關、母線電容組件、逆變單元、濾波單元和斷路器；所述濾波單元至少包括濾波電容；所述濾波單元還包括與所述濾波電容串聯的開關元件；所述主控單元與所述直流側電源、逆變單元和開關元件連接，在檢測的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元并閉合所述開關元件,且所述主控單元與所述斷路器連接，在所述濾波單元的輸出電壓達到電網電壓時控制所述斷路器閉合；所述主控單元還在檢測的直流電壓低于開機電壓時停止發送PWM波控制逆變單元停止逆變并斷開所述開關元件。
在根據本發明所述的并網逆變器中，所述主控單元還在檢測到系統故障時，控制所述斷路器和所述開關元件斷開。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述逆變單元為三相半橋或全橋逆變結構。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述濾波電容和開關元件均為三個，且所述濾波單元還包括三個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感，三個所述濾波電容以星形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述濾波電容和開關元件均為三個，且所述濾波單元還包括三個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感，三個所述濾波電容以三角形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述濾波電容和開關元件均為三個，所述濾 波單元還包括六個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯兩個電感，且三個所述濾波電容以星形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路上串聯的兩個電感之間的節點上。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述濾波電容和開關元件均為三個，所述濾波單元還包括六個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯兩個電感，且三個所述濾波電容以三角形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路上所述兩個電感之間的節點上。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述逆變單元為單相全橋或半橋逆變結構；所述濾波電容和開關元件均為一個，且所述濾波單元還包括一個電感，其中，所述濾波單元的第一輸入端通過所述電感連接至所述濾波單元的第一輸出端，所述濾波單元的第二輸入端與第二輸出端相連，所述濾波電容和開關元件串聯后跨接在所述第一輸出端和第二輸出端之間。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述開關元件為繼電器、接觸器、可控硅整流器、場效應管或絕緣柵雙極型晶體管等無源或有源開關元件。在根據本發明所述的并網逆變器中，所述并網逆變器為光伏并網逆變器或儲能并網逆變器。本發明還提供了一種如上所述的并網逆變器的控制方法，所述并網逆變器包括主控單元以及依次連接的直流側電源、直流側開關、母線電容組件、逆變單元、濾波單元和斷路器；所述濾波單元至少包括濾波電容以及與所述濾波電容串聯的開關元件；所述控制方法包括以下步驟所述主控單元在檢測到直流側電源的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元并閉合所述開關元件；所述主控單元在所述濾波單元的輸出電壓達到電網電壓時控制所述斷路器閉合；所述主控單元在檢測的直流電壓低于開機電壓時停止發送PWM波控制逆變單元停止逆變并斷開所述開關元件。實施本發明的并網逆變器及其控制方法，具有以下有益效果本發明通過在濾波單元的濾波電容支路增加開關元件，同時取消主回路的開關元件如接觸器，保證斷路器在不斷開的情況下，自由地控制并網逆變器啟停發電，以及從電網吸收的無功，這樣一方面減少斷路器的分斷次數，保證斷路器的壽命，另一方面在逆變器系統停止工作時也不影響電網質量，同時省去了主回路的開關元件，減少系統發熱損耗，提高了系統效率，降低了整機成本。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I為現有的并網逆變器的主電路拓撲結構圖；圖2為根據本發明的并網逆變器的優選實施例的主電路拓撲結構圖；圖3為根據本發明的并網逆變器的優選實施例中逆變單元的示意圖；圖4為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第一實施例的示意圖；·
圖5為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第二實施例的示意圖；圖6為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第三實施例的示意圖；圖7為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第四實施例的示意圖；圖8為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第五實施例的示意圖；圖9為根據本發明的并網逆變器中濾波單元和逆變單元的第六實施例的示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。請參閱圖2，為根據本發明的并網逆變器的優選實施例的主電路拓撲結構圖。如圖2所示，本發明提供的并網逆變器包括主控單元(圖中未示出)，以及依次連接的直流側電源10、直流側開關20、母線電容組件30、逆變單元40、濾波單元50和斷路器70。其中，直流側電源10通過直流側開關20輸出至母線電容組件30，再通過逆變單元40進行交流逆變后，經過濾波單元50得到一正弦電壓，斷路器70閉合，輸出至電網80實現并網發電。本發明的并網逆變器不采用傳統的接觸器，而是對濾波單元50進行改進，實現對電路通斷的控制。該濾波單元50通常由LC濾波電路或者LCL濾波電路組成，因此濾波單元50至少具有濾波電容51。與現有技術相比，本發明一方面通過在濾波單元50中增設與濾波電容51串聯的開關元件52，實現對線路的控制，另一方面由主控單元對斷路器70進行控制實現通斷控制。其中，開關元件52受主控單元控制，主控單元還與直流側電源10、逆變單元40和斷路器70連接，主控單元在檢測的直流側電源10的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元40進行逆變，并閉合開關元件52，將濾波電容51投入使用。主控單元同時檢測濾波單元50的輸出電壓，在其達到電網電壓時控制斷路器70閉合為電網80送電。主控單元還在檢測的直流電壓低于開機電壓時時停止發送PWM波控制逆變單元40停止逆變并斷開開關元件52。下面對本發明的并網逆變器的并網發電工作原理進行具體描述。I)當交流側的斷路器70斷開時，如果主控單元檢測到直流側電源10的直流電壓滿足開機條件，比如直流電壓達到開機電壓時，啟動軟啟裝置，主控單元發送PWM波給逆變單元40對母線電容組件30的直流進行逆變。主控單元在檢測到直流側電源10的直流電壓達到開機電壓時同時發送信號控制開關元件52閉合，將濾波電容51投入使用。直流側的直流電壓經過逆變單元40逆變及濾波單元50的LC或者LCL濾波后得到一正弦電壓，主控單元通過調節PWM波控制該正弦電壓與斷路器前端的電網80的電網電壓同步，當檢測到斷路器70兩端的電壓一致后，即濾波單元50的輸出電壓達到電網電壓時，主控單元發送信號閉合斷路器70的開關，實現并網發電。2)當主控單元檢測到直流側電源10的直流電壓低于開機電壓時，主控單元發送信號控制逆變單元40停止逆變，此時斷路器70維持閉合，逆變單元40發送信號控制開關元件52斷開，把濾波電容51從電網斷開，避免產生多余的無功。3)當主控單元檢測到直流側電源10的直流電壓升高到開機電壓后，主控單元再次啟動逆變單元40，并控制開關元件52把濾波電容51投入使用，再控制逆變單元40逆變出與電網電壓同步的電壓進行發電及功率控制。
4)當系統出現故障后，主控單元控制斷路器70和開關元件52斷開，使得系統得到保護。在上述技術方案中，如果并網逆變器無故障，只是隨著光照的變化，直流側電源10的直流電壓低于開機電壓的情況下，斷路器70可以不用斷開，只需通過主控單元斷開濾波單元50中濾波電容51的支路上的開關元件，來滿足系統不從電網80吸取無功，這樣一方面保證斷路器70的壽命，另一方面在不發電工作時也不影響電網質量。下面以三相結構和單相結構的連接為例對本發明進行說明，但是本領域的技術人員應該可以想象得到，本發明也可以采用其他結構實現。請參閱圖3，為根據本發明的并網逆變器的優選實施例中逆變單元的示意圖。如圖3所示，本發明提供的逆變單元40可以采用三相全橋逆變結構實現，母線電容組件30的直流電從圖3的右側輸入該三相全橋逆變結構的逆變后，產生三相交流電從左側輸出。應該理解地是，本發明的逆變單元并不限定于此種結構，而可以采用本領域基礎技術人員熟知并能應用到并網逆變器的其它逆變結構，例如三相半橋逆變結構等。請參閱圖4，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第一實施例的示意圖。如圖4所示，該濾波單元50采用LC濾波電路，至少包括3個電感，即電感LI、電感L2和電感L3 ；以及3個濾波電容，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3。因此相應地，濾波單元50增設了 3個開關元件，以對應地與每個濾波電容串聯。濾波單元50的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感。三個濾波電容以星形方式連接，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3中每個濾波電容的第一端連接在一起，第二端分別通過開關元件K1、開關元件K2和開關元件K3連接至每相線路上。逆變單元40逆變出的三相交流電從圖4中右側輸入后，經過濾波后產生一三相正弦交流電從左側輸出。請參閱圖5，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第二實施例的示意圖。如圖4所示，該濾波單元50也采用LC濾波電路，至少包括3個電感，即電感LI、電感L2和電感L3 ;以及3個濾波電容，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3。相應地，濾波單元50增設了 3個開關元件，以對應地與每個濾波電容串聯。濾波單元50的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感。第二實施例與第一實施例的區別在于，三個濾波電容以三角形方式連接，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3中每個濾波電容的第一端循環連接至前一濾波電容的第二端，且每個濾波電容的第一端分別通過開關元件K1、開關元件K2和開關元件K3連接至每相線路上。通過上述結構，逆變單元40逆變出的三相交流電從圖4中右側輸入后，經過濾波后產生一三相正弦交流電從左側輸出。請參閱圖6，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第三實施例的示意圖。如圖6所示，該濾波單元50采用LCL濾波電路，至少包括6個電感，即電感LI、電感L2、電感L3、電感L4、電感L5和電感L6 ；以及3個濾波電容，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3。因此相應地，濾波單元50增設了 3個開關元件，以對應地與每個濾波電容串聯。濾波單元50的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯2個電感。在該實施例中，三個濾波電容以星形方式連接，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3中每個濾波電容的第一端連接在一起，第二端分別通過開關元件Kl、開關元件K2和開關元件K3連接至每相線路上串聯的2個電感之間的節點。通過上述結構，逆變單元40逆變出的三相交流電從圖4中右側輸入后，經過濾波后產生一三相正弦交流電從左側輸出。請參閱圖7，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第四實施例的示意圖。如圖7所示，該濾波單元50也采用LCL濾波電路，至少包括6個電感，即電感LI、電感L2、電感L3、電感L4、電感L5和電感L6 ;以及3個濾波電容，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波 電容C3。相應地，濾波單元50增設了 3個開關元件，以對應地與每個濾波電容串聯。濾波單元50的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯2個電感。第二實施例與第一實施例的區別在于，三個濾波電容以三角形方式連接，即濾波電容Cl、濾波電容C2和濾波電容C3中每個濾波電容的第一端循環連接至前一濾波電容的第二端，且每個濾波電容的第一端分別通過開關元件K1、開關元件K2和開關元件K3連接至每相線路上串聯的2個電感之間的節點。通過上述結構，逆變單元40逆變出的三相交流電從圖4中右側輸入后，經過濾波后產生一三相正弦交流電從左側輸出。請參閱圖8，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元的第五實施例的示意圖。圖8中右側4個開關管組成的單相全橋逆變電路構成逆變單元40，，該濾波單元50采用LC濾波電路，至少包括I個電感和I個濾波電容，即電感L和濾波電容C。因此相應地，該濾波單元50增設了 I個開關元件Kl，以對應地與濾波電容C串聯。電感L串聯在濾波單元50的第一輸入端和第一輸出端之間，濾波單兀50的第二輸入端和第二輸出端相連,濾波電容C和開關元件Kl串聯后跨接在濾波單元50的第一輸出端和第二輸出端之間。在本實施例中，開關元件K2為斷路器，由主控單元對斷路器進行通斷控制。通過上述結構，從圖8右側輸入的直流電就能夠經過逆變單元40的逆變，產生單相交流電，再經過濾波單元50后產生單相正弦交流電，從左側輸出。雖然本實施例中使用LC濾波電路，但是本領域基礎技術人員應該理解該電路同樣也可以使用LCL濾波電路，只需要將兩個電感串聯在濾波單元50的第一輸入端和第一輸出端之間，而濾波電容C和開關元件Kl串聯后跨接在兩個電感之間的節點以及濾波單元50的第二輸出端之間即可。請參閱圖9，為根據本發明的并網逆變器中濾波單元和逆變單元的第六實施例的示意圖。圖9所示的實施例中電路圖與圖8中相似，區別僅在于圖8逆變單元40采用由2個開關管和2個電容組成的單相半橋逆變電路。相應地，濾波單元50的構成與原理與第五實施例中相同。在本發明中，所述開關元件可以為繼電器、接觸器、可控硅整流器(SCR)、場效應管(MOS)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等無源或有源器件。此外，本發明中所述的直流側電源10可以為光伏電池，相應構成的并網逆變器為光伏并網逆變器。該直流側電源還可以采用鉛酸、鋰電等其他儲能型直流電源實現，則相應構成的并網逆變器為儲能并網逆變器。本發明還提供了一種上述并網逆變器的控制方法，如上該并網逆變器包括主控單元以及依次連接的直流側電源10、直流側開關20、母線電容組件30、逆變單元40、濾波單元50和斷路器70。濾波單元50至少包括濾波電容51以及與該濾波電容51串聯的開關元件52。本發明提供的控制方法包括以下步驟首先，主控單元在檢測到直流側電源10的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元40并閉合開關元件52，將濾波電容51投入使用。隨后，主控單元在濾波單元50的輸出電壓達到電網電壓時控制斷路器70閉合，為電網80送電。最后，主控單元在檢測直流側電源10的直流電壓低于開機電壓時停止發送PWM波，控制逆變單元40停止逆變并斷開開關元件52，從而把濾波電容51從電網斷開，避免產生多余的無功。·應該說明地是，本發明提供的并網逆變器及其控制方法所采用的原理和流程相同，因此對并網逆變器的各個實施例的詳細闡述也適用于并網逆變器的控制方法中，例如各個模塊的具體實現流程等。綜上，本發明通過在濾波單元的濾波電容支路增加開關元件，同時取消主回路的開關元件如接觸器，保證斷路器在不斷開的情況下，自由地控制逆變器系統啟停發電，以及從電網吸收的無功，這樣一方面減少斷路器的分斷次數，保證斷路器的壽命，另一方面在逆變器系統停止工作時也不影響電網質量，同時省去了主回路的開關元件，減少系統發熱損耗，提高了系統效率，降低了整機成本。本發明是根據特定實施例進行描述的，但本領域的技術人員應明白在不脫離本發明范圍時，可進行各種變化和等同替換。此外，為適應本發明技術的特定場合或材料，可對本發明進行諸多修改而不脫離其保護范圍。因此，本發明并不限于在此公開的特定實施例，而包括所有落入到權利要求保護范圍的實施例。
權利要求
1.一種并網逆變器，包括主控單元以及依次連接的直流側電源、直流側開關、母線電容組件、逆變單元、濾波單元和斷路器；所述濾波單元至少包括濾波電容；其特征在于，所述濾波單元還包括與所述濾波電容串聯的開關元件； 所述主控單元與所述直流側電源、逆變單元和開關元件連接，在檢測的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元并閉合所述開關元件，且所述主控單元與所述斷路器連接，在所述濾波單元的輸出電壓達到電網電壓時控制所述斷路器閉合； 所述主控單元還在檢測的直流電壓低于開機電壓時停止發送PWM波控制逆變單元停止逆變并斷開所述開關元件。
2.根據權利要求I所述的并網逆變器，其特征在于，所述主控單元還在檢測到系統故障時，控制所述斷路器和所述開關元件斷開。
3.根據權利要求I或2所述的并網逆變器，其特征在于，所述逆變單元為三相半橋或全橋逆變結構。
4.根據權利要求3所述的并網逆變器，其特征在于，所述濾波電容和開關元件均為三個，且所述濾波單元還包括三個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感，三個所述濾波電容以星形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路。
5.根據權利要求3所述的并網逆變器，其特征在于，所述濾波電容和開關元件均為三個，且所述濾波單元還包括三個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯一電感，三個所述濾波電容以三角形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路。
6.根據權利要求3所述的并網逆變器，其特征在于，所述濾波電容和開關元件均為三個，所述濾波單元還包括六個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯兩個電感，且三個所述濾波電容以星形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路上串聯的兩個電感之間的節點上。
7.根據權利要求3所述的并網逆變器，其特征在于，所述濾波電容和開關元件均為三個，所述濾波單元還包括六個電感，其中，濾波單元的輸入端和輸出端之間的每相線路上串聯兩個電感，且三個所述濾波電容以三角形方式連接后再分別通過一開關元件連接至各相線路上所述兩個電感之間的節點上。
8.根據權利要求I或2所述的并網逆變器，其特征在于，所述逆變單元為單相全橋或半橋逆變結構；所述濾波電容和開關元件均為一個，且所述濾波單元還包括一個電感，其中，所述濾波單元的第一輸入端通過所述電感連接至所述濾波單元的第一輸出端，所述濾波單元的第二輸入端與第二輸出端相連，所述濾波電容和開關元件串聯后跨接在所述第一輸出端和第二輸出端之間。
9.根據權利要求I所述的并網逆變器，其特征在于，所述開關元件為繼電器、接觸器、可控硅整流器、場效應管或絕緣柵雙極型晶體管。
10.根據權利要求I所述的并網逆變器，其特征在于，所述并網逆變器為光伏并網逆變器或儲能并網逆變器。
11.一種根據權利要求1-10中任意一項所述的并網逆變器的控制方法，其特征在于，所述并網逆變器包括主控單元以及依次連接的直流側電源、直流側開關、母線電容組件、逆變單元、濾波單元和斷路器；所述濾波單元至少包括濾波電容以及與所述濾波電容串聯的開關元件；所述控制方法包括以下步驟 所 述主控單元在檢測到直流側電源的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元并閉合所述開關元件； 所述主控單元在所述濾波單元的輸出電壓達到電網電壓時控制所述斷路器閉合； 所述主控單元在檢測的直流電壓低于開機電壓時停止發送PWM波控制逆變單元停止逆變并斷開所述開關元件。
全文摘要
本發明涉及一種并網逆變器及其控制方法，該并網逆變器包括主控單元以及依次連接的直流側電源、直流側開關、母線電容組件、逆變單元、濾波單元和斷路器；所述濾波單元至少包括濾波電容以及與所述濾波電容串聯的開關元件；所述主控單元在檢測的直流電壓達到開機電壓時發送PWM波啟動逆變單元并閉合開關元件，并在濾波單元的輸出電壓達到電網電壓時控制斷路器閉合；所述主控單元還在檢測的直流電壓低于開機電壓時控制逆變單元停止逆變并斷開開關元件。本發明通過在濾波單元的濾波電容支路增加開關元件，保證斷路器在不斷開的情況下，自由地控制并網逆變器不從電網吸收無功，減少了斷路器的分斷次數，提高了系統效率，降低了整機成本。
文檔編號H02J3/42GK102904286SQ20121040747
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者曾建友 申請人:深圳市長昊機電有限公司