[发明专利]一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器及其控制方法

权利要求书

1.一种带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器，其特征在于主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频整流控制电路、第二高频整流控制电路、第四开关管、第五开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路、第一电源、第二电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路和第五驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为一块太阳能电池板的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感之间的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频整流控制电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二开关管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制；第二高频整流控制电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第三开关管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流控制，第四开关管和第五开关管工频交替导通，用于实现工频逆变，其中第四开关管在工频正半周期内导通，第五开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第四开关管和第五开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板的输出电压和输出电流信号进行最大功率点跟踪控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集微逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，电网电压采样电路采集电网电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的微逆变器的输出电流信号和电网电压信号进行电压电流反馈控制、锁相控制和孤岛检测；第一电源将太阳能电池板的输出电压降至一路+12V和一路+5V输出，+12V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板的负极电连接，为控制单片机、电网电压采样电路输出侧、电网电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧、第四驱动电路控制信号侧和第五驱动电路控制信号侧供电；第二电源将电网电压整流滤波后降至四路相互隔离的+12V输出，第一路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第四开关管源极电连接，为第四驱动电路驱动侧供电；第四路+12V输出的负极与第五开关管源极电连接，为第五驱动电路驱动侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、电网电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序、孤岛检测及锁相程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第五驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管；第四驱动电路接收到控制单片机发来的第四开关管控制信号后经放大驱动第四开关管；第五驱动电路接收到控制单片机发来的第五开关管控制信号后经放大驱动第五开关管。

2.一种如权利要求1所述带高频整流控制的单级式光伏并网微逆变器的控制方法，其特征在于具体控制过程包括以下步骤：

(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管、第二开关管、第三开关管采用脉冲宽度调制与脉冲频率调制相结合的方式软启动、即给定第一开关管、第二开关管、第三开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第四开关管和第五开关管按工频交替导通，使微逆变器输出电压幅值达到设定电压幅值311V；

(2)当软启动达到设定的电压幅值311V时，检测电网电压的幅值、相位和频率，控制单片机接收到电网电压采样电路和第二电流采样电路采集到的电网电压和电流信号，根据得到电网电压的幅值、相位与频率信息来调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号以及第四开关管、第五开关管的导通信号，使微逆变器输出的电压与电网电压幅值、相位与频率相匹配，实现并网；当电网电压相位发生改变时，需要调整第一开关管、第二开关管、第三开关管的调制信号使之与电网电压相位一致，同时调整第四开关管、第五开关管的导通时间来实现输出电压的工频正负交替变化；微逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当微逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的时间内时，固定第一开关管每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节微逆变器的输出，以减小电压畸变率；当微逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管驱动信号的频率与占空比，同时对应调整第二开关管、第三开关管控制信号的频率与占空比，跟随电网电压变化；并结合下一步的控制规律进行控制，以实现微逆变器输出电压全周期跟随电网电压的变化；

(3)当电网电压幅值发生改变时，通过PFM控制方法控制第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号，使微逆变器的输出电压跟随电网电压；电网电压采样电路、第二电流采样电路分别采集微逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，经过电压电流反馈控制程序的数字PID补偿后，对第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号进行PFM控制，若电网电压幅值不变，则保持第一开关管、第二开关管、第三开关管既定的调制信号，若电网电压幅值变大，则发出减小第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，若电网电压幅值变小，则发出增大第一开关管、第二开关管、第三开关管开关频率的信号，从而跟随电网电压幅值；

(4)孤岛检测通过第一中断来实现，第一中断的优先级优于其他所有中断；电网电压采样电路、第二电流采样电路采集到电网电压、微逆变器输出电流信号并送至控制单片机，由孤岛检测及锁相程序判断是否出现孤岛现象，若出现孤岛，则进入第一中断，封锁第四开关管、第五开关管的驱动信号，直至孤岛消失，第一中断返回；

(5)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第二中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第二中断的优先级次于第一中断，优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入第二中断，减小第一开关管、第二开关管、第三开关管控制信号的脉冲宽度基准值，保持第四开关管、第五开关管的驱动信号不变，第二中断返回，等待下一次检测；

(6)当太阳能电池板的最大功率点发生偏移时，通过第三中断控制第二开关管、第三开关管控制信号的占空比，来调节微逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板的等效内阻相等，以实现MPPT，第三中断的优先级次于第一中断Ⅰ和第二中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到太阳能电池板的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第三中断，n的取值由程序设定，MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至微逆变器工作在最大功率点，第三中断Ⅲ返回；

(7)判断微逆变器是否需要停止工作，若微逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的驱动信号；若微逆变器不需要停止工作，则重新检测电网电压，重复上述步骤，实现微逆变器的控制。