专利名称：微小功率并网逆变器谐波抑制系统和方法
技术领域：
本发明涉及到并网逆变器谐流电流校正与抑制技术，具体是一种应用于微小型功率并网逆变电源产品不需要主控MCU参与控制的小型功率逆变器谐波抑制系统和方法。
背景技术：
并网技术中，并到电网的电流与电网电流同频、同相，且并到电网的电流的幅值与电网电流的幅值成比例变化，此时基本不 生谐波，否则会产生大量谐波，污染公用电网。现有大型并网逆变器主要采用功能强大的DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)芯片进行系统监控，输出电流波形、并网相位及频率控制，该类DSP芯片造价昂贵，在微小功率并网逆变电源使用造成产品成本过高，不利产品应用推广。由于成本压力，目前微小功率并网逆变电源主要采用单级隔离SPWM(英文全称为Sinusoidal Pulse Width Modulation,—种脉冲宽度调制方法)加全桥低频换相电路拓扑结构，配置相对低价位MCU进行相位跟踪及保护功能控制。产品在并网工作时，跟踪相位、频率出现误差及电网电压波形自身失真时容易出输出电流波形失真而引起电流谐波失真现象，而该MCU运算能力比较差不具备输出电流波形实时运算及跟踪处理能力，造成输出电流谐波无法抑制及校正，影响产品性能及安规认证无法通过。
发明内容
为此，本发明所要解决的是现有的微小功率并网逆变采用MCU抑制谐波因MCU运算能力差带来的不具备输出电流波形实时跟踪进而造成输出电流谐波无法抑制及校正的技术问题，提供一种可实时跟踪电网电压波形进而实现输出电流与电网电压幅值成比例的微小功率逆变器谐波抑制系统和方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下一种微小功率并网逆变器谐波抑制系统，包括电网电压采集模块，输入端接电网电压整流后的得到倍频正半周正弦电网电压，并将所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与输入的电网电压同频、同相的正弦波形电压并输出；恒脉宽PWM变换模块，产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出；PWM调制模块，输入端分别与所述电网电压采集模块和所述恒脉宽PWM变换模块的输出端相连，对输入的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号并输出； PWM驱动模块，输入端与所述PWM调制模块的输出端相连，对输入的PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形并输出；谐波抑制调节模块，输入端与所述PWM驱动模块的输出端相连，控制受控开关元件的导通时间，跟踪电网幅度变化，从而调节输出电流波形的幅度与电网电压形成同步。
上述微小功率并网逆变器谐波抑制系统，还包括，DC/DC变换模块，输入端与低压直流电源相连，将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出；滤波模块，输入端与所述DC/DC变换模块的输出端和所述谐波抑制调节模块的输出端连接，对所述DC/DC变换模块输出的所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压；全桥逆变模块，输入端与所述滤波模块的输出端相连，用于对所述滤波模块输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，得到倍频全周期正弦直流电压并输出。所述谐波抑制调节模块包括电阻Rl、电阻R2、电阻R10、电感L3和MOS管Ql，其中，所述电阻RlO和所述电阻R2的一端相连且它们的连接点与所述MOS管Ql的栅极相连；所述MOS管Ql的源极分别与所述电感L3和所述电阻Rl的一端相连，所述MOS管Ql的漏极与所述电阻Rl的另一端相连且它们的连接点构成所述谐波抑制调节模块的输出端；所述电感L3不与所述电阻Rl直接相连的另一端接地。所述电网电压采集模块包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C2和放大器U2A，其中，所述电阻R8和所述电阻R9串联连接，所述电阻R9远离所述电阻R8的一端构成所述电网电压采集模块的一个输入端，所述电阻R8远离所述电阻R9的一端与所述电阻R7的一端相连且它们连接点与所述放大器U2A的同相输入端相连；所述电阻R7的另一端与所述电阻R6的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块的另一个输入端；不与所述电阻R7直接相连的所述电阻R6的另一端与所述电阻R5相连且它们的连接点与所述放大器U2A的反相输入端相连；所述电阻R5的另一端与所述放大器U2A的输出端相连且它们的连接点与所述电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与所述电容C2的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块的输出端，所述电容C2的另一端接地。所述恒脉宽PWM变换模块包括电容C3和电阻RlI，其中，所述电容C3和所述电阻Rll相连且它们的连接点构成所述恒脉宽PWM变换模块的输出端，所述电阻Rll不与所述电容C3直接相连的一端构成所述恒脉宽PWM变换模块的输入端；所述电容C3不与所述电阻Rn直接相连的一端接地。所述PWM调制模块为放大器U2B，其中，所述放大器U2B的同相输入端构成所述PWM调制模块与所述电网电压采集模块连接的所述输入端；所述放大器U2B的反相输入端构成所述PWM调制模块与所述恒脉宽PWM变换模块相连的所述输入端；所述放大器U2B的输出端构成所述PWM调制模块的输出端。所述PWM驱动模块包括电阻R3、三极管Q2和三极管Q3，其中，所述三极管Q2的基极和所述三极管Q3的基极相连且它们的连接点与所述电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端构成所述PWM驱动模块的输入端；所述三极管Q2的发射极和所述三极管Q3的发射极相连且它们的连接点构成所述PWM驱动模块的输出端，所述三极管Q2的集电极接电源，所述三极管Q3的的集电极接地。同时，提供一种使用上述微小功率并网逆变器谐波抑制系统实现的微小功率并网逆变器谐波抑制方法，包括如下步骤，①将电网电压经过全桥整流得到倍频正半周正弦电网电压；
②经所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与所述倍频正半周正弦电网电压同频、同相、幅度一定的正弦波形电压；③恒脉宽PWM变换模块，产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出；④对所述步骤②和所述步骤③中得到的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号；
⑤对所述PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形；⑥根据所述步骤⑤中的PWM驱动波形实时控制受控开关元件导通时间和关闭时间，进而使输出电流大小跟随电网电压波形幅度正比输出。⑦将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出；⑧对所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压；⑨对所述滤波模块输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，输出电能到电网。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点本发明提供了一种微小功率并网逆变器谐波抑制系统和方法，通过电网电压采集模块、恒脉宽PWM变换模块、PWM调制模块、PWM驱动模块和谐波抑制调节模块控制并网电流与电网电压成比例变化，仅仅通过电路即可实现，谐波抑制效果好，弥补了现有微小功率逆变器使用的低价位MCU不能很好的跟踪电网电压带来的缺陷。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图I为本发明一个实施例微小功率逆变器谐波抑制系统的结构方框图；图2为本发明一个实施例微小功率逆变器谐波抑制系统的电路结构图；图中附图标记表示为I-电网电压采集模块，2-恒脉宽PWM变换模块，3-PWM调制模块，4-PWM驱动模块，5-谐波抑制调节模块，6-DC/DC变换模块，7-滤波模块，8-全桥逆变模块。
具体实施例方式参见图I和图2所示，本发明一个实施例的微小功率逆变器谐波抑制系统包括电网电压采集模块I，输入端接电网电压整流后的得到倍频正半周正弦电网电压，并将所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与输入的电网电压同频、同相、预定幅度的正弦波形电压并输出；恒脉宽PWM变换模块2，产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出；PWM调制模块3，输入端分别与所述电网电压采集模块I和所述恒脉宽PWM变换模块2的输出端相连，对输入的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号并输出；PWM驱动模块4，输入端与所述PWM调制模块3的输出端相连，对输入的PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形并输出；谐波抑制调节模块5，输入端与所述PWM驱动模块4的输出端相连，控制受控导通元件的导通时间，跟踪电网频相、幅度变化，从而调节输出电流波形的相位、幅度与电网电压形成同步，抑制各次谐波。DC/DC变换模块6，输入端与低压直流电源相 连，将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出；滤波模块7，输入端与所述DC/DC变换模块6的输出端和所述谐波抑制调节模块5的输出端连接，对所述DC/DC变换模块6输出的所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压；全桥逆变模块8，输入端与所述滤波模块7的输出端相连，用于对所述滤波模块7输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，得到倍频全周期正弦直流电压并输出。其中，所述电网电压采集模块I包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C2和放大器U2A，其中，所述电阻R8和所述电阻R9串联连接，所述电阻R9远离所述电阻R8的一端构成所述电网电压采集模块I的一个输入端，所述电阻R8远离所述电阻R9的一端与所述电阻R7的一端相连且它们连接点与所述放大器U2A的同相输入端相连；所述电阻R7的另一端与所述电阻R6的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块I的另一个输入端；不与所述电阻R7直接相连的所述电阻R6的另一端与所述电阻R5相连且它们的连接点与所述放大器U2A的反相输入端相连；所述电阻R5的另一端与所述放大器U2A的输出端相连且它们的连接点与所述电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与所述电容C2的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块I的输出端，所述电容C2的另一端接地。所述恒脉宽PWM变换模块2包括电容C3和电阻R11，其中，所述电容C3和所述电阻Rll相连且它们的连接点构成所述恒脉宽PWM变换模块2的输出端，所述电阻Rll不与所述电容C3直接相连的一端构成所述恒脉宽PWM变换模块2的输入端；所述电容C3不与所述电阻Rll直接相连的一端接地。所述PWM调制模块3为放大器U2B，其中，所述放大器U2B的同相输入端构成所述PWM调制模块3与所述电网电压采集模块I连接的所述输入端；所述放大器U2B的反相输入端构成所述PWM调制模块3与所述恒脉宽PWM变换模块2相连的所述输入端；所述放大器U2B的输出端构成所述PWM调制模块3的输出端。所述PWM驱动模块4包括电阻R3、三极管Q2和三极管Q3，其中，所述三极管Q2的基极和所述三极管Q3的基极相连且它们的连接点与所述电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端构成所述PWM驱动模块4的输入端；所述三极管Q2的发射极和所述三极管Q3的发射极相连且它们的连接点构成所述PWM驱动模块4的输出端，所述三极管Q2的集电极接电源，所述三极管Q3的的集电极接地。所述谐波抑制调节模块5包括电阻R1、电阻R2、电阻R10、电感L3和MOS管(金属(metal)-氧化物(oxid)-半导体(semiconductor)场效应晶体管)Q1，其中，所述电阻RlO和所述电阻R2的一端相连且它们的连接点与所述MOS管Ql的栅极相连；所述MOS管Ql的源极分别与所述电感L3和所述电阻Rl的一端相连，所述MOS管Ql的漏极与所述电阻Rl的另一端相连且它们的连接点构成所述谐波抑制调节模块5的输出端；所述电感L3不与所述电阻Rl直接相连的另一端接地。本发明的上述谐波抑制系统实际上提供了一种抑制校正电路，是一种回路插入调制式方法，主要由所述电网电压采集模块I、恒脉宽PWM变换模块恒脉宽PWM变换模块2、PWM 调制模块3、PWM驱动模块4、谐波抑制调节模块5组成，其中，电网电压采集模块I中的U2A为比例放大器，完成对电网电压波形进行缩放，输出与电网频率、相位相同，幅度比例缩小的电压波形；所述恒同脉宽PWM变换模块输出的等幅三角波，电网电压采集模块I输出的正弦波形电压及恒脉宽PWM变换模块2输出等幅三角波形送到U2B输入端进行幅度比较，U2B输出一个占空比随电网电压幅度正比变化的PWM经U2B调制后，输出的所述PWM经所述PWM驱动模块PWM驱动模块4整形及电流放大后，驱动MOS管Ql导通与截止，实现输出电流跟随电网电压变化的控制。Rl为抑制校正电路线性补偿电阻，阻值大小根据电路参数设定。在MCU跟踪电网相位及频率出现误差，在电网波形在零点时容易出现并网逆变电源现与电网电压相位相反，并网时会产生尖峰电流，此时因电网电压幅度较低，输出PWM占空比较小，产品输出电流主要经过Rl回路，通过其阻值对尖峰电流进行抑制及较正。随着电网电压幅度上升，RI补偿作用逐步减小，输出电流主要由PWM占空比控制，而PWM占空比大小与电网电压幅度成正比关系，从而使输出电流大小跟随电网电压波形幅度正比输出，实现输出电流谐波抑制校正。对本领域技术人员而言，上述实施例中的所述电网电压采集模块I、所述恒脉宽PWM变换模块2、所述PWM调制模块3、所述PWM驱动模块4和所述谐波抑制调节模块5 —起实现了电网电压幅值的跟踪，配合所述DC/DC变换模块6、所述滤波模块7和所述全桥逆变模块8实现无谐波并网。作为上述实施例的变形，所述MOS管Ql可为其他受控开关元件代替，比如其他形式的场效应晶体管、三极管和晶闸管等，只要能起到受控导通、关闭即能实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。作为本发明的其他实施例，所述电网电压采集模块I、恒脉宽PWM变换模块2、PWM调制模块3、PWM驱动模块4、谐波抑制调节模块5至少之一可由现有技术中的具有同样功能的其他电路结构替换，同样实现本发明的目的，属于本发明的保护范围。上述微小功率并网逆变器谐波抑制系统实现的微小功率并网逆变器谐波抑制方法，包括如下步骤，SOl :将电网电压经过全桥整流得到倍频正半周正弦电网电压；S02 :经所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与所述倍频正半周正弦电网电压同频、同相、幅度一定的正弦波形电压；S03 :产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出；S04 :对所述步骤S02和所述步骤S03中得到的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号； S05 :对所述PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形；S06 :根据所述步骤S05中的PWM驱动波形实时控制受控开关元件导通时间和关闭时间，进而使输出电流大小跟随电网电压波形幅度正比输；S07 :将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出；S08:对所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压；S09 :对所述滤波模块7输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，输出电能到电网。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1.一种微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于，包括 电网电压采集模块，输入端接电网电压整流后的得到倍频正半周正弦电网电压，并将所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与输入的电网电压同频、同相的正弦波形电压并输出； 恒脉宽PWM变换模块，产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出； PWM调制模块，输入端分别与所述电网电压采集模块和所述恒脉宽PWM变换模块的输出端相连，对输入的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号并输出； PWM驱动模块，输入端与所述PWM调制模块的输出端相连，对输入的PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形并输出； 谐波抑制调节模块，输入端与所述PWM驱动模块的输出端相连，控制受控开关元件的导通时间，跟踪电网幅度变化，从而调节输出电流波形的幅度与电网电压形成同步。
2.根据权利要求I所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于还包括， DC/DC变换模块，输入端与低压直流电源相连，将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出； 滤波模块，输入端与所述DC/DC变换模块的输出端和所述谐波抑制调节模块的输出端连接，对所述DC/DC变换模块输出的所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压； 全桥逆变模块，输入端与所述滤波模块的输出端相连，用于对所述滤波模块输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，得到倍频全周期正弦直流电压并输出。
3.根据权利要求I或2所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于所述谐波抑制调节模块包括电阻R1、电阻R2、电阻R10、电感L3和MOS管Q1，其中，所述电阻RlO和所述电阻R2的一端相连且它们的连接点与所述MOS管Ql的栅极相连；所述MOS管Ql的源极分别与所述电感L3和所述电阻Rl的一端相连，所述MOS管Ql的漏极与所述电阻Rl的另一端相连且它们的连接点构成所述谐波抑制调节模块的输出端；所述电感L3不与所述电阻Rl直接相连的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于所述电网电压采集模块包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C2和放大器U2A，其中，所述电阻R8和所述电阻R9串联连接，所述电阻R9远离所述电阻R8的一端构成所述电网电压采集模块的一个输入端，所述电阻R8远离所述电阻R9的一端与所述电阻R7的一端相连且它们连接点与所述放大器U2A的同相输入端相连；所述电阻R7的另一端与所述电阻R6的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块的另一个输入端；不与所述电阻R7直接相连的所述电阻R6的另一端与所述电阻R5相连且它们的连接点与所述放大器U2A的反相输入端相连；所述电阻R5的另一端与所述放大器U2A的输出端相连且它们的连接点与所述电阻R4的一端相连，所述电阻R4的另一端与所述电容C2的一端相连且它们的连接点构成所述电网电压采集模块的输出端，所述电容C2的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于所述恒脉宽PWM变换模块包括电容C3和电阻RlI，其中，所述电容C3和所述电阻Rll相连且它们的连接点构成所述恒脉宽PWM变换模块的输出端，所述电阻Rll不与所述电容C3直接相连的一端构成所述恒脉宽PWM变换模块的输入端；所述电容C3不与所述电阻Rll直接相连的一端接地。
6.根据权利要求5所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于所述PWM调制模块为放大器U2B，其中，所述放大器U2B的同相输入端构成所述PWM调制模块与所述电网电压采集模块连接的所述输入端；所述放大器U2B的反相输入端构成所述PWM调制模块与所述恒脉宽PWM变换模块相连的所述输入端；所述放大器U2B的输出端构成所述PWM调制模块的输出端。
7.根据权利要求6所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统，其特征在于所述PWM驱动模块包括电阻R3、三极管Q2和三极管Q3，其中，所述三极管Q2的基极和所述三极管Q3的基极相连且它们的连接点与所述电阻R3的一端相连，所述电阻R3的另一端构成所述PWM驱动模块的输入端；所述三极管Q2的发射极和所述三极管Q3的发射极相连且它们的连接点构成所述PWM驱动模块的输出端，所述三极管Q2的集电极接电源，所述三极管Q3的的集电极接地。
8.一种使用如权利要求1-7任一所述的微小功率并网逆变器谐波抑制系统实现的微小功率并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于包括如下步骤， ①将电网电压经过全桥整流得到倍频正半周正弦电网电压； ②经所述倍频正半周正弦电网电压进行比例缩放，得到与所述倍频正半周正弦电网电压同频、同相、幅度一定的正弦波形电压； ③产生一个高频固定占空比的PWM，并将所述PWM通过积分电路转换成同频的三角波输出； ④对所述步骤②和所述步骤③中得到的所述正弦波形电压与所述三角波进行调制，得到一个与输入正弦电压同相、且占空比跟随正弦波形幅度正比例变化的PWM调制脉冲信号; ⑤对所述PWM调制脉冲信号进行幅度整形及电流放大后得到PWM驱动波形； ⑥根据所述步骤⑤中的PWM驱动波形实时控制受控开关元件导通时间和关闭时间，进而使输出电流大小跟随电网电压波形幅度正比输出。
9.根据权利要求8所述的微小功率并网逆变器谐波抑制方法，其特征在于在所述步骤⑥之后还包括如下步骤， ⑦将输入的低压直流电压变换成跟随电网相位、频率同步倍频半周期的直流高电压并输出； ⑧对所述直流高电压进行低通滤波，输出只含低频包络的倍频半周期正弦直流电压； ⑨对所述滤波模块输出的倍频半周期正弦直流电压进行交流相位变换，输出电能到电网。
全文摘要
本发明涉及一种微小功率并网逆变器谐波抑制系统和方法，具体提供了一种抑制校正电路，通过电网电压采集模块、恒脉宽PWM变换模块、PWM调制模块、PWM驱动模块和谐波抑制调节模块控制并网电流与电网电压成比例变化，仅仅通过电路即可实现，谐波抑制效果好，弥补了现有微小功率逆变器使用的低价位MCU不能很好的跟踪电网电压带来的缺陷。
文档编号H02M1/12GK102624208SQ20121012137
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者章华岁, 郑明亮, 黄耀林 申请人:乐清市海鸟能源科技有限公司