一种新能源节能并网逆变装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种新能源节能并网逆变装置，包括MiniSKiiP整流逆变电路，驱动电路、IGBT1、IGBT2、微处理器、变压器T1、直流蓄能电源和继电器KT1、KT2、KT3组成。本实用新型具有变压变频范围宽、波形失真小，对电网无干扰，易于实现远程监控，具有电参数的测试、显示等功能，是满足信息时代对电源电能质量高要求的新能源节能并网逆变装置。
【专利说明】一种新能源节能并网逆变装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及逆变器，尤其涉及一种新能源节能、蓄能逆变装置。
【背景技术】
[0002] 正弦波逆变电源的输出电压是纯正弦波，是新一代的专用电源，它主要针对用户 的特点和要求设计制造，适合用户对供电电源高质量、高可靠性的要求，满足信息时代对电 源电能质量的高需求。正弦波逆变电源采用正弦波脉冲宽度调制SPWM技术，输出纯正弦 波，具有瞬态响应好、波形失真小、输出电压稳定等特点，并同时具有极佳的抗电磁干扰EMI 指标。
[0003] 正弦波变频电源广泛应用于军工、航空、精密仪器和设备以及各类电气产品的模 拟测试电源等等。迄今为止，比较先进的变频电源有模拟和数字两种：一种是利用电力电子 器件放大来实现变频、变压的模拟控制电源，其制作成本较高，难以实现大功率输出；另一 种是利用微处理器内部的PWM功能来控制大功率电力电子器件的通断来实现变频、变压， 由于微处理器对反馈信号的处理要经模/数（A/D)转换、计算和PWM输出，响应速度慢，难 以实现高精度控制，故而输出波形失真大。
[0004] 目前，国内专利一般是是单相正弦波脉宽调制变频电源的电路构成，正弦波输出 由三台单相组合而成，用微处理器80C196来实现通信，参数设定、显示、缺相保护等。在A， B，C中均设有微处理器、均设有RS232通信口，由A相向B，C二相波形发生器输出统一时钟， 使A，B，C互差120度。A相还设有锁相环实现与电网同步，此外缺相保护信号使同时停电 并报警，显示故障相。提供电压、电流、功率、频率显示。各项性能指标如下：输出电压波形 失真率彡0. 5% ;负载稳定率彡0. 2% ;功率因数彡0. 99 ;输人电压范围170V-240V ;输出电压 范围 0V-300V ;输出频率 50Hz，60Hz，400Hz 及 47-63 可调。
[0005] 总结已有专利和技术的缺点是：（1)使用分立器件的模拟控制，实现和调试困难， 全数字控制技术是将来的发展方向；（2)已有的方案都是针对单相正弦波电源，没有成熟 的纯正弦波电源方案；（3)由三个独立的单相电源构成正弦波电源，需要三个微处理器，显 然控制复杂和造价太高，没有实际意义。
[0006] SPWM技术是现代电力电子变换控制的核心技术。传统的产生SPWM信号的技术 是采用微机和可编程定时器，通过实时计算或查表方法产生所需要的波形。有的集成电路 芯片本身的功能存在缺陷，致使它们的实际应用受到限制，例如HEF4752生成的SPWM信号 的最大开关频率在1kHz以下，只适应于以BJT或GT0为开关器件的逆变器，而不适用于以 IGBT为开关器件的逆变器。本实用新型具有电路结构简单、全数字控制、不占用微机资源等 优点。本实用新型的目的是提供一种全数字控制的、输出电压与电网电压同步的新能源节 能并网逆变装置装置，具有变压变频范围宽、波形失真小，对电网无干扰，易于实现远程监 控，具有电参数的测试、显示等功能，是满足信息时代对电源电能质量高要求的新能源节能 并网逆变装置。
【发明内容】
[0007] 可再生能源发电已经成为一项解决世界可持续和清洁能源供应问题的全球性议 程。可再生能源，如风力，太阳能以及微水电，都需要并网逆变器，以实现功率从电源侧到电 网侧的流动。因此，并网逆变器是可再生能源发电的关键性因素。为解决上述问题，本实用 新型的目的在于提供一种新能源节能并网逆变装置，不仅结构简单、易于实现，并且能自动 补偿优化，能根据现场工况自动充电、蓄能，可消除电源极化现象，具有一定实用价值和推 广性。
[0008] 本实用新型一种新能源节能并网逆变装置，包括MiniSKiiP整流逆变电路，驱动 电路、IGBT1、IGBT2、微处理器、变压器T1、直流蓄能电源和继电器KT1、KT2包括KT2-1、 KT2-2、KT3包括KT3-UKT3-2组成；继电器分别与电网/负载、直流蓄能电源、变压器T1相 连接，变压器Τ1与MiniSKiiP整流逆变电路、IGBT1、IGBT2依次相连接，MiniSKiiP整流逆 变电路与驱动电路、微处理器依次相连接。
[0009] 本实用新型所述微处理器采用ARM9E-S。
[0010] 本实用新型所述直流蓄能电源为DC176V，作为的直流储能电源，能够随时供逆变 使用。
[0011] 本实用新型在所述继电器KT2-1处并联增加设置了强启开关T，在急需供电时，能 够通过打开强启开关T，强行供电。
[0012] 本实用新型可对输入整流及功率因数进行调整，每一部分独立设计、制造、调试， 采用即插即用结构。可对输入50Hz交流电经整流及功率因数校正芯片后变为稳定的380V 直流电压，使功率因数提高到〇. 99以上；MiniSKiiP芯片组件首先把380V直流电变为含有 正弦低频分量的高频交流电，经变压器降压，快恢复二极管整流，电容滤波，得到正弦整流 后的波形；DC/AC进行简单的变换将正弦整流后的波形变为正弦波输出。该电路采用双环 控制，内环为瞬时控制，外环为有效值控制。
[0013] 本实用新型的有益效果是：
[0014] (1)由于IGBT工作频率较高，开关频率高会增大开关损耗，并在IGBT的集电极产 生浪涌电压，造成器件过热，甚至损坏。但若改变并联缓冲器的工作点，将IGBT的工作点限 制在安全区内，限制IGBT过电压、过电流，则可降低其开关损耗。并联缓冲器的使用一般有 三种形式，一是吸收电阻-电容-二极管（RCD)与器件并联，二是RCD与单个桥臂并联，另 外是RCD与逆变器并联，考虑到缓冲器的吸收效果、RS的耗散功率以及反馈能量，本实用新 型选择逆变器单桥臂并联缓冲器吸收电路。如吸收电阻过小，吸收回路出现电流振荡，IGBT 导通时使集电极电流尖峰值也增大，因此在满足条件的前提下，吸收电阻取大为好；吸收二 极管的选择对吸收有明显影响，应选择快速恢复二极管。注意吸收回路的引线电感对吸收 影响很大，应尽量缩短引线。
[0015] (2) SPWM技术是现代电力电子变换控制的核心技术。传统的产生SPWM信号的技 术是采用微机和可编程定时器，通过实时计算或查表方法产生所需要的波形。有的集成电 路芯片本身的功能存在缺陷，致使它们的实际应用受到限制，例如HEF4752生成的SPWM信 号的最大开关频率在1kHz以下，只适应于以BJT或GT0为开关器件的逆变器，而不适用于 以IGBT为开关器件的逆变器。本实用新型具有电路结构简单、全数字控制、不占用微机资 源等优点。本实用新型的目的是提供一种全数字控制的、输出电压与电网电压同步的新能 源节能并网逆变装置装置，具有变压变频范围宽、波形失真小，对电网无干扰，易于实现远 程监控，具有电参数的测试、显示等功能，是满足信息时代对电源电能质量高要求的新能源 节能并网逆变装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的结构示意图；
[0017] 图2为本实用新型的电路原理图；
[0018] 图3为本实用新型所述MiniSKiiP芯片组件及驱动电路的电路连接图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图详细说明本实用新型。
[0020] 参见图1，本实用新型一种新能源节能并网逆变装置，它包括MiniSKiiP整流逆变 电路、驱动电路、IGBT1、IGBT2、微处理器、变压器T1、直流蓄能电源和继电器KT1、KT2包括 KT2-1、KT2-2、KT3包括KT3-UKT3-2组成；继电器分别与电网/负载、直流蓄能电源、变压 器Τ1相连接，变压器Τ1与MiniSKiiP整流逆变电路、IGBTUIGBT2依次相连接，MiniSKiiP 整流逆变电路与驱动电路、微处理器依次相连接。
[0021] 所述微处理器采用ARM9E-S。
[0022] 所述直流蓄能电源为DC176V，作为的直流储能电源，能够随时供逆变使用。
[0023] 所述继电器KT2-1处并联增加设置了强启开关T，在急需供电时，能够通过打开强 启开关T，强行供电。
[0024] 所述MiniSKiiP整流逆变电路：MiniSKiiP芯片组件是德国SEMIKR0N公司生 产的，带通信输入桥式芯片组件的6单元芯片可达150A，在整流-逆变芯片组件领域， SEMIKR0N公司的全球市场占有率为30%，在欧洲的市场占有率高达52%以上。
[0025] 所述驱动电路由SA4828、EXB841、电阻、电容和IRF641等电路组成。
[0026] 所述IGBT1和IGBT2是电压控制型器件，作为一种大功率的复合器件，耐压能做到 1000多伏，电流能做到200安培以上，而且开关速度快，能保证电路工作的更加稳定。在这 里IGBT是双用的，在逆变的时候，它形成一个全桥的电路，通过SPWM波控制电路的开断， 从而形成变压器T1初级的SPWM能量，并在变压器T1次级形成正弦波。逆变与整流使用 IGBT1和IGBT2,只是控制它的波形由SPWM波变成占空比可调的方波，它们的驱动电路均是 由EXB841来完成的。通过IGBT1和IGBT2的充电电流是变化的，通过传感器检测电路，微处 理器和MiniSKiiP芯片将占空比控制在合适的比例，并适时地加入放电，改善充电接受率， 并有效地去极化，能够使直流蓄能电源在最短的时间内充电。对与那些被其它充电方法盐 化了的电源具有修复作用，能够延长电源寿命。
[0027] 所述微处理器采用ARM9E-S，具有以下特点：32bit定点RISC处理器，改进型ARM/ Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时（real-time)调试；片内指令和数据SRAM， 而且指令和数据的存储器容量可调；具有片内指令和数据高速缓冲器（cache)容量从4K字 节到1M字节；采用AMBAAHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线等功能。
[0028] 所述变压器T1的极性是可逆的，逆变时的初级是充电时的次级，逆变时的次级是 充电时的初级。
[0029] 所述继电器KT1、KT2包括KT2-1、KT2-2、KT3包括KT3-UKT3-2为直流回路、交流 输入和交流输出的回路控制。
[0030] 主电路由整流、滤波、逆变、驱动等构成，参见图2,交流输入L和Ν之间为AC220V， 它的一端端接继电器ΚΤ3的一组常开触点，再接继电器ΚΤ2的一组常开触点到MiniSKiiP 整流逆变电路U0的A极。其中，继电器KT2的一组KT2-2又并联接了电阻R21，输入AC220V 的一端直接接MiniSKiiP整流逆变电路U0的B极。
[0031] 参见图2,电源输入为DC176V，它的正端接200A熔断器FUSE200A后接继电器KT2 的第二组常开触点一端，继电器KT2该组常开触点另一端到MiniSKiiP整流逆变电路U0的 C极。其中，继电器的KT2另一组KT2-1又并联接了电阻R22和强启开关T的串联电路；电 源输入DC176V，它的负端直接接MiniSKiiP整流逆变电路U0的负极。
[0032] 参见图2, IRF641管Q1起放电作用，接在继电器KT2-1和熔断器FUSE200A后面， 起到保护作用，它的漏极串放电电阻R33,再接电源负极，它的源极接电源的正极。
[0033] 参见图2, IGBT1和IGBT2的Gl，G2, El，E2栅极分别接来自主线路板的信号，它 们的C1极联结到一起接MiniSKiiP整流逆变电路U0正极，它们的E2栅极联结到一起接 MiniSKiiP整流逆变电路U0负极，它们的C2E1极接变压器T1的176V端。另外，MiniSKiiP 整流逆变电路U0正负极间接大型电解电容Cl 1，大型电解电容Cl 1使用范围为3000 μ F? 10000 μ F，优选 5500 μ F。
[0034] 参见图2,变压器Τ1的另一绕组即220V的绕组，是逆变时220VAC输出端。它两 端接一大电容器C22,连接到继电器ΚΤ1后接到交流输出端，C22使用范围为5000yF? 10000 μ F，优选7000 μ F。同时，其中的任一端串继电器KT3后接单相整流桥U6的一个交流 输入端，另一端接U6另一组的交流端，单相整流桥U6的输出负极接电源的负极，D' 2的正 极接MiniSKiiP整流逆变电路U0的C极。继电器ΚΤ1的固定点接交流输出，两组常开点接 变压器T1的输出，两组常闭点接交流输入，为大电网市电和逆变之间的切换。
[0035] 参见图3, MiniSKiiP芯片U2的P5. 4脚接SA4828的第3脚；SA4828的第2脚接 5V电源，这个电源由DC/DC开关电源提供，SA4828的8脚并联接电阻R2、电容C4、电容C3， 同时接开关电源来的隔离的直流电压源DC24V高电平；SA4828的第5脚接开关电源的隔离 的24V低电平，并联连接电容C3、C4、C5、稳压管Z1的正极；稳压管Z1的负极分别接电容 C6、IRF641管Q1的漏极、电容C5和电阻R2 ;IRF641管Q1的栅极接电阻R1，电阻R3接电容 C6,形成去毛刺和尖峰电路，再接在IRF641管Q1的源极和漏极。
[0036] 参见图3, MiniSKiiP芯片U2的四个引脚P6. 0接U3的第12脚，P6. 1接U3的第 10脚，P6. 2接U4的第12脚，P6. 3接U4的第10脚，它们输出SPWM波，通过U3，U4的驱动， 形成隔离的驱动电压来驱动IGBT开关电路。U2的P6. 7并接U3、U4的第11脚。U3的第7 脚并联连接二极管D1负极和电阻R8、U4的第7脚并联连接二极管D3负极和电阻R10,然后 分别对应接IGBT1和IGBT2的G1栅极；U3第6脚都接一瓷片电容C11和一电解电容C13的 正极，同时接二极管DF1的负极，二极管DF1的正极接开关电源的DC20V ;U4的第6脚都接 瓷片电容C12和电解电容C14的正极，同时接二极管DF2的负极，二极管DF2的正极接开关 电源的DC20V。U3第5脚接瓷片电容C11和电解电容C13的负极，U4的第5脚接瓷片电容 C12和电解电容C14的负极。U3和U4的第5脚分别通过P1和P2接到IGB1的E1和IGBT2 的El ;U3和U4的第4脚悬空，U3和U4的第3脚接开关电源提供的15V直流高电平，U3和 U4的第2脚接开关电源的地电位，同时分别接到图2中IGBT1的E2和IBBT2的E2。U3的 第1脚并联连接二极管D2负极和电阻R9 ;U4的第1脚并联连接二极管D4负极和电阻R12， 然后通过N1和N2的1端分别对应接到图2中IGBT1和IGBT2的G2栅极。
[0037] 参见图3，MiniSKiiP芯片的另1个脚P0. 2接外部传感器的信号输出端，对电源的 工作电流和充电电流进行监控，根据反馈进行调节电压、电流和决定放电最佳合理的时间。
[0038] 将本实用新型的输入端接入大电网，输出端接用负荷电力电器设备，本实用新型 一种新能源节能并网逆变装置的工作方式为以下两种：
[0039] ( 1)工作方式一：电力逆变
[0040] 当市电大电网电压不在176V至242V范围时。
[0041] 通过外部传感器检测电路检测，当市电电网电压不在176V至242V范围时，设备转 入应急工作状态，它在〇. 1秒以内把电源输出转到逆变输出，具体工作过程如下：
[0042] 首先，市电停电时，线路板的电源是依靠直流蓄能电源DC/DC开关电源供电的，而 DC/DC开关电源是依靠电源供电的，即使电源的电压很低，DC/DC开关电源也能输出平稳的 直流电源，从而保证了主线路板工作可靠稳定。
[0043] 传感器检测电路以很高的速度检测市电状态，当其发现市电不在176V至242V范 围时，立即选择逆变程序运行，继电器动作KT3,切开市电对MiniSKiiP整流逆变电路U0的 输入，继电器KT2动作，连接电源到IGBT1和IGBT2的通道，同时，继电器KT1动作，交流输出 自动由市电切换到逆变变压器T1的输出端。此时，MiniSKiiP芯片U2已经能够发出SPWM 波，经过U3、U4(EXB841)和SA4828的驱动，信号完成自举和隔离，四路SPWM波在加到IGBT1 和IGBT2上后控制IGBT的开关，IGBT1和IGBT2和变压器T1形成全桥电路，在IGBT1和 IGBT2的C2E1脚连接变压器T1的176V绕组，在变压器T1的220V绕组我们会得到220V的 正弦波，当负载变化时，传感器检测电路就会将电压变化的信息反馈给U2, U2根据反馈，将 SPWM波进行调整，从而调整电压，保证电压的稳定。
[0044] 变压器T1是工频变压器，变压器T1的输出端有一个电容C22,可对调节输出平滑 电路，具有抗干扰和去除尖峰、毛刺功能，接在IGBT1和IGBT2的C1和E1极的大电容C11 起到储能和缓冲的作用，它使电源能提供平稳的电平。
[0045] 外部传感器不断检测电压和电流的大小，当系统电流过大，超过200A时，为本实 用新型的微处理器向MiniSKiiP芯片U2发出指令，关闭IGBT1和IGBT2,并关闭继电器，保 护本实用新型和外接电器不受损害。
[0046] MiniSKiiP芯片U2接受外部传感器电源电压过低时，U2反馈给本实用新型的微处 理器，之后微处理器向U2发送指令，关闭继电器，自动停止逆变。本实用新型考虑若遇到很 紧急需要供电的情况，在继电器KT2-1处并联增加安设了强启开关T;必须供电时，可以通 过打开强启开关T，强行供电。
[0047] (2)工作方式二：快速充电
[0048] 当市电在176V至242V范围时。应急电源工作在旁路状态，继电器KT1将交流输 入直接接到交流输出。
[0049] 这时，外部传感器检测电路将检测来的电源电压信号传给MiniSKiiP芯片U2, U2 将数据反馈至微处理器，微处理器对数据和程序内预设值进行比较，当发现电源电压低于 预设定的充电值时，微处理器向U2就开始调用充电程序对电源进行充电。具体的过程为：
[0050] 首先，MiniSKiiP芯片U2巡检电路对电源进行巡检，不断扫描电源的状态，当发现 电源电压低于规定充电阀值时，微处理器向U2程序转入充电程序，随后U2从P6. 0, P6. 1， P6. 2和P6. 3 口输出方波信号。方波经U3，U4两个EXB841完成自举、隔离并驱动IGBT1和 IGBT2。同时继电器KT3的第一、二组常开闭合，MiniSKiiP整流逆变电路U0分别连接到 IGBT1和IGBT2的C1和E2脚，交流220V电经过MiniSKiiP整流逆变电路U0后被整成直 流电，再在电容C11的滤波下形成波形平直的约380V的直流电，在栅极控制下，形成方波， 此时的频率为50Hz，连接在变压器T1的初级，在变压器T1的次级，即220V绕组输出端，形 成与市电隔离的方波。输出的交流方波再经单相整流桥U6整流形成直流脉冲波，对电源进 行充电，通过外部传感器的反馈，微处理器和MiniSKiiP芯片U2调节脉冲的占空比或频率， 从而达到调整充电稳定电流和能进行电流渐变的目的。充电达到一段时间后，U2检测电源 的电压，当电源充电达到出气点时（2. 7V单体)，停止充电，然后进行大电流放电去极化，时 间是2ms，具体放电的控制信号是微处理器控制U2,并从U2的P5. 4引脚发出至SA4828上 隔离，放大，再驱动IRF641管Q1，Q1受控制信号作用开通，使电源大电流瞬时放电。放电后 再检测电源状态，进行去极化效果的检测，达到去极化效果就回转充电，否则再次进行去极 化，如果连续放电多次，发现电源电压变化极小，则充电完成并结束充电状态。这样可大范 围地提高充电速度，而且能延长电源的寿命。
【权利要求】
1. 一种新能源节能并网逆变装置，包括MiniSKiiP整流逆变电路，驱动电路、IGBT1、 IGBT2、微处理器、变压器T1、直流蓄能电源和继电器KT1、KT2包括KT2-1、KT2-2、KT3包括 KT3-1、KT3-2组成；其特征在于，继电器分别与电网/负载、直流蓄能电源、变压器T1相连 接，变压器T1与MiniSKiiP整流逆变电路、IGBT1、IGBT2依次相连接，MiniSKiiP整流逆变 电路与驱动电路、微处理器依次相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种新能源节能并网逆变装置，其特征在于，所述微处理器 采用 ARM9E-S。
3. 根据权利要求1所述的一种新能源节能并网逆变装置，其特征在于，所述直流蓄能 电源为DC176V。
4. 根据权利要求1所述的一种新能源节能并网逆变装置，其特征在于，在继电器KT2-1 处并联增加设置了强启开关T。
【文档编号】H02M7/48GK203840229SQ201420149029
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】沈鑫, 曹敏, 丁心志, 王昕 , 王洪亮, 唐标 申请人:云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院, 云南电网公司技术分公司