光伏电源系统、逆变器和逆变装置及其控制方法与流程

本发明涉及逆变技术领域，特别涉及一种光伏电源系统、一种逆变器、一种逆变装置和一种逆变装置的控制方法。

背景技术：

随着能源环境的恶化和传统能源的枯竭，为维持长远的可持续发展，太阳能等可再生能源将逐步成为能源产业的主流。逆变器作为光伏发电系统的核心部分，逆变器的性能好坏将直接影响光伏电源系统的稳定性、可靠性、效率和成本。图1为相关技术中常见的h4单相全桥逆变系统，其中，开关管q1与开关管q4为一组桥臂，开关管q2与开关管q3为一组桥臂，一组桥臂的导通得到正脉冲，另一组桥臂的导通得到负脉冲，由此，该系统通过开关管q1与开关管q4，开关管q2与开关管q3的交替导通得到高频的斩波，该斩波再经过滤波电路，得到可接入交流电网的交流电压。

然而，图1所示的电路示意图，在其中一组桥臂关断时，由于滤波电路中电感电流不会突变，在电感上储存一部分能量，这其中一部分能量会回馈到直流电源中，在回馈过程中会产生振荡，容易产生很高的电压冲击力，在下一次开关管动作时，可能会造成开关管的损伤，同时会造成输出电流的波动，产生很大的电流纹波，另外，在功率等级提升时，h4桥的开关应力也比较大，散热存在很大的问题，效率难以提升。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种逆变装置，该逆变装置，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力，且能够降低输出电流纹波，进而仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

本发明的第二个目的在于提出一种逆变装置的控制方法。

本发明的第三个目的在于提出一种逆变器。

本发明的第四个目的在于提出一种光伏电源系统。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种逆变装置，包括：供电电路，所述供电电路的输入端与直流电源相连；逆变电路，所述逆变电路的输入端与所述供电电路的输出端相连，所述逆变电路包括多个开关管，所述逆变电路用于将直流电源输入的直流电压转换为交流电压；滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述逆变电路的输出端相连，所述滤波电路的输出端与交流电网相连，所述滤波电路用于对所述交流电压进行滤波处理，并将滤波处理后的交流电压输出至所述交流电网，其中，所述滤波电路包括滤波电感和滤波电容；其中，在所述交流电压的每半个周期内，所述逆变电路中的一个开关管受高频脉冲控制导通和关断，且在所述一个开关管关断时，所述逆变电路、所述滤波电路和所述交流电网构成续流回路，以将所述一个开关管关断后的续流电流与所述直流电源隔离。

根据本发明实施例的逆变装置，在交流电压的每半个周期内，其逆变电路中的一个开关管受高频脉冲控制导通和关断，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力；能够将一个开关管关断后的续流电流与直流电源隔离，以降低输出电流纹波，使得该逆变装置仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

另外，根据本发明上述实施例的逆变装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述供电电路包括：第一电容，所述第一电容的一端与所述直流电源的第一极相连；第二电容，所述第二电容的一端与所述第一电容的另一端相连，并形成第一节点，所述第二电容的另一端与所述直流电源的第二极相连。

根据本发明的一个实施例，所述逆变电路包括：第一二极管，所述第一二极管的阳极与所述第一节点相连；第二二极管，所述第二二极管的阴极与所述第一节点相连；第一开关管，所述第一开关管的第一端与所述直流电源的第一极相连；第二开关管，所述第二开关管的第一端与所述直流电源的第一极相连；第三开关管，所述第三开关管的第一端与所述第一开关管的第二端相连，并形成第二节点，所述第三开关管的第二端与所述直流电源的第二极相连；第四开关管，所述第四开关管的第一端与所述第二开关管的第二端相连，并形成第三节点，所述第四开关管的第二端与所述直流电源的第二极相连；第五开关管，所述第五开关管的第一端与所述第一二极管的阴极相连，所述第五开关管的第二端与所述第二节点相连；第六开关管，所述第六开关管的第一端与所述第二节点相连，所述第六开关管的第二端与所述第二二极管的阳极相连，并形成第四节点；第七开关管，所述第七开关管的第一端与所述第三节点相连，所述第七开关管的第二端与所述第四节点相连。

根据本发明的一个实施例，所述滤波电感包括：第一电感，所述第一电感的一端与所述第二节点相连，所述第一电感的另一端与所述交流电网的第一极相连；第二电感，所述第二电感的一端与所述第三节点相连，所述第二电感的另一端与所述交流电网的第二极相连。

根据本发明的一个实施例，所述滤波电容包括：第三电容，所述第三电容的一端与所述第一电感的另一端相连，所述第三电容的另一端与所述第二电感的另一端相连。

根据本发明的一个实施例，所述逆变装置，在0＜uo≤udc/2期间，控制所述第五开关管和所述第七开关管持续导通，其中，uo为所述交流电压，udc为所述直流电压，当所述第四开关管受高频脉冲控制导通时，所述第一二极管、所述第五开关管、所述第一电感、所述交流电网、所述第二电感、所述第四开关管和所述第二电容依次构成电流回路，当所述第四开关管受高频脉冲控制关断时，所述第一电感、所述交流电网、所述第二电感、所述第七开关管和所述第六开关管中的反并联二极管依次构成续流回路；在udc/2＜uo≤udc期间，控制所述第一开关管、所述第七开关管持续导通，其中，当所述第四开关管受高频脉冲控制导通时，所述第一开关管、所述第一电感、所述交流电网、所述第二电感、所述第四开关管和所述第二电容依次构成电流回路，当所述第四开关管受高频脉冲控制关断时，所述第一电感、所述交流电网、所述第二电感、所述第七开关管和所述第六开关管中的反并联二极管依次构成续流回路；在-udc/2≤uo＜0期间，控制所述第六开关管持续导通，其中，当所述第二开关管受高频脉冲控制导通时，所述第二开关管、所述第二电感、所述交流电网、所述第一电感、所述第六开关管、所述第二二极管、所述第一电容依次构成电流回路，当所述第二开关管受高频脉冲控制关断时，所述第二电感、所述交流电网、所述第一电感、所述第六开关管和所述第七开关管中的反并联二极管依次构成续流回路；在-udc≤uo＜-udc/2期间，控制所述第三开关管持续导通，其中，当所述第二开关管受高频脉冲控制导通时，所述第二开关管、所述第二电感、所述交流电网、所述第一电感、所述第三开关管、所述第二电容、所述第一电容依次构成电流回路，当所述第二开关管受高频脉冲控制关断时，所述第二电感、所述交流电网、所述第一电感、所述第三开关管和所述第四开关管中的反并联二极管依次构成续流回路。

根据本发明的一个实施例，所述第一二极管和所述第二二极管均为碳化硅二极管或者快恢复二极管，所述第一开关管～所述第六开关管均为coolmos管，所述第七开关管为igbt管。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种逆变装置的控制方法，包括以下步骤：通过高频脉冲控制所述逆变电路中的一个开关管导通，通过工频脉冲控制所述逆变电路中的其他开关管导通或关断，以将所述直流电源输入的直流电压转换成交流电压；通过高频脉冲控制所述一个开关管关断，通过工频脉冲控制所述其他开关管导通或关断，并利用所述逆变电路、所述滤波电感和所述交流电网构成续流回路，以将所述一个开关管关断后的续流电流与所述直流电源隔离。

根据本发明实施例的逆变装置的控制方法，本发明实施例的逆变装置的控制方法，通过高频脉冲控制逆变电路中的一个开关管的导通和关断，以实现逆变过程，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力；能够将一个开关管关断后的续流电流与直流电源隔离，从而降低输出电流纹波，使得该逆变装置仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种逆变器，包括本发明第一方面实施例提出的逆变装置。

根据本发明实施例的逆变器，通过本发明实施例的逆变装置，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力，且能够降低输出电流纹波，进而仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

为实现上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种光伏电源系统，包括：光电装置，所述光电装置作为直流电源，用于输出直流电压；交流电网；本发明第三方面提出的逆变器，所述逆变器的输入端与所述光电装置相连，所述逆变器的输出端与所述交流电网相连，所述逆变器用于将所述直流电压转换成交流电压输出至所述交流电网。

根据本发明实施例的光伏电源系统，通过本发明实施例的逆变器，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力，且能够降低输出电流纹波，进而仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是相关技术中逆变装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的逆变装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个示例的逆变装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个示例的逆变装置在0＜uo≤udc/2期间的电流回路图；

图5是根据本发明一个示例的逆变装置在0＜uo≤udc期间的电流续流回路图；

图6是根据本发明一个示例的逆变装置在udc/2＜uo≤udc期间的电流回路图；

图7是根据本发明一个示例的逆变装置在-udc/2≤uo＜0期间的电流回路图；

图8是根据本发明一个示例的逆变装置在-udc/2≤uo＜0期间的电流续流回路图；

图9是根据本发明一个示例的逆变装置在-udc≤uo＜-udc/2期间的电流回路图；

图10是根据本发明一个示例的逆变装置在-udc≤uo＜-udc/2期间的电流续流回路图；

图11是根据本发明实施例的逆变装置的控制方法的流程图；

图12是根据本发明实施例的逆变器的结构框图；

图13是根据本发明实施例的光伏电源系统的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图2-图13描述本发明实施例的光伏电源系统、逆变器和逆变装置及其控制方法。

图2是根据本发明实施例的逆变装置的结构示意图。

如图2所示，本发明实施例的逆变装置10包括：供电电路11、逆变电路12和滤波电路13。

其中，供电电路11的输入端与直流电源1相连；逆变电路12的输入端与供电电路11的输出端相连，逆变电路12包括多个开关管(开关管q1-开关管qn，n＞1)，逆变电路12用于将直流电源1输入的直流电压转换为交流电压；滤波电路13的输入端与逆变电路12的输出端相连，滤波电路13的输出端与交流电网2相连，滤波电路13用于对交流电压进行滤波处理，并将滤波处理后的交流电压输出至交流电网2，滤波电路13包括滤波电感l和滤波电容c，；其中，在交流电压的每半个周期内，逆变电路12中的一个开关管qi(1≤i≤n)受高频脉冲控制导通和关断，且在该开关管qi关断时，逆变电路12、滤波电路13和交流电网2构成续流回路，以将该开关管qi关断后的续流电流与直流电源1隔离。

在该实施例中，直流电源1可以为直流电压的产生装置，例如太阳能电池板，即可将可再生能源太阳能产生的能量转换为电网电压，实现太阳能供电。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，供电电路11可包括：第一电容c1和第二电容c2。

其中，第一电容c1的一端与直流电源1的第一极相连；第二电容c2的一端与第一电容c1的另一端相连，并形成第一节点d1，第二电容c2的另一端与直流电源1的第二极相连。

在一个示例中，参照图3，逆变电路12可包括：第一二极管d1、第二二极管d2、第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6和第七开关管q7。

其中，第一二极管d1的阳极与第一节点d1相连；第二二极管d2的阴极与第一节点d1相连；第一开关管q1的第一端与直流电源1的第一极相连；第二开关管q2的第一端与直流电源1的第一极相连；第三开关管q3的第一端与第一开关管q1的第二端相连，并形成第二节点d2，第三开关管q3的第二端与直流电源1的第二极相连；第四开关管q4的第一端与第二开关管q2的第二端相连，并形成第三节点d3，第四开关管q4的第二端与直流电源1的第二极相连；第五开关管q5的第一端与第一二极管d1的阴极相连，第五开关管q5的第二端与第二节点d2相连；第六开关管q6的第一端与第二节点d2相连，第六开关管q6的第二端与第二二极管d2的阳极相连，并形成第四节点d4；第七开关管q7的第一端与第三节点d3相连，第七开关管q7的第二端与第四节点d4相连。

在该示例中，参照图3，第一二极管d1和第二二极管d2均可为碳化硅二极管或者快恢复二极管，第一开关管q1～第六开关管q6均可为coolmos(metaloxidesemiconductor，金属氧化物半导体)管，第七开关管q7可为igbt管(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)。

进一步地，参照图3，滤波电感l可包括：第一电感l1和第二电感l2。

其中，第一电感l1的一端与第二节点d2相连，第一电感l1的另一端与交流电网2的第一极相连；第二电感l2的一端与第三节点d3相连，第二电感l2的另一端与交流电网2的第二极相连。

更进一步地，参照图3，滤波电容c还可包括第三电容c3，第三电容c3的一端与第一电感l1的另一端相连，第三电容c3的另一端与第二电感l2的另一端相连。

具体地，直流电源1输出直流电压至供电电路11，供电电路11中的第一电容c1和第二电容c2吸收直流电压中的尖峰脉冲和浪涌电压后将其输出至逆变电路12，逆变电路12通过第一二极管d1、第二二极管d2和第一开关管q1～第七开关管q7的导通与关断将该直流电压转换为交流电压，具体而言，在交流电压的每半个周期内，第一开关管q1-第七开关管q7中的一个开关管qi受高频脉冲控制导通和关断，在该开关管qi导通时，实现逆变过程，即将该直流电压转换为交流电压，并将其输出至滤波电路13，该交流电压经过滤波电路13中的第一电感l1、第二电感l2和第三电容c3的滤波处理后，其波形变为平滑的曲线，且更加接近正弦波，最后将滤波处理后的交流电压输出至交流电网2，以满足用电需求；在该开关管qi关断时，由于滤波电感l中的电感电流不会突变，因而在滤波电感l上会储存一部分能量，为了避免这一部分能量回馈到直流电源1中，逆变电路11、滤波电感l和交流电网2构成续流回路，以将一个开关管qi关断后的续流电流与直流电源1隔离。由此，避免在下一次开关管导通时造成开关管的损坏，同时降低输出电流纹波，进而仅需要感值较小的滤波电感。

具体而言，本发明实施例的逆变装置10通过逆变电路12进行逆变时，其一个逆变周期可根据交流电压的大小分为如下几部分，下面参考附图4-图10描述该逆变装置10在一个逆变周期内的工作过程(图4-图10中画的粗虚线上的箭头所指的方向示意为电流流向，粗虚线为电流回路的示意图)。

在0＜uo≤udc/2期间，可控制第五开关管q5和第七开关管q7持续导通，其中，uo为交流电压，udc为直流电压，当第四开关管q4受高频脉冲控制导通时，第一二极管d1、第五开关管q5、第一电感l1、交流电网2、第二电感l2、第四开关管q4和第二电容c2依次构成电流回路，该电流回路如图4所示；当第四开关管q4受高频脉冲控制关断时，第一电感l1、交流电网2、第二电感l2、第七开关管q7和第六开关管q6中的反并联二极管依次构成续流回路，该续流回路如图5所示。

在udc/2＜uo≤udc期间，可控制第一开关管q1、第七开关管q7持续导通，其中，当第四开关管q4受高频脉冲控制导通时，第一开关管q1、第一电感l1、交流电网2、第二电感l2、第四开关管q4和第二电容c2依次构成电流回路，该电流回路如图6所示；当第四开关管q4受高频脉冲控制关断时，第一电感l1、交流电网2、第二电感l2、第七开关管q7和第六开关管q6中的反并联二极管依次构成续流回路，该续流回路如图5所示。

在-udc/2≤uo＜0期间，可控制第六开关管q6持续导通，其中，当第二开关管q2受高频脉冲控制导通时，第二开关管q2、第二电感l2、交流电网2、第一电感l1、第六开关管q6、第二二极管d2、第一电容c1依次构成电流回路，该电流回路如图7所示；当第二开关管q2受高频脉冲控制关断时，第二电感l2、交流电网2、第一电感l1、第六开关管q6和第七开关管q7中的反并联二极管依次构成续流回路，该续流回路如图8所示。

在-udc≤uo＜-udc/2期间，可控制第三开关管q3持续导通，其中，当第二开关管q2受高频脉冲控制导通时，第二开关管q2、第二电感l2、交流电网2、第一电感l1、第三开关管q3、第二电容c2、第一电容c1依次构成电流回路，该电流回路如图9所示；当第二开关管q2受高频脉冲控制关断时，第二电感l2、交流电网2、第一电感l1、第三开关管q3和第四开关管q4中的反并联二极管依次构成续流回路，该续流回路如图10所示。

也就是说，在0＜uo≤udc期间，即在交流电压uo波形的正半周期，可通过工频脉冲控制除了第四开关管q4之外的其他开关管的导通和关断，即第一开关管q1～第三开关管q3、第五开关管q5～第七开关管q7，通过高频脉冲控制第四开关管q4的导通和关断，以实现逆变装置10的逆变过程；在-udc≤uo＜0期间，即在交流电压uo波形的负半周期，可通过工频脉冲控制除了第二开关管q2之外的其他开关管的导通和关断，即第一开关管q1、第二开关管q2～第七开关管q7，通过高频脉冲控制第二开关管q2的导通和关断，以实现逆变装置10的逆变过程。由此，在第四开关管和第二开关管受高频脉冲的控制导通时，第四开关管和第二开关管承受的电压大小均为直流电压的一半，进而降低开关损耗，提升逆变效率。

综上所述，本发明实施例的逆变装置，在交流电压的每半个周期内，其逆变电路只有一个开关管受高频脉冲控制导通和关断，能够降低开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量；降低开关管的电压应力，使得开关管的选择范围增大，进而使得该逆变装置的成本降低；通过将一个开关管关断后的续流电流与直流电源隔离，能够降低输出电流纹波，进而仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率；其逆变电路中的第一二极管和第二二极管均可为具有导通与关断状态的转换速度非常快的碳化硅二极管或快恢复二极管，能够降低逆变时的电能损失，提高电能的利用率；电磁兼容性好，噪声低。

图11是根据本发明实施例的逆变装置的控制方法的流程图。

如图11所示，本发明实施例的逆变装置的控制方法包括以下步骤：

s1，通过高频脉冲控制逆变电路中的一个开关管导通，通过工频脉冲控制逆变电路中的其他开关管导通或关断，以将直流电源输入的直流电压转换成交流电压。

s2，通过高频脉冲控制一个开关管关断，通过工频脉冲控制其他开关管导通或关断，并利用逆变电路、滤波电感和交流电网构成续流回路，以将一个开关管关断后的续流电流与直流电源隔离。

需要说明的是，该实施例的逆变装置的控制方法展开的解释说明可参见前述对逆变装置实施例的解释说明，此处不再赘述。

本发明实施例的逆变装置的控制方法，通过高频脉冲控制逆变电路中的一个开关管的导通和关断，以实现逆变过程，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力；能够将一个开关管关断后的续流电流与直流电源隔离，从而降低输出电流纹波，使得该逆变装置仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

图12是根据本发明实施例的逆变器的结构框图。

如图12所示，本发明实施例的逆变器100包括本发明上述实施例的逆变装置10。

本发明实施例的逆变器，采用本发明实施例的的逆变装置，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力，且能够降低输出电流纹波，使得该逆变装置仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

图13是根据本发明实施例的光伏电源系统的结构框图。

如图13所示，本发明实施例的光伏电源系统1000包括：光电装置200、交流电网2和本发明上述实施例的逆变器100。

其中，光电装置200作为直流电源1，用于输出直流电压；逆变器100的输入端与光电装置200相连，逆变器100的输出端与交流电网2相连，逆变器100用于将直流电压转换成交流电压输出至交流电网2。

优选地，光电装置200可将可再生能源转换为电信号，以输出直流电压，逆变器200将该直流电压转换为波形类似于正弦波的交流电压后输出至交流电网2，实现可再生能源供电，其中，该可再生能源可以为太阳能、风能等。

需要说明的是，该实施例中逆变器200进行电压转换的解释说明可参见前述对逆变装置实施例的解释说明，此处不再赘述。

本发明实施例的光伏电源系统，通过本发明实施例的的逆变器，能够减小开关损耗和磁性元件损耗，提高输出电能质量，降低电压应力，且能够降低输出电流纹波，使得该逆变装置仅需要感值较小的滤波电感，提高逆变效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。