一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器的制作方法

本发明涉及一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器，属于隔离、并网变流器，其利用增加的有源功率解耦电路来实现直流输入侧功率脉动的解耦。

背景技术：

在新能源发电系统中，并网变流器的输出功率含有两倍电网频率的功率纹波，而输入功率被控制为恒定的功率，输入功率与输出功率的不平衡问题，通常通过并联大电解电容来解决。由于功率纹波的频率仅为两倍工频，所需的电容值相对比较大，而且电解电容的使用寿命也是有限的，严重影响了并网变流器的寿命和稳定性。为此研究解耦功率纹波的方法，使变流器中所需的电容容量大大减小，从而可以选用容量小、寿命长的电容来替换电解电容，达到延长变流器的整体使用寿命的目的，具有十分重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述变流器所存在的技术缺陷提供一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器，既实现了单级并网，又解耦了直流输入侧低频功率脉动。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边开关管、滤波电路及电网；其中直流电源的正极接输入电容的一端，直流电源的负极、输入电容的另一端和原边开关管的发射极相连接，原边开关管的集电极接隔离变压器原边绕组的同名端，隔离变压器副边包括两个绕组，副边开关管包括两个开关管，滤波电路包括一个滤波电容和一个滤波电感，第一副边绕组的同名端接第一副边开关管的集电极，第二副边绕组的异名端接第二副边开关管的发射极，第一副边绕组的异名端、第二副边绕组的同名端、滤波电容的一端及电网的一端相连接，滤波电容的另一端、第一副边开关管的发射极、第二副边开关管的集电极及滤波电感的一端相连接，滤波电感的另一端接电网的另一端；其特征在于：

还包括有源功率解耦电路；其中有源功率解耦电路包括一个解耦电容、一个解耦开关管和两个解耦二极管，第一解耦二极管的阳极、解耦电容的一端和直流电源的正极相连接，第一解耦二极管的阴极、解耦开关管的发射极和隔离变压器原边绕组的异名端相连接，解耦开关管的集电极、解耦电容的另一端和第二解耦二极管的阴极相连接，第二解耦二极管的阳极接原边开关管的集电极。

有益效果：

本发明披露了一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器，其解耦了直流电源输入侧低频功率脉动，能延长系统的使用寿命。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过在反激变换器原边加入有源功率解耦电路来处理功率脉动，避免在直流输入侧并联体积大、可靠性低的电解电容来平滑输入功率。

附图说明

附图1是本发明的一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器主电路图。

附图2是本发明的一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器进一步等效电路图。

附图3是本发明的一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器主要工作波形示意图。

附图4～附图9是本发明的一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器的各开关模态示意图。

附图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、解耦电容电压及并网电流的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、电源电压。C_i、输入电容。S_p、原边开关管。S_s1、S_s2、均为副边开关管。S_x、为解耦开关管。D_x1、D_x2、均为解耦二极管。C_x、解耦电容。T、隔离变压器。N_p、N_s1、N_s2、隔离变压器绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。v_x、解耦电容电压。v_grid、电网电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1是一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器主电路。由直流电源V_i、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边开关管4、滤波电路5、电网6及有源功率解耦电路7组成。S_p是原边开关管，C_i是输入电容，S_x是解耦开关管，D_x1、D_x2是解耦二极管，C_x是解耦电容，T是隔离变压器，S_s1、S_s2是副边开关管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1等效为附图2所示的电路。

下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图3～附图9叙述本发明的具体工作原理。由于直流电源提供的输入功率是恒定的，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率与瞬时输出功率的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率P_i大于瞬时输出功率p_o时，电路工作于模式1状态，当输入功率P_i小于瞬时输出功率p_o时，电路工作于模式2状态。由附图3可知变流器工作于模式1或者模式2时，一个开关周期T_s均有4种开关模态，模式1时：[t₁₀-t₁₁]、[t₁₁-t₁₂]、[t₁₂-t₁₃]、[t₁₃-t₁₄]，模式2时：[t₂₀-t₂₁]、[t₂₁-t₂₂]、[t₂₂-t₂₃]、[t₂₃-t₂₄]。下面以电网电压处于正半周期时为例，对各开关模态的工作情况进行具体分析；当电网电压处于负半周期时，其工作情况与正半周期时类似，不再赘述。

在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②隔离变压器原副边匝比为：N_p∶N_s1∶N_s2＝1∶n∶n。

模式1下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₁₀-t₁₁][对应于附图4]

t₁₀时刻，原边开关管S_p开通，变压器激磁电感L_m开始储能，原边电流i_p从零开始线性上升。t₁₁时刻，电流i_p到达参考值I_{1_ref}，该模态结束。

2.开关模态2[t₁₁-t₁₂][对应于附图5]

t₁₁时刻，开关管S_p关断，变压器激磁电感电流经解耦二极管D_x2、解耦电容C_x及解耦二极管D_x1续流，变压器激磁电感承受解耦电容反向电压，由于变流器的开关频率高，在一个开关周期内解耦电容电压可看作为定值，原边电流i_p线性下降，当其下降到参考值i_{p_ref}时，副边开关管开通，此模态结束。

电流参考值i_{p_ref}可表示为

其中，T_s为开关周期，P_i为输入功率，ω为电网电压角频率。

3.开关模态3[t₁₂-t₁₃][对应于附图6]

t₁₂时刻，开通副边开关管S_s1。由于变压器副边折算到原边的电压小于解耦电容上的电压，解耦二极管承受反向电压截止，变压器激磁电感向电网输送电能。此阶段内，副边电流i_s由参考值i_{p_ref}/n线性下降到零。

4.开关模态4[t₁₃-t₁₄][对应于附图9]

t₁₃时刻，副边电流i_s下降到零。此阶段内，副边开关管依然导通，但已经没有电流流过。t₁₄时刻，副边开关管关断，此工作模态结束，并且该开关周期结束，进入下一个开关周期。

模式2下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₂₀-t₂₁][对应于附图8]

t₂₀时刻，同时开通解耦开关管S_x和原边开关管S_p，变压器激磁电感承受解耦电容电压与直流电源电压之和，原边电流i_p线性上升，当其上升到参考值i_{p_2}时，解耦开关管S_x关断，此模态结束。

2.开关模态1[t₂₁-t₂₂][对应于附图9]

t₂₁时刻，由于变压器激磁电感承受直流电源电压，原边电流i_p由参考值i_{p_2}继续上升，当其上升至参考值i_{p_ref}时，原边开关管S_p关断，此模态结束。

可以得到模式2电流参考值i_{p_2}表达式为：

3.开关模态3[t₂₂-t₂₃][对应于附图6]

t₂₂时刻，当电网电压为正时，副边开关管S_s1在模式2下始终开通，变压器激磁电感向电网释放能量。当副边电流i_s由参考值i_{p_ref}/n线性下降到零时，此模态结束。

4.开关模态4[t₂₃-t₂₄][对应于附图7]

此阶段内，副边开关管依然导通，但已没有电流流过，直至该开关周期结束，进入下一个开关周期。

图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流I_i、解耦电容电压v_x和并网电流i_grid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明能够有效解耦直流输入侧的低频功率脉动。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种基于反激电路的有源功率解耦型单相并网变流器具有以下几方面的优点：

1)增加的有源功率解耦电路承担了功率脉动，有效的抑制了输出脉动功率向直流电源侧传递。

2)元器件相对较少，控制简单易实现。

3)解耦电容也可充当吸收隔离变压器中漏感能量的缓冲电容，解决了漏感带来的问题。