实现逆变交流电高精度可调的逆变装置及方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及实现逆变交流电高精度可调的逆变装置及方法。

背景技术：

逆变的基本原理是将直流变成交流，一般交流输出电压、频率等固定，大多用于并入电网，如太阳能并网逆变器。另一种在行业广泛应用的就是交流输出电压可变、频率、相位可变的逆变器，为了考虑到供电方便，这类逆变器基本都是将市电变成直流，在将直流变成可变的交流。可变输出在实现方法要难于固定输出，一般都是需要MCU、FPGA或专用集成IC实现，达到数字可调。

为了实现输出电压、频率等可变一般常见方法为SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation正弦脉冲宽度调制)，SPWM分为单极性和双极性，无论是单极性还是双极性电路，最终都是通过控制SPWM的幅值、频率和相位实现输出电压、频率和相位可变。

现有技术采用SPWM实现逆变输出可变，单个SPWM控制的电压幅值变化范围小，主要原因为SPWM为正弦PWM，等效于每个PWM实现正弦每个点，如果要正弦幅值可变，等效于每个点需要同等的变小。

PWM为在固定周期内输出有效电平占比，如占比为50％，则输出为输入直流的0.5倍。如果需要实现0～250V可变，最小调节电压为0.1，则此时等效为每个点调节范围为1～250/0.1，即1～2500，如果正弦需要1000个点构成，则PWM的调节范围为1～2500000，一般SPWM电路的载波频率为30KHz～1KHz，转化为周期33μs～1ms，按照上述推算单个调节时间为33μs～1ms/2500000≈132ps～400ps，可见调节最小时间为ps级别，但是对于一般的常见功率三极管MOSFET、IGBT等都是μs级别，ns级别的都是很少见，ps级别则几乎没有。并且实现ps级别可调的数字器件也少见，因此SPWM方法是不能实现电压宽范围输出。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种实现逆变交流电高精度可调的逆变装置及方法。

本发明采用如下技术方案解决上述问题：

一种实现逆变交流电高精度可调的逆变装置，包括初级整流电路模块、DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、LC滤波模块、过流过温保护模块、AD采样模块、控制模块、逆变装置直流输出端；

所述初级整流电路模块分别与220V市电、DC-DC电路模块的一端进行电连接，用于将220V市电整成直流电，并进行功率因素矫正，然后将初级整流后的直流电提供给DC-DC电路模块；

所述DC-DC电路模块的另一端与逆变全桥电路模块的一端进行电连接，DC-DC电路模块用于通过PWM信号占空比输出变化且稳定的直流电压并提供给逆变全桥电路模块；

所述逆变全桥电路模块的另一端与LC滤波模块的一端连接，逆变全桥电路模块用于将PWM控制输出的直流电压转化为交流信号，并且该交流信号由SPWM控制，使输出的交流幅值、频率和相位都能高精度可控；

所述过流过温保护模块的一端分别与LC滤波模块的另一端、逆变装置交流输出端进行电连接，过流过温保护模块用于给逆变装置和负载提供过流、过温保护，用于检测直流电路过流、过温状况并将检测信息传输给所述控制模块、用于将处理后的直流电传输给逆变装置直流输出端；

所述LC滤波模块用于将输出的交流信号进行滤波，使输出的正弦信号平滑；

所述逆变装置直流输出端与过流过温保护模块的另一端进行电连接，用于作为逆变装置的输出口；

所述控制模块分别与DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、过流过温保护模块进行电连接，用于输出SPWM信号给逆变全桥电路模块，用于输出PWM信号给所述DC-DC电路模块，用于读取过流过温保护模块的检测信息；

所述AD采样模块分别与逆变装置直流输出端、控制模块进行电连接，用于读取逆变装置直流输出端的电流与电压信号并传输给控制模块。

进一步地，所述初级整流电路模块的电路为PFC电路和buck降压电路；

所述DC-DC电路模块的电路为升压降压电路。

进一步地，所述过流过温保护模块检测到电流高于设定值则断开直流输出；

所述过流过温保护模块检测电路上开关管的温度高于设定值则断开直流输出。

进一步地，所述过流过温保护模块断开直流输出后，定时短暂地打开输出，一旦检测到过流，再次断开直流输出，不断循环地短暂输出、检测和过流断开输出，直到输出直流电流小于设定值就打开直流输出；

进一步地，所述控制模块包括中央控制单元、采样单元、状态检测单元、SPWM&PWM输出控制单元；

所述中央控制单元分别与采样单元、状态检测单元、SPWM&PWM输出控制单元进行电连接，用于处理采样单元、状态检测单元所采集的数据，用于控制SPWM&PWM输出控制单元输出SPWM或PWM信号；

所述采样单元与AD采样模块进行电连接，用于读取AD采样模块的电流与电压信号数据；

所述状态检测单元与过流过温保护模块进行电连接，用于读取过流过温保护模块的过流过温信号数据；

所述SPWM&PWM输出控制单元分别与逆变全桥电路模块、DC-DC电路模块进行电连接，用于输出SPWM信号给逆变全桥电路模块，用于输出PWM信号给DC-DC电路模块。

进一步地，所述控制器为采用MCU或FPGA或DSP或ASIC的控制器；

所述控制器通过PID调节将计算得到的交流参数进行整定，得到需要调节参数，再将调节参数转化为PWM和SPWM的控制信号；

所述控制器通过算法计算实时的输出电流，用于显示和提前判断电流是否过流。

一种实现逆变交流电高精度可调的方法，包括如下步骤：

步骤S1，设置交流逆变设置参数，所述交流逆变设置参数包括交流电压输出基波有效值U_out-rms、SPWM正弦调制比m、输入直流电压Ui，得到交流电压输出基波有效初设值U_out-rms1、SPWM正弦调制比初设值m₁、输入直流电压初设值Ui₁；

所述SPWM正弦调制比m用于在逆变交流电压宽范围大量程调节基础上实现微调；

所述输入直流电压Ui为市电经过PFC电路和Buck电路的直流电压；

步骤S2，建立第一方程式

将步骤S1的交流电压输出基波有效初设值U_out-rms1、SPWM正弦调制比初设值m₁、输入直流电压初设值Ui₁分别代入第一方程式的交流电压输出基波有效值U_out-rms、SPWM正弦调制比m、输入直流电压Ui中，计算出DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂、PWM占空比计算值a₂；

步骤S3，建立第二方程式

将步骤S2的PWM占空比计算值a₂、DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂分别代入所述第二方程式的PWM占空比a、DC-DC电路模块输出电压Us中，计算出SPWM正弦调制比计算值m₃；

步骤S4，微调PWM占空比a，得到PWM占空比调整值a₄；

步骤S5，设置SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p₅；

步骤S6，打开逆变输出；

步骤S7，建立第三方程式

建立第四方程式

建立第五方程式

将所述步骤S2、S3、S5中的DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂、PWM占空比计算值a₂、SPWM正弦调制比计算值m₃、SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p_s代入第三、第四、第五方程式的DC-DC电路模块输出电压Us、PWM占空比a、SPWM正弦调制比m、SPWM正弦频率f、SPWM正弦相位p中，计算出交流电压输出基波分量计算值U_out7、交流电压输出基波峰计算值U_out-pp、交流电压输出基波有效计算值U_out-rms7、输入直流电压计算值Ui₇；

步骤S8，采集逆变输出的交流电压参数，所述逆变输出的交流电压信息包括交流电压输出基波分量U_out、交流电压输出基波有效值U_out-rms，交流电压输出基波峰值U_out-pp和FFT分析所需要的采样数据，并且通过对比步骤S7中的交流电压输出基波分量计算值U_out7、交流电压输出基波峰计算值U_out-pp、交流电压输出基波有效计算值U_out-rms7和步骤S5中的SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p₅得出交流电压输出偏差量，所述交流电压输出偏差量包括交流电压输出基波分量变化值U_out、交流电压输出基波有效值变化量U_out-rms，交流电压输出基波峰值变化量U_out-pp、SPWM正弦调制比变化量Δm、SPWM输出频率变化量Δf和SPWM正弦相位变化量Δp；

步骤S9，采用PID算法进行调节步骤S8中的所述交流电压输出偏差量进行微调，再循环到步骤S4进行设置；

若步骤S1中的逆变交流输出参数发生改变，则重新执行S1～S9流程。

进一步地，在所述的步骤S2中，DC-DC电路模块输出电压Us为粗调参数，如果步骤S1设置的交流逆变设置参数不改变则不改变所述DC-DC电路模块输出电压Us，需微小调节则调节所述SPWM正弦调制比m，同时微调所述SPWM正弦频率f和SPWM正弦相位p。

进一步地，在所述的步骤S4、S5中，所述实现逆变交流电高精度可调的逆变装置的系统自动对SPWM正弦调制比m、SPWM的输出频率f和SPWM正弦相位p的数值进行重新设置，用于减少对SPWM正弦频率f和相位p的调节频率与幅度。

进一步地，在所述的步骤S8中，如果采样到的交流电压输出基波有效值U_rms和交流电压输出基波峰值U_pp不是正弦关系或者FFT分析得到的正弦畸变率稍高，可进行微调SPWM正弦曲线数据。

本发明通过一种包括初级整流电路模块、DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、LC滤波模块、过流过温保护模块、AD采样模块、控制模块、逆变装置直流输出端的逆变装置以及通过将PWM占空比a的改变值和SPWM正弦调制比m联合一起来实现交流电压幅值的改变，PWM占空比a为大量程档位的调节，SPWM正弦调制比m为微小的调节，在大量程里面包含再进行微小调节，从而实现逆变交流电压宽范围且高精度，使SPWM方法实现频率和相位高精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实现逆变交流电高精度可调的逆变装置的结构示意图；

图2为本发明实现逆变交流电高精度可调的方法的流程图；

图3为本发明的调节SPWM正弦调制比m与PWM占空比a对应的交流波形图；

图4为本发明的实现逆变交流电高精度可调的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种实现逆变交流电高精度可调的逆变装置，其特征在于，包括初级整流电路模块、DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、LC滤波模块、过流过温保护模块、AD采样模块、控制模块、逆变装置直流输出端；

所述初级整流电路模块分别与220V市电、DC-DC电路模块的一端进行电连接，用于将220V市电转变成直流电，并进行功率因素矫正，然后将初级整流后的直流电提供给DC-DC电路模块；

所述DC-DC电路模块的另一端与逆变全桥电路模块的一端进行电连接，DC-DC电路模块用于通过PWM信号的占空比输出变化且稳定的直流电压并提供给逆变全桥电路模块；

所述逆变全桥电路模块的另一端与LC滤波模块的一端连接，逆变全桥电路模块用于将PWM控制输出的直流电压转化为交流信号，并且该交流信号由SPWM控制，使输出的交流幅值、频率和相位都能高精度可控；

所述过流过温保护模块的一端分别与LC滤波模块的另一端、逆变装置直流输出端进行电连接，过流过温保护模块用于给逆变装置和负载提供过流、过温保护，用于检测直流电路过流、过温状况并将检测信息传输给所述控制模块、用于将处理后的直流电传输给逆变装置直流输出端；

所述LC滤波模块用于将输出的交流信号进行滤波，主要滤除谐波，使输出的正弦信号平滑；

所述逆变装置直流输出端与过流过温保护模块的另一端进行电连接，用于作为逆变装置的输出口；

所述控制模块分别与DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、过流过温保护模块进行电连接，用于输出SPWM信号给逆变全桥电路模块，用于输出PWM信号给所述DC-DC电路模块，用于读取过流过温保护模块的检测信息；

所述AD采样模块分别与逆变装置直流输出端、控制模块进行电连接，用于读取逆变装置直流输出端的电流与电压信号并传输给控制模块；

所述初级整流电路模块的电路为PFC电路和buck降压电路；

所述DC-DC电路模块的电路为升压降压电路，实际可根据输入和输出直流电压的要求选择相应的电路；

所述过流过温保护模块检测到电流高于设定值则断开直流输出；

所述过流过温保护模块检测电路上开关管的温度高于设定值则断开直流输出，防止温度太高烧坏开关管，用于保护开关管；

所述过流过温保护模块断开直流输出后，定时短暂地打开输出，一旦检测到过流，再次断开直流输出，不断循环地短暂输出、检测和过流断开输出，直到输出直流电流小于设定值就打开直流输出；

所述控制模块包括中央控制单元、采样单元、状态检测单元、SPWM&PWM输出控制单元；

所述中央控制单元分别与采样单元、状态检测单元、SPWM&PWM输出控制单元进行电连接，用于处理采样单元、状态检测单元所采集的数据，用于控制SPWM&PWM输出控制单元输出SPWM或PWM信号；

所述采样单元与AD采样模块进行电连接，用于读取AD采样模块的电流与电压信号数据；

所述状态检测单元与过流过温保护模块进行电连接，用于读取过流过温保护模块的过流过温信号数据；

所述SPWM&PWM输出控制单元分别与逆变全桥电路模块、DC-DC电路模块进行电连接，用于输出SPWM信号给逆变全桥电路模块，用于输出PWM信号给DC-DC电路模块；

所述控制器为采用MCU或FPGA或DSP或ASIC的控制器；

所述控制器通过PID调节将计算得到的交流参数进行整定，得到需要调节参数，再将调节参数转化为PWM和SPWM的控制信号；

所述控制器通过算法计算实时的输出电流，用于显示和提前判断电流是否过流。

本发明所提供的一种实现逆变交流电都高精度可调节的方法适用于所有的逆变装置，例如：并网逆变器、实验测试逆变器、逆变源等。

一种实现逆变交流电高精度可调节的方法的原理说明如下：

如图4所示，基于PWM的DC-DC变换电路可以依据输出电压需要进行选择，如果需要输出直流电压Us仅高于输入直流电压Ui，不需要小于输入直流电压Ui，则可以为单独的升压电路，如果需要输出直流电压Us仅小于输入直流电压Ui，不需要大于输入直流电压Ui，则可以为单独的降压电路，如果输出直流电压Us既要大于输入直流电压Ui，又要小于输入直流电压Ui，则可以为升压电路；基于PWM的DC-DC变换电路为升压降压电路，输出直流电压和输入直流电压的关系式为：

t_on为开关管T₀的导通时间，t_off为开关管T₀的断开时间，T为PWM的周期，a为PWM当前的占空比。可宽范围变化的输出直流电压Us给逆变全桥电路模块作为电源输入；

基于SPWM的全桥逆变电路可采样通用方案，输出直流电压为Us，则Us的矩形波u_so的傅里叶展开技术得：

m为正弦调制比，由于输出只需要基波，高次谐波受LC滤波模块滤波，因此最终需要时输出基波值；

交流电压输出基波分量U_out、交流电压输出基波峰值U_out-pp、交流电压输出基波有效值U_out-rms的计算公式如下：

LC滤波电路主要用于滤除全桥逆变电路输出的高次谐波；

DC-DC变换电路、全桥逆变电路和LC滤波电路一起组合起来的交流电压输出基波分量U_out计算公式为：

上述公式中a为直流DC-DC的PWM占空比，m为DC-AC的SPWM正弦调制比，f为DC-AC的SPWM正弦频率，p为DC-AC的SPWM正弦相位，Ui为输入直流电压，输入直流电压Ui为固定的DC电压值；

因此，只调节SPWM正弦调制比m不能实现交流电压宽范围的输出；

本方法通过改变PWM占空比a的值和SPWM正弦调制比m联合一起来实现交流电压幅值的改变，PWM占空比a为大量程档位的调节，SPWM正弦调制比m为微小的调节，从而实现宽范围并且高精度的调节。

如图3所示，A1和A2是由PWM占空比a实现调节得到的，A2ml是由SPWM正弦调制比m调节实现的，也就是0～A2值都由SPWM正弦调制比m进行调节实现，并且当前PWM占空比a得到的DC值为A2，当要实现A2～A1的交流值时，将PWM占空比a设为A1，通过SPWM正弦调制比m调节实现A1～A2的交流值。

如图2所示，一种实现逆变交流电高精度可调的方法，包括如下步骤：

步骤S1，设置交流逆变设置参数，所述交流逆变设置参数包括交流电压输出基波有效值U_out-rms、SPWM正弦调制比m、输入直流电压Ui，得到交流电压输出基波有效初设值U_out-rms1、SPWM正弦调制比初设值m₁、输入直流电压初设值Ui₁；

所述SPWM正弦调制比m用于在逆变交流电压宽范围大量程调节基础上实现微调；

所述输入直流电压Ui为市电经过PFC电路和Buck电路的直流电压；

步骤S2，建立第一方程式

将步骤S1的交流电压输出基波有效初设值U_out-rms1、SPWM正弦调制比初设值m₁、输入直流电压初设值Ui₁分别代入第一方程式的交流电压输出基波有效值U_out-rms、SPWM正弦调制比m、输入直流电压Ui中，计算出DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂、PWM占空比计算值a₂；

步骤S3，建立第二方程式

将步骤S2的PWM占空比计算值a₂、DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂分别代入所述第二方程式的PWM占空比a、DC-DC电路模块输出电压Us中，计算出SPWM正弦调制比计算值m₃；

步骤S4，微调PWM占空比a，得到PWM占空比调整值a₄；

步骤S5，设置SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p₅；

步骤S6，打开逆变输出；

步骤S7，建立第三方程式

建立第四方程式

建立第五方程式

将所述步骤S2、S3、S5中的DC-DC电路模块输出电压计算值Us₂、PWM占空比计算值a₂、SPWM正弦调制比计算值m₃、SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p₅代入第三、第四、第五方程式的DC-DC电路模块输出电压Us、PWM占空比a、SPWM正弦调制比m、SPWM正弦频率f、SPWM正弦相位p中，计算出交流电压输出基波分量计算值U_out7、交流电压输出基波峰计算值U_out-pp、交流电压输出基波有效计算值U_out-rms7、输入直流电压计算值Ui₇；

步骤S8，采集逆变输出的交流电压参数，所述逆变输出的交流电压信息包括交流电压输出基波分量U_out、交流电压输出基波有效值U_out-rms，交流电压输出基波峰值U_out-pp和FFT分析所需要的采样数据，并且通过对比步骤S7中的交流电压输出基波分量计算值U_out7、交流电压输出基波峰计算值U_out-pp、交流电压输出基波有效计算值U_out-rms7和步骤S5中的SPWM正弦频率初设值f₅、SPWM正弦相位初设值p₅得出交流电压输出偏差量，所述交流电压输出偏差量包括交流电压输出基波分量变化值U_out、交流电压输出基波有效值变化量U_out-rms，交流电压输出基波峰值变化量U_out-pp、SPWM正弦调制比变化量Δm、SPWM输出频率变化量Δf和SPWM正弦相位变化量Δp；

步骤S9，采用PID算法进行调节步骤S8中的所述交流电压输出偏差量进行微调，再循环到步骤S4进行设置；

上述8个步骤中，步骤S4～S9一直都是这样循环执行的，前提是步骤S1设置的交流逆变设置参数不发生改变，如果逆变交流输出参数发生改变，则重新执行S1～S9流程。

在所述的步骤S2中，DC-DC电路模块输出电压Us为粗调参数，如果步骤S1设置的交流逆变设置参数不改变则不改变所述DC-DC电路模块输出电压Us，需微小调节则调节所述SPWM正弦调制比m，同时微调所述SPWM正弦频率f和SPWM正弦相位p；

在所述的步骤S4、S5中，所述实现逆变交流电高精度可调的逆变装置的系统自动对SPWM正弦调制比m、SPWM的输出频率f和SPWM正弦相位p的数值进行重新设置，用于减少对SPWM正弦频率f和相位p的调节频率与幅度；

在所述的步骤S8中，如果采样到的交流电压输出基波有效值U_rms和交流电压输出基波峰值U_pp不是正弦关系或者FFT分析得到的正弦畸变率稍高，可进行微调SPWM正弦曲线数据。

本发明通过一种包括初级整流电路模块、DC-DC电路模块、逆变全桥电路模块、LC滤波模块、过流过温保护模块、AD采样模块、控制模块、逆变装置直流输出端的逆变装置以及通过将PWM占空比a的改变值和SPWM正弦调制比m联合一起来实现交流电压幅值的改变，PWM占空比a为大量程档位的调节，SPWM正弦调制比m为微小的调节，通过大量程调节实现输出交流电压输出宽范围并且微小调节实现输出交流电压高精度，从而实现逆变交流电压宽范围且高精度，使SPWM方法实现频率和相位高精度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。