一种变换器、变换器的控制方法和光伏储能充电系统

技术领域

本发明涉及逆变器、光伏储能技术领域，具体而言，涉及一种变换器、变换器的控制方法和光伏储能充电系统。

背景技术

为加快推进“碳中和”，光伏等新能源的应用势在必行，而储能装置用于波动性较大的新能源并网系统中成为研究热点。其中，单相AC-DC变换器由于其高效率、低成本和高可靠性在单相光伏储能充电系统中得到广泛应用。

然而，当充电系统在单相电网下运行时，变换器电网侧的二倍频脉动功率会导致直流侧的低频电压或电流纹波，影响系统的稳态控制性能。其中，直流侧母线电压上的二倍频波动会导致电网侧输入电流畸变，使电网侧的电能质量降低；另一方面，储能电池电流中的低频纹波会使电池发热，影响电池的使用寿命和系统的可靠性，光伏侧受母线低频纹波电压的影响也会影响其最大功率点跟踪的效果。

为解决上述问题，变换器中最常采用的方法是在直流侧母线处加入大量的无源储能器件，如电解电容和电感。但采用这种方法时，一方面会增加充电系统中变换器的体积和重量；另一方面，电解电容的使用寿命较短，会影响变换器的可靠性。

因此，为降低单相充电时对直流侧母线上无源器件的要求，有源功率解耦（Activepower decoupling，APD）方法在近年来成为了研究热点，即通过在变换器中加入额外的无源器件和功率开关构成APD电路，实现对二倍频脉动功率的解耦，抑制直流侧电压或电流的低频波动。但是，传统的APD方法一般都需要在传统的变换器基础上增加无源器件和功率开关管，对变换器的成本和功率密度仍有一定的影响。

如图1所示，传统的拓扑结构中，有源功率解耦电路由四个开关管（

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种变换器、变换器的控制方法和光伏储能充电系统，以至少解决相关技术中变换器成本较高，同时开关管损耗也更高的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种变换器，包括：第一半桥电路、第二半桥电路、第一滤波电感器、第二滤波电感器、第一电容器、第二电容器和第三电容器；所述第一滤波电感器的第一端用于与电网火线连接，所述第一滤波电感器的第二端与所述第一半桥电路的中间点连接；所述第一电容器与所述第二电容器串联构成第一串联电路，以及所述第二滤波电感器与所述第三电容器串联构成第二串联电路；所述第二串联电路的第一端与所述第一串联电路的中间点连接，所述第二串联电路的第二端与所述第二半桥电路的中间点连接；所述第一串联电路的中间点还用于与电网零线连接，其中，所述第一串联电路的中间点位于第一电容器与所述第二电容器之间的线路上；所述第一半桥电路的第一端、所述第一串联电路的第一端和所述第二半桥电路的第一端相连接；以及所述第一半桥电路的第二端、所述第一串联电路的第二端和所述第二半桥电路的第二端相连接。

可选地，所述第一半桥电路包括：第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管的源极与所述第二开关管的漏极连接，所述第一开关管的漏极作为所述第一半桥电路的第一端，所述第二开关管的源极作为所述第一半桥电路的第二端，所述第一半桥电路的中间点位于所述第一开关管与所述第二开关管之间的线路上。

可选地，所述第二半桥电路包括：第三开关管和第四开关管，其中，所述第三开关管的源极与所述第四开关管的漏极连接，所述第三开关管的漏极作为所述第二半桥电路的第一端，所述第四开关管的源极作为所述第二半桥电路的第二端，所述第二半桥电路的中间点位于所述第三开关管与所述第四开关管之间的线路上。

可选地，所述第一电容器的第二端与所述第二电容器的第一端连接，所述第一电容器的第一端作为所述第一串联电路的第一端，所述第二电容器的第二端作为所述第一串联电路的第二端。

可选地，还包括：变换器的第一输出端和第二输出端，其中，将所述第一半桥电路的第一端、所述第一串联电路的第一端和所述第二半桥电路的第一端相连接后接入所述第一输出端，所述第一输出端还用于接入DC-DC变换器的第一输入端；以及将所述第一半桥电路的第二端、所述第一串联电路的第二端和所述第二半桥电路的第二端相连接后接入所述第二输出端，所述第二输出端还用于接入DC-DC变换器的第二输入端。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种光伏储能充电系统，所述光伏储能充电系统包括上述中所述的变换器。

可选地，还包括：光伏DC-DC变换器和/或储能电池DC-DC变换器；其中，所述光伏DC-DC变换器与所述变换器、光伏板分别连接；所述储能电池DC-DC变换器与所述变换器、储能电池分别连接。

可选地，还包括：第一开关，其中，所述第一开关串联到电网与所述变换器之间的线路上。

可选地，还包括：第二开关和负载，其中，所述负载与所述第二开关串联后，再串联到所述第一开关与所述变换器之间的线路上，所述第二开关用于控制所述负载在所述光伏储能充电系统中的连通状态。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种变换器的控制方法，所述变换器包括：第一半桥电路、第二半桥电路、第一滤波电感器、第二滤波电感器、第一电容器、第二电容器和第三电容器；所述控制方法包括：分别对所述第一电容器的电压值和所述第二电容器的电压值进行采样，得到母线电压值；利用比例积分（Proportional Integral，简称为PI）控制器对所述母线电压值与预设的母线电压值进行处理，得到所述第一滤波电感器的输入电流幅值给定值；对电网电压值进行采样，并基于二阶广义积分器锁相环（SOGI-PLL）对所述电网电压值中的相位信息进行处理，得到电网电流值的参考相位；根据所述第一滤波电感器的输入电流幅值给定值和所述电网电流值的参考相位，计算得到所述第一滤波电感器的输入电流给定值；利用比例谐振（Proportional Resonant，简称为PR）控制器对所述第一滤波电感器的输入电流值和输入电流给定值进行处理，以及结合所述电网电压值，生成第一PWM信号；根据所述第一PWM信号控制所述第一半桥电路中开关管的工作状态；根据所述电网电压值、所述第一滤波电感器的输入电流值和所述第三电容器的电容值，计算得到所述第三电容器的电压给定值；利用比例谐振控制器对所述第三电容器的电压值和电压给定值进行处理，得到所述第二滤波电感器的输入电流给定值；利用比例谐振控制器对所述第二滤波电感器的输入电流值和输入电流给定值进行处理，生成第二PWM信号；根据所述第二PWM信号控制所述第二半桥电路中开关管的工作状态。

在本发明实施例中，该变换器可以应用在单相光伏储能充电系统中，带有有源功率解耦功能的变换器中将电网零线与直流侧母线电容器中间点直接相连，电网火线与滤波电感器和变换器一路半桥相连组成功率因数校正电路，同时变换器的另一个半桥与滤波电感器和电容器相连组成有源功率解耦电路，通过带有有源功率解耦功能的变换器实现单相电网下的充电功能，从而实现了减小充电系统所需的开关管数量和无源器件的体积，减小电网侧电流中的低次谐波分量，降低系统成本，提高能量变换的效率和装置的能量密度，同时实现电网侧的二倍工频脉动功率的吸收和直流侧二倍频电压纹波的抑制，从而延长储能电池的使用寿命，提高充电系统的可靠性的技术效果，进而解决了相关技术中变换器成本较高，同时开关管损耗也更高的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术中提供的变换器的传统拓扑结构的示意图；

图2是根据本发明实施例提供的变换器的拓扑结构的示意图；

图3是根据本发明实施例提供的光伏储能充电系统的示意图；

图4是根据本发明实施例提供的变换器的控制方法的流程图；

图5是根据本发明实施例提供的变换器中功率因数校正部分的控制回路的示意图；

图6是根据本发明实施例提供的变换器中有源功率解耦部分控制回路的示意图；

图7是根据本发明实施例提供的V相半桥在

图8是根据本发明实施例提供的变换器的控制流程的示意图；

图9是根据本发明实施例提供的电网电压周期下变换器的工作过程波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种变换器。图2是根据本发明实施例提供的变换器的拓扑结构的示意图，如图2所示，该变换器包括：第一半桥电路、第二半桥电路、第一滤波电感器

进一步地，第一滤波电感器

上述变换器为单相AC-DC变换器。

在本发明实施例中，该变换器可以应用在单相光伏储能充电系统中，带有有源功率解耦功能的变换器中将电网零线与直流侧母线电容器中间点直接相连，电网火线与滤波电感器和变换器一路半桥相连组成功率因数校正电路，同时变换器的另一个半桥与滤波电感器和电容器相连组成有源功率解耦电路，通过带有有源功率解耦功能的变换器实现单相电网下的充电功能，从而实现了减小充电系统所需的开关管数量和无源器件的体积，减小电网侧电流中的低次谐波分量，降低系统成本，提高能量变换的效率和装置的能量密度，同时实现电网侧的二倍工频脉动功率的吸收和直流侧二倍频电压纹波的抑制，从而延长储能电池的使用寿命，提高充电系统的可靠性的技术效果，进而解决了相关技术中变换器成本较高，同时开关管损耗也更高的技术问题。

需要说明的是，该变换器可以通过直流电压和电网侧电流双闭环实现直流侧电压跟随给定值变化的同时，完成电网侧变换器输入电流的功率因数校正功能。另外，通过控制变换器中的有源功率解耦回路，可以使单相电网电压充电系统中直流侧的低频脉动功率得到抑制，从而可以改善网侧电流的谐波控制效果的同时，减小母线电容的体积，提高变换器的可靠性和功率密度。相比传统变换器在不增加功率开关管的同时，实现电网侧功率因数校正，得到稳定的直流电压，同时抑制直流侧的低频脉动功率，可以改善电网侧电能质量的同时，提高变换器的可靠性和功率密度。

作为一种可选的实施例，上述第一半桥电路包括：第一开关管

作为一种可选的实施例，上述第二半桥电路包括：第三开关管

作为一种可选的实施例，第一电容器

作为一种可选的实施例，上述变换器还包括：变换器的第一输出端和第二输出端，其中，将第一半桥电路的第一端、第一串联电路的第一端和第二半桥电路的第一端相连接后接入第一输出端，第一输出端还用于接入DC-DC变换器的第一输入端；以及将第一半桥电路的第二端、第一串联电路的第二端和第二半桥电路的第二端相连接后接入第二输出端，第二输出端还用于接入DC-DC变换器的第二输入端。

上述DC-DC变换器包括但不限于光伏DC-DC变换器和储能电池DC-DC变换器等。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种光伏储能充电系统，该光伏储能充电系统包括上述中的变换器。

在本发明实施例中，该变换器应用在单相光伏储能充电系统中，带有有源功率解耦功能的变换器中将电网零线与直流侧母线电容器中间点直接相连，电网火线与滤波电感器和变换器一路半桥相连组成功率因数校正电路，同时变换器的另一个半桥与滤波电感器和电容器相连组成有源功率解耦电路，通过带有有源功率解耦功能的变换器实现单相电网下的充电功能，从而实现了减小充电系统所需的开关管数量和无源器件的体积，减小电网侧电流中的低次谐波分量，降低系统成本，提高能量变换的效率和装置的能量密度，同时实现电网侧的二倍工频脉动功率的吸收和直流侧二倍频电压纹波的抑制，从而延长储能电池的使用寿命，提高充电系统的可靠性的技术效果，进而解决了相关技术中变换器成本较高，同时开关管损耗也更高的技术问题。

作为一种可选的实施例，还包括：光伏DC-DC变换器和/或储能电池DC-DC变换器；其中，光伏DC-DC变换器与变换器、光伏板分别连接；储能电池DC-DC变换器与变换器、储能电池分别连接。

作为一种可选的实施例，还包括：第一开关

作为一种可选的实施例，还包括：第二开关

图3是根据本发明实施例提供的光伏储能充电系统的示意图，如图3所示，该系统的主要包括单相电网

光伏储能充电系统可以通过储能电池存储光伏能量，向电网反馈多余能量，同时为离网负载供电。在储能电池处于缺电状态时，系统可以通过单相AC-DC变换器对储能电池进行充电。

进一步地，当变换器在系统处于单相电网工况下充电运行时，其内部可以分为功率因数校正部分（Power factor correction，简称为PFC）和有源功率解耦部分。功率因数校正部分由单相电网

另外，变换器的有源滤波部分由V相开关管

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种变换器的控制方法，该变换器包括：第一半桥电路、第二半桥电路、第一滤波电感器、第二滤波电感器、第一电容器、第二电容器和第三电容器；需要说明的是，该变换器采用本发明实施例提供的变换器的拓扑结构。

图4是根据本发明实施例提供的变换器的控制方法的流程图，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S401，分别对第一电容器的电压值和第二电容器的电压值进行采样，得到母线电压值；

步骤S402，利用比例积分控制器对母线电压值与预设的母线电压值进行处理，得到第一滤波电感器的输入电流幅值给定值；

步骤S403，对电网电压值进行采样，并基于二阶广义积分器锁相环对电网电压值中的相位信息进行处理，得到电网电流值的参考相位；

步骤S404，根据第一滤波电感器的输入电流幅值给定值和电网电流值的参考相位，计算得到第一滤波电感器的输入电流给定值；

步骤S405，利用比例谐振控制器对第一滤波电感器的输入电流值和输入电流给定值进行处理，以及结合电网电压值，生成第一PWM信号；

步骤S406，根据第一PWM信号控制第一半桥电路中开关管的工作状态；

步骤S407，根据电网电压值、第一滤波电感器的输入电流值和第三电容器的电容值，计算得到第三电容器的电压给定值；

步骤S408，利用比例谐振控制器对第三电容器的电压值和电压给定值进行处理，得到第二滤波电感器的输入电流给定值；

步骤S408，利用比例谐振控制器对第二滤波电感器的输入电流值和输入电流给定值进行处理，生成第二PWM信号；

步骤S409，根据第二PWM信号控制第二半桥电路中开关管的工作状态。

在本发明实施例中，该变换器可以应用在单相光伏储能充电系统中，带有有源功率解耦功能的变换器中将电网零线与直流侧母线电容器中间点直接相连，电网火线与滤波电感器和变换器一路半桥相连组成功率因数校正电路，同时变换器的另一个半桥与滤波电感器和电容器相连组成有源功率解耦电路，通过带有有源功率解耦功能的变换器实现单相电网下的充电功能，从而实现了减小充电系统所需的开关管数量和无源器件的体积，减小电网侧电流中的低次谐波分量，降低系统成本，提高能量变换的效率和装置的能量密度，同时实现电网侧的二倍工频脉动功率的吸收和直流侧二倍频电压纹波的抑制，从而延长储能电池的使用寿命，提高充电系统的可靠性的技术效果，进而解决了相关技术中变换器成本较高，同时开关管损耗也更高的技术问题。

图5是根据本发明实施例提供的变换器中功率因数校正部分的控制回路的示意图，如图5所示，变换器在功率因数校正部分的控制回路电压外环中通过采用比例积分控制器，使直流侧的母线电压值

图6是根据本发明实施例提供的变换器中有源功率解耦部分控制回路的示意图，如图6所示，有源功率解耦部分控制回路则需要首先根据电网电压值

设

设有源滤波理想情况下第三电容器的电压值

其中

而有源功率解耦即需要

图7是根据本发明实施例提供的V相半桥在

图8是根据本发明实施例提供的变换器的控制流程的示意图，如图8所示，控制器对变换器电路中第一电容器的电压值

图9是根据本发明实施例提供的电网电压周期下变换器的工作过程波形图，如图9所示，采用本方明实施例的变换器及其控制方法时可以实现第一滤波电感器的输入电流值

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可为个人计算机、服务器或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。