专利名称：一种延长直流分布式电源寿命的逆变装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电能变换装置中的直流-交流变换器技术领域，具体涉及一种延长直流分布式电源寿命的逆变装置。
背景技术：
太阳能与燃料电池等直流分布式电源广泛应用于笔记本等便携式设备、电动汽车以及分布式发电系统中。给便携式设备供电属于直流供电，而应用于电动汽车或分布式发电系统属于交流供电系统。当应用于交流供电系统时，50Hz的交流电会在分布式电源的输出直流端产生IOOHz的纹波，该纹波会导致系统输出特性出现迟滞现象，威胁直流分布式电源的安全运行。与此同时，IOOHz的低频纹波电流还会导致其供电效率低。因此，抑制低频纹波电流是延长直流分布式电源寿命的一个重要研究方向。直流分布式电源输出的直流电压范围较宽，如采用传统的单级半桥或全桥逆变器直接实现能量转换，虽然其变换结构简洁，但电源输出端低频电流纹波大。为了抑制低频纹波电流，需要在分布式电源输出端并联大容量的电解电容、蓄电池或接入有源滤波装置，虽然有效抑制了低频纹波电流，但电解电容、蓄电池以及有源滤波装置会增加系统成本。另夕卜，大量使用电解电容还会影响系统的使用寿命。由于直流分布式电源输出电压等级较低，基于单级逆变器的供电系统需要加入体积笨重的工频升压变压器。为了省去工频变压器，可以在其输出端加入一级DC/DC变换器。DC/DC变换器将电源输出的直流电升压并稳定在合理的电压值，后级逆变器将该电压转换为高品质的交流电。虽然采用两级式的供电系统简化了逆变器的控制，但直流分布式电源输出端的低频纹波电流并没有得到改善，仍需要借助于电解电容、蓄电池或有源滤波装置来抑制低频纹波电流。也有人提出前级DC/DC变换器采用有源控制技术抑制直流分布式电源输出端的低频纹波电流。这种方法的逆变器输入侧电容电压波动大，为防止直流分布式电源输出电流随逆变器输入侧电压波动而变化，需要将DC/DC变换器电流环的带宽控制在IOOHz以下。虽然有效抑制了直流分布式电源输出的低频纹波电流，但逆变器输入侧电压波动大会增加后级逆变器输出电压谐波的控制难点，一旦负载发生突变，要经过几个工频周期才能达到稳定，系统动态性能差。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种延长直流分布式电源寿命的逆变装置。本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为一种延长直流分布式电源寿命的逆变装置，包括直流分布式电源、第一变换器和第二变换器，其中直流分布式电源分别与第一变换器和第二变换器连接，第一变换器包括第一差分电容Cl、第一电感LI和开关管，第二变换器包括第二差分电容C2、第二电感L2和开关管，第一、第二变换器的结构对称；本逆变装置的输出端由第一、第二差分电容Cl、C2串联，且输出电压为两个差分电容的电压的差分；其特征在于[0006]它还包括控制电路，控制电路包括控制器、第一变换器控制模块、第二变换器控制模块和抗直流偏磁模块；控制器的输入端输入本逆变装置的输出电压、输出电流和第一、第二差分电容Cl、C2的电容值,控制器的输出端输出第一第二差分电容Cl、C2的电容电压参考值Vc2ref和输出电流直流部分参考值；抗直流偏磁模块的输入端输入输出电流直流部分参考值和输出电流；第一变换器控制模块的输入端输入第一差分电容Cl的电容电压参考值Velraf、第一差分电容Cl的电容电压、第一电感LI的电感电流和抗直流偏磁模块的输出信号，第一变换器控制模块的输出端与所述第一变换器的开关管驱动电路连接；第二变换器控制模块的输入端输入第二差分电容C2的电容电压参考值、第二差分电容C2的电容电压、第二电感L2的电感电流和抗直流偏磁模块的输出信号，第二变换器控制模块的输出端与所述第二变换器的开关管驱动电路连接。[0007]按上述方案，所述的第一变换器和第二变换器均为升压变换器，且结构对称；其中第一变换器包括第一差分电容Cl、第一电感LI、第一开关管Tl和第二开关管Τ2，第一电感 LI的一端与所述的直流分布式电源正极连接,第一电感LI的另一端分别与第一开关管Tl 的输出端和第二开关管Τ2的输入端连接，第一开关管Tl的输入端和第二开关管Τ2的输出端之间连接第一差分电容Cl，且第一开关管的输入端与所述的直流分布式电源正极连接负极连接；第一开关管Tl和第二开关管Τ2的控制端分别由第一变换器控制模块的输出端通过开关管驱动电路控制。[0008]按上述方案，所述的第一变换器控制模块包括顺次连接的将Vctof与Id相加的加法器、将、与加法器输出信号进行误差运算的第一误差放大器、第一比例积分调节器、将 iL1与第一比例积分调节器输出信号进行误差运算的第二误差放大器、第二比例积分调节器、以及将第二比例积分调节器与锯齿波进行比较的比较器；所述的第一比例积分调节器和第二比例积分调节器的输出端分别连接两个二极管。[0009]按上述方案，所述的第二变换器控制模块包括顺次连接的将Vc2ref和Id相减减法器、将与减法器输出信号进行误差运算的第三误差放大器、第三比例积分调节器、将L 与第三比例积分调节器输出信号进行误差运算的第四误差放大器、第四比例积分调节器、 以及将第四比例积分调节器与锯齿波进行比较的比较器；所述的第三比例积分调节器和第四比例积分调节器的输出端分别连接两个二极管。[0010]按上述方案，所述的抗直流偏磁模块包括顺次连接的将输出电流I0经过滤波得到直流电流的低通滤波器、将输出电流直流部分参考值与低通滤波器输出信号进行误差运算的第五误差放大器、以及第五比例积分调节器；第五比例积分调节器的输出端连接两个对输出调节量进行限幅的二极管。[0011]本实用新型的有益效果为与现有技术相比，本实用新型的主要技术特点是，采用差分逆变器，同时利用纹波控制方案，在缩小直流分布式电源逆变系统体积的同时又达到了很好的低频电流纹波的抑制效果。所提的控制方法是让boost逆变器输出端的电容提供脉动功率，而直流平均功率则有直流输出端提供，这样可以将直流分布式电源的低频纹波影响最小化，从而提高直流分布式电源的寿命；采用差分逆变器的同时，也去掉了使用寿命较短的电解电容。
[0012]图I为本实用新型的结构框图。图2为本实用新型一实施例的主电路拓扑结构图和控制框图。图3为图2中第一变换器控制模块的电路图。图4为图2中第二变换器控制模块的电路图。图5为图2中直流偏磁模块的电路图。图6为纯阻性负载的实验里，未采用本实用新型结构的差分升压逆变器电容电压Vcl> Vc2以及输出电压Vtl和负载电流L的波形。图7为纯阻性负载的实验里，未采用本实用新型结构的差分升压逆变器电感电流iL1, iL2以及输入电流iin的波形。图8是纯阻性负载的实验里，采用本实用新型结构的差分升压逆变器电容电压Vcl> Vc2以及输出电压Vtl和负载电流L的波形。图9是纯阻性负载的实验里，采用本实用新型结构的差分升压逆变器电感电流iL1, iL2,以及输入电流的波形iin。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用与限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。图I为本实用新型的结构框图，差分逆变器指输出端由两个电容C1、C2串联，而输出电压为两个电容电压^^^^的差分的逆变器，任意形式的差分逆变器均可用于实现本实用新型效果。本实施例中，选用的是差分升压逆变器，如图2所示，包括直流分布式电源I、第一变换器2和第二变换器3。第一变换器2包括第一差分电容Cl、第一电感LI、第一开关管Tl和第二开关管T2,第一电感LI的一端与所述的直流分布式电源正极连接,第一电感LI的另一端分别与第一开关管Tl的输出端和第二开关管T2的输入端连接，第一开关管Tl的输入端和第二开关管T2的输出端之间连接第一差分电容Cl，且第一开关管的输入端与所述的直流分布式电源正极连接负极连接；第一开关管Tl和第二开关管T2的控制端分别由第一变换器控制模块的输出端通过开关管驱动电路控制。第二变换器3与第一变换器结构对称，对应的包括第二差分电容C2、第二电感L2、第三开关管T3和第四开关管T4。它还包括控制电路4，控制电路4包括控制器、第一变换器控制模块、第二变换器控制模块和抗直流偏磁模块；控制器的输入端输入本逆变装置的输出电压Vtl、输出电流Itl和第一、第二差分电容Cl、C2的电容值C,控制器的输出端输出第一、第二差分电容Cl、C2的电容电压参考值VctofJc^f和输出电流直流部分参考值，输出电流直流部分参考值为O ;抗直流偏磁模块的输入端输入输出电流直流部分参考值和输出电流Itl ;第一变换器控制模块的输入端输入第一差分电容Cl的电容电压参考值VdM、第一差分电容Cl的电容电压να、第一电感LI的电感电流Iu和抗直流偏磁模块的输出信号，第一变换器控制模块的输出端输出第一开关管Tl和第二开关管Τ2的驱动信号dl、d2 ;第二变换器控制模块的输入端输入第二差分电容C2的电容电压参考值Vc^f、第二差分电容C2的电容电压Vc2、第二电感L2的电感电流L和抗直流偏磁模块的输出信号，第二变换器控制模块的输出端输出第三开关管T3和第四开关管T4的驱动信号d3、d4。[0025]第一变换器控制模块的具体电路如图3所示，由Rl、R2、R3、R4、R5以及第一运算放大器Ul构成加法器，将Velref和Id相加传递给后一级运放；由R6、R7、R8、R9和第二运算放大器U2构成第一误差放大器，将Vc;1与前一级运放的输出进行误差运算，传递给后一级运放；由R10、R11、R12、C3和第三运算放大器U3构成第一比例积分调节器，其输出端连接两个二极管，对其输出调节量进行限幅；由R13、R14、R15、R16和第四运算放大器U4构成第二误差放大器，将iu与前一级运放的输出进行误差运算，传递给后一级运放；由R17、R18、R19、 C4和第五运算放大器U5构成第二比例积分调节器，其输出端连接两个二极管，对其输出调节量进行限幅；之后通过第一比较器U6与锯齿波进行比较，产生PWM波dl控制第一开关管 Tl，通过反相器产生PWM波d2控制第二开关管T2。[0026]第二变换器控制模块的具体电路如图4所示，由R20、R21、R22、R23以及第七运算放大器U7构成减法器，将Ve2ref和Id相减传递给后一级运放；由R24、R25、R26、R27和第八运算放大器U8构成第三误差放大器，将Ve2与前一级运放的输出进行误差运算，传递给后一级运放；由R28、R29、R30、C5和第九运算放大器U9构成第三比例积分调节器，其输出端连接两个二极管，对其输出调节量进行限幅；由R31、R32、R33、R34和第十运算放大器UlO构成第四误差放大器，将L与前一级运放的输出进行误差运算，传递给后一级运放；由R35、 R36、R137、C6和第十一运算放大器Ull构成第四比例积分调节器，其输出端连接两个二极管，对其输出调节量进行限幅；之后通过第二比较器U12与锯齿波进行比较，产生PWM波d3 控制第三开关管T3，通过反相器产生PWM波d4控制第四开关管T4。[0027]直流偏磁模块的具体电路如图5所示，由R39、R40、R41和第十三运算放大器U13 构成第五误差放大器，将O (输出电流直流部分参考值)与前一级运放的输出进行误差运算， 传递给后一级运放；由R42、R43、R44、CS和第十四运算放大器U14构成第五比例积分调节器，其输出端连接两个二极管，对其输出调节量进行限幅。[0028]本实用新型的工作原理为检测逆变输出电压，电流V。，I0 ;首先为了满足逆变输出标准正弦波电压为Vtj=VciI-Vdi=VmaxSin(Cot), Vel, Vc2分别为第一、第二差分电容的电容电压，VmaxSin (ω )为V。的表达式，Vmax为V。的幅值；[0029]构建差分电容电压波形为[0030]
权利要求1.一种延长直流分布式电源寿命的逆变装置，包括直流分布式电源、第一变换器和第二变换器，其中直流分布式电源分别与第一变换器和第二变换器连接，第一变换器包括第一差分电容Cl、第一电感LI和开关管,第二变换器包括第二差分电容C2、第二电感L2和开关管，第一、第二变换器的结构对称；本逆变装置的输出端由第一、第二差分电容Cl、C2串联，且输出电压为两个差分电容的电压的差分；其特征在于 它还包括控制电路，控制电路包括控制器、第一变换器控制模块、第二变换器控制模块和抗直流偏磁模块；控制器的输入端输入本逆变装置的输出电压、输出电流和第一、第二差分电容Cl、C2的电容值,控制器的输出端输出第一、第二差分电容Cl、C2的电容电压参考值VctoP Vc2ref和输出电流直流部分参考值；抗直流偏磁模块的输Λ端输Λ输出电流直流部分参考值和输出电流；第一变换器控制模块的输入端输入第一差分电容Cl的电容电压参考值Velraf、第一差分电容Cl的电容电压、第一电感LI的电感电流和抗直流偏磁模块的输出信号，第一变换器控制模块的输出端与所述第一变换器的开关管驱动电路连接；第二变换器控制模块的输入端输入第二差分电容C2的电容电压参考值、第二差分电容C2的电容电压、第二电感L2的电感电流和抗直流偏磁模块的输出信号，第二变换器控制模块的输出端与所述第二变换器的开关管驱动电路连接。
2.根据权利要求I所述的延长直流分布式电源寿命的逆变装置，其特征在于所述的第一变换器和第二变换器均为升压变换器，且结构对称；其中第一变换器包括第一差分电容Cl、第一电感LI、第一开关管Tl和第二开关管Τ2，第一电感LI的一端与所述的直流分布式电源正极连接，第一电感LI的另一端分别与第一开关管Tl的输出端和第二开关管Τ2的输入端连接，第一开关管Tl的输入端和第二开关管Τ2的输出端之间连接第一差分电容Cl，且第一开关管的输入端与所述的直流分布式电源正极连接负极连接；第一开关管Tl和第二开关管Τ2的控制端分别由第一变换器控制模块的输出端通过开关管驱动电路控制。
3.根据权利要求I或2所述的延长直流分布式电源寿命的逆变装置，其特征在于所述的第一变换器控制模块包括顺次连接的将Vctof与Id相加的加法器、将Vca与加法器输出信号进行误差运算的第一误差放大器、第一比例积分调节器、将iu与第一比例积分调节器输出信号进行误差运算的第二误差放大器、第二比例积分调节器、以及将第二比例积分调节器与锯齿波进行比较的比较器；所述的第一比例积分调节器和第二比例积分调节器的输出端分别连接两个二极管。
4.根据权利要求I或2所述的延长直流分布式电源寿命的逆变装置，其特征在于所述的第二变换器控制模块包括顺次连接的将Vctof和Id相减减法器、将与减法器输出信号进行误差运算的第三误差放大器、第三比例积分调节器、将L与第三比例积分调节器输出信号进行误差运算的第四误差放大器、第四比例积分调节器、以及将第四比例积分调节器与锯齿波进行比较的比较器；所述的第三比例积分调节器和第四比例积分调节器的输出端分别连接两个二极管。
5.根据权利要求I或2所述的延长直流分布式电源寿命的逆变装置，其特征在于所述的抗直流偏磁模块包括顺次连接的将输出电流I。经过滤波得到直流电流的低通滤波器、将输出电流直流部分参考值与低通滤波器输出信号进行误差运算的第五误差放大器、以及第五比例积分调节器；第五比例积分调节器的输出端连接两个对输出调节量进行限幅的二极管。
专利摘要本实用新型提供延长直流分布式电源寿命的逆变装置，包括直流分布式电源、差分逆变器、控制器、第一变换器控制模块、第二变换器控制模块和抗直流偏磁模块；控制器输入输出电压、输出电流和第一第二差分电容的电容值，输出第一第二差分电容电压参考值和输出电流直流部分参考值；抗直流偏磁模块输入输出电流直流部分参考值和输出电流；第一变换器控制模块输入第一差分电容电压参考值、第一差分电容电压、第一电感电流和抗直流偏磁模块的输出信号，第一变换器控制模块输出端连第一变换器的开关管驱动电路；第二变换器控制模块结构与第一变换器控制模块对应。本实用新型采用差分逆变器，通过抑制低频电流纹波达到延长电源寿命的效果。
文档编号H02M7/48GK202818138SQ20122040303
公开日2013年3月20日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者朱国荣, 陈伟, 赵东明, 李向舜, 张东华 申请人:武汉理工大学