一种逆变系统和DC/DC变换器及其软开关方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种逆变系统和DC/DC变换器及其软开关方法。

背景技术

图1所示为一种常用的DC/DC变换器，其拓扑中，电容Cb和电感L构成一个串联谐振电路；现有技术中，为了实现该拓扑下的软开关控制，需要根据其电容Cb和电感L这两个谐振器件的器件参数计算得到该拓扑的固定谐振频率；再根据该固定谐振频率，对其内部开关管Q1至Q4的开关频率进行设置，以使其各个开关管尽量在零电流状态下开通和关断。

然而，实际应用中，元器件的个体差异可能会导致标注的器件参数偏离其实际情况，进而使得计算得到的谐振频率不准确；另外，外界环境的差异也可能会影响谐振频率的计算结果；因此，该拓扑的软开关控制可靠性较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种逆变系统和DC/DC变换器及其软开关方法，以提高软开关控制的可靠性。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种DC/DC变换器的软开关方法，所述DC/DC变换器的主电路中包括串联谐振电路，所述软开关方法包括：

采集所述主电路的运行参数；

根据所述运行参数，确定所述串联谐振电路的谐振频率；

根据所述谐振频率，对所述主电路的开关频率进行设置；

以所述开关频率对所述主电路的开关管进行通断控制。

可选的，采集所述主电路的运行参数，为：在所述DC/DC变换器的开机试运行阶段进行的，或者，在所述DC/DC变换器的正式运行阶段实时进行的。

可选的，采集所述主电路的运行参数，包括：在所述主电路的输出功率分别为N个不同取值的功率时，采集对应的运行参数；N为大于1的整数；

根据所述运行参数，确定所述串联谐振电路的谐振频率，包括：分别确定N个所述运行参数对应的实时谐振频率；对N个所述实时谐振频率构成的N-1个区间进行分段线性化处理，得到所述谐振频率。

可选的，所述运行参数为：所述串联谐振电路的电流，或者，所述串联谐振电路中谐振电容的电压；

根据所述运行参数，确定所述串联谐振电路的谐振频率，包括：根据所述电流或所述电压，确定其周期性变化的频率，并作为所述谐振频率。

可选的，所述运行参数为：所述主电路的输出功率；

根据所述运行参数，确定所述串联谐振电路的谐振频率，包括：在所述DC/DC变换器的预设经验关系表中，查找与所述输出功率相对应的谐振频率；所述预设经验关系表为在所述DC/DC变换器的调试阶段或所述正式运行阶段进行试验所得到的。

可选的，根据所述谐振频率，对所述主电路的开关频率进行设置，包括：

在小于等于所述谐振频率的取值范围内，选取所述开关频率。

本发明第二方面提供了一种DC/DC变换器，包括：主电路和控制器；

所述主电路中包括串联谐振电路；

所述控制器用于执行如上述第一方面任一段落所述的DC/DC变换器的软开关方法。

可选的，所述控制器包括：参数检测模块、谐振频率确定模块和开关管驱动模块；其中：

所述参数检测模块用于采集所述主电路的运行参数；

所述谐振频率确定模块用于根据所述运行参数，确定所述串联谐振电路的谐振频率；

所述开关管驱动模块用于根据所述谐振频率，对所述主电路的开关频率进行设置；并以所述开关频率对所述主电路的开关管进行通断控制。

可选的，所述开关管驱动模块还用于在所述谐振频率超出预设范围时，进行故障停机处理。

可选的，所述控制器还包括：

过压保护模块，用于在Vin-Vcb>A时，对各所述开关管进行预设时长的封波处理；并在Vin-Vcb>B时，进行故障停机处理；其中，Vin为所述主电路的输入电压，Vcb为所述串联谐振电路中谐振电容的电压，A和B为正数，且B>A；

和/或，

过流保护模块，用于在所述串联谐振电路的电流大于C时，对各所述开关管进行预设时长的封波处理；并在所述电流大于D时，进行故障停机处理；其中，C和D为正数，且D>C。

可选的，所述主电路为三电平开关电容变换器电路。

本发明第三方面提供了一种逆变系统，包括：DC/DC变换模块和逆变模块；所述DC/DC变换模块包括：主DC/DC变换器和从DC/DC变换器；所述逆变模块包括：主DC/AC变换器和从DC/AC变换器；其中：

所述主DC/DC变换器的输入端接收相应光伏组串的输出电能；

所述主DC/DC变换器的输出端正极，作为所述DC/DC变换模块的输出端正极，与所述主DC/AC变换器的直流侧正极相连；

所述从DC/DC变换器的输入端与所述主DC/DC变换器的输出端相连；

所述从DC/DC变换器的输出端正极，作为所述DC/DC变换模块的输出端中点，与所述主DC/AC变换器的直流侧负极以及所述从DC/AC变换器的直流侧正极相连；

所述从DC/DC变换器的输出端负极，作为所述DC/DC变换模块的输出端负极，与所述从DC/AC变换器的直流侧负极相连；

所述从DC/DC变换器为如上述第二方面任一段落所述的DC/DC变换器，且其主电路为反相式电路。

可选的，还包括：另外至少一个所述DC/DC变换模块。

本发明提供的DC/DC变换器的软开关方法，其首先采集该DC/DC变换器中主电路的运行参数；然后根据该运行参数，确定其串联谐振电路的谐振频率；进而能够根据实际运行情况，确定其真实的谐振频率；再根据该谐振频率，对主电路的开关频率进行设置后，对主电路的开关管进行通断控制；进而能够确保开关频率的设定是基于其真实的谐振频率进行的，避免了由于元器件的差异和外界环境的差异所带来的固定谐振频率不准确的问题，提高了软开关控制的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的DC/DC变换器的电路图；

图2和图3分别为本发明实施例提供的DC/DC变换器的软开关方法的两种流程图；

图4a和图4b分别为本发明实施例提供的DC/DC变换器的两种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的逆变系统的结构示意图。

具体实施方式

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。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供一种DC/DC变换器的软开关方法，以提高软开关控制的可靠性。

如图1中所示，该DC/DC变换器的主电路中包括由电容Cb和电感L构成的串联谐振电路；该DC/DC变换器的软开关方法，如图2中所示，具体包括：

S101、采集主电路的运行参数。

该运行参数具体可以是指：串联谐振电路的电流，比如流过电感L的电流；或者，该运行参数也可以是指：谐振电容Cb两端的电压Vcb；又或者，该运行参数还可以是指：该主电路的输出功率。视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

不论该DC/DC变换器是在安装调试阶段，还是在每次开机时的试运行阶段，又或者是在开机后的正式运行阶段，只要其处于运行状态，即可通过相应的检测模块采集得到上述运行参数。

S102、根据运行参数，确定串联谐振电路的谐振频率。

当该运行参数为电感L的电流或者谐振电容Cb两端的电压Vcb时，可以直接根据该电流或电压，确定其周期性变化的频率，并作为谐振频率。

当该运行参数为主电路的输出功率时，由于不同输出功率下，可能会对应不同的谐振频率，所以可以在DC/DC变换器的调试阶段，通过试验得到其输出功率与谐振频率之间的对应关系，将其设置成一个预设经验关系表，存储于该DC/DC变换器的控制器中；然后即可根据采集得到的输出功率，在DC/DC变换器的预设经验关系表中，查找与该输出功率相对应的谐振频率。

S103、根据谐振频率，对主电路的开关频率进行设置。

实际应用中，可以在小于等于谐振频率的取值范围内，选取一个数值作为该开关频率。

当开关频率小于谐振频率时，比如谐振频率为50Hz，而开关频率为10Hz时，则该主电路的输出电流，也即串联谐振电路中流过的电流，在每个周期内将会有20ms的半波(正半周期或负半周期)曲线加上80ms的过零值；也即拉长了输出电流的过零点，使主电路的开关管能够在较长的过零点下进行开通和关断，确保了软开关的实现。

当开关频率等于谐振频率时，则能够使开关管正好在输出电流过零时开通或关断，也能够确保软开关的实现。

S104、以开关频率对主电路的开关管进行通断控制。

该开关频率确定之后，在下次确定新的开关频率之前，即以此开关频率对各开关管进行通断控制。

本实施例提供的DC/DC变换器的该软开关方法，通过上述过程，能够根据实际运行情况，确定其真实的谐振频频率，进而能够确保开关频率的设定是基于其真实的谐振频率进行的，避免了由于元器件的差异和外界环境的差异所带来的固定谐振频率不准确的问题，提高了软开关控制的可靠性。

实际应用中，上一实施例中的步骤S101、采集主电路的运行参数，可以是在DC/DC变换器的不同阶段进行的，具体的：

(1)步骤S101在该DC/DC变换器的开机试运行阶段进行时：

参见图3，步骤S101具体包括：在主电路的输出功率为N个不同取值的功率时，采集对应的运行参数。

其中，N为大于1的整数，也即，需要至少采集两次；比如，N＝2时，步骤S101包括：在主电路的输出功率为第一功率时，采集对应的第一运行参数；以及，在主电路的输出功率为第二功率时，采集对应的第二运行参数。

其中，第一功率小于第二功率，且第一功率大于0，第二功率小于等于该主电路能够输出的最大功率Pmax。比如，第一功率可以为0.05Pmax、0.1Pmax或者0.2Pmax等，只要是一个较小值即可；该第二功率可以直接取Pmax；此处不做具体限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

此时，步骤S102、根据运行参数，确定串联谐振电路的谐振频率，对应包括：

S201、分别确定N个运行参数对应的实时谐振频率。

当N＝2时，步骤S201具体包括：根据第一运行参数，确定其相应的第一实时谐振频率；以及，根据第二运行参数，确定其相应的第二实时谐振频率。

而且，每次对于实时谐振频率的确定过程中，都可以是通过电感L的电流或者谐振电容Cb两端的电压Vcb，来确定其周期性变化的频率，并作为相应的谐振频率。

S202、对N个实时谐振频率构成的N-1个区间进行分段线性化处理，得到谐振频率。

当N＝2时，步骤S202具体包括：计算第一实时谐振频率和第二实时谐振频率的平均值；以及，以该平均值作为谐振频率。

一种具体的示例是，在开机试运行阶段，先控制该DC/DC变换器中各开关管以预设初始开关频率F1投入斩波运行状态，使主电路的输出功率为0.1Pmax，实时采集电压Vcb，确定其谐振频率Fls1；然后再控制该主电路的输出功率为Pmax，实时采集电压Vcb，确定其谐振频率Fls2；即可计算两者的平均值F2＝(Fls1 Fls2)/2；然后，可以直接以该平均值F2作为开关频率，也可以以一个小于该平均值F2的数值作为开关频率，继续执行步骤S104，使该DC/DC变换器进入正式运行阶段。

(2)步骤S101在该DC/DC变换器的正式运行阶段进行时：

此时，运行参数仍然为电感L的电流或者谐振电容Cb两端的电压Vcb，与上一情况不同的是，步骤S101至S104均是实时执行的。一种具体的示例是，在正式运行阶段，先控制各开关管以预设初始开关频率F1投入斩波运行状态，使主电路的输出功率为Pmax，或者其当前能够输出的最大功率值，实时采集电压Vcb，确定其谐振频率Fls；然后可以直接以该谐振频率Fls作为开关频率，也可以以一个小于该谐振频率Fls的数值作为开关频率，继续执行步骤S104，使该DC/DC变换器运行于实时调节的开关频率下。

(3)步骤S101在该DC/DC变换器的正式运行阶段进行时：

该方式下，需要在系统安装完毕后的设备调试阶段，对该DC/DC变换器进行多次试验，以得到其不同输出功率下对应的不同谐振频率，具体也可以是通过对各输出功率下电感L电流或者谐振电容Cb两端电压Vcb的采集得到的；然后将各个输出功率与各个谐振频率之间的对应关系保存在预设经验关系表中，以供正式运行阶段调用。当然，该预设经验关系表也可以是在正式运行阶段，根据实时的检测结果进行更新确定的；视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

正式运行阶段，步骤S101中采集的运行参数为主电路的输出功率。而且，步骤S102、根据运行参数，确定串联谐振电路的谐振频率，具体包括：在DC/DC变换器的预设经验关系表中，查找与输出功率相对应的谐振频率。进而也能够使该DC/DC变换器运行于实时调节的开关频率下。

上述三种情况均为可选方式示例，并不仅限于此；实际应用中，正式运行阶段也可以采用多个不同功率下对应实时谐振频率的分段线性化处理来确定谐振频率；开机试运行阶段，也可以采用其他方式来确定谐振频率。不论哪种方式，只要能够以非固定的开关频率进行调制，即可避免因电路元器件的差异以及外界环境的差异导致的谐振频率变化而在非软开关模式下运行的问题，提高电路工作效率。

本发明另一实施例还提供了一种DC/DC变换器，包括：主电路101和控制器102；其主电路101可以是三电平SCC(Switched Capacitor Converter，开关电容变换器)电路，比如图4a所示的二极管钳位型结构或者图4b所示的飞跨电容型结构，只要其内部包括电容Cb和电感L构成的串联谐振电路即可，均在本申请的保护范围内。

该控制器102用于执行如上述任一实施例所述的DC/DC变换器的软开关方法。该软开关方法参见上述实施例即可，不再一一赘述。具体的，如图4a和图4b中所示，控制器102包括：参数检测模块、谐振频率确定模块201和开关管驱动模块202；其中：

参数检测模块用于采集主电路101的运行参数；图4a和图4b中展示了采集电感L电流的电流传感器CT，实际应用中，该参数检测模块还可以包括采集输入电压Vin的电压检测器件，采集电容Cb两端电压Vcb的电压检测器件，以及采集输出电压Vout的电压检测器件；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

谐振频率确定模块201用于根据运行参数，确定串联谐振电路的谐振频率；比如，根据电感L的电流或者谐振电容Cb两端的电压Vcb，确定其周期性变化的频率，来作为相应的谐振频率。

开关管驱动模块202用于根据谐振频率，对主电路101的开关频率进行设置；并以开关频率对主电路101的开关管Q1至Q4进行通断控制。该开关频率小于等于谐振频率确定模块201输出的谐振频率即可，具体取值不做限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

优选的，该开关管驱动模块202还能够在谐振频率超出预设范围时，进行故障停机处理，进而确保各开关管不会在硬开关状态下动作，防止器件过热的问题。

优选的，如图4a和图4b所示，该控制器102还包括：过压保护模块203和/或过流保护模块204；其中：

过压保护模块203用于在Vin-Vcb>A时，对各开关管进行预设时长的封波处理；并在Vin-Vcb>B时，进行故障停机处理；其中，Vin为主电路101的输入电压，Vcb为串联谐振电路中谐振电容的电压，A和B为正数，且B>A；

过流保护模块204，用于在串联谐振电路的电流大于C时，对各开关管进行预设时长的封波处理；并在电流大于D时，进行故障停机处理；其中，C和D为正数，且D>C。

上述预设时长可以取值为10us，但并不仅限于此，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

通过上述频率范围、电压范围或电流范围的检测，还能够实现对于DC/DC变换器的异常检测，可实时保护开关管的电应力，使得系统更加可靠。

本发明另一实施例还提供了一种逆变系统，如图5所示，包括：DC/DC变换模块10和逆变模块20；DC/DC变换模块10包括：主DC/DC变换器11和从DC/DC变换器12；逆变模块20包括：主DC/AC变换器21和从DC/AC变换器22；其中：

主DC/DC变换器11的输入端接收相应光伏组串PV的输出电能；各主DC/DC变换器11可以直接相连相应的光伏组串，也可以通过其他设备，比如断路器等，间接与相应的光伏组串相连；且各主DC/DC变换器11可以分别连接一个光伏组串，或者，也可以分别并联连接有两个以上的光伏组串，均在本申请的保护范围内。

主DC/DC变换器11的输出端正极，作为DC/DC变换模块10的输出端正极，与主DC/AC变换器21的直流侧正极相连。

从DC/DC变换器12的输入端与主DC/DC变换器11的输出端相连；从DC/DC变换器12的输出端正极，作为DC/DC变换模块10的输出端中点，与主DC/AC变换器21的直流侧负极以及从DC/AC变换器22的直流侧正极相连；从DC/DC变换器12的输出端负极，作为DC/DC变换模块10的输出端负极，与从DC/AC变换器22的直流侧负极相连。

而且，该从DC/DC变换器12为如上述任一实施例所述的DC/DC变换器，且如图4a和图4b所示，其主电路为反相式电路。

实际应用中，对于大型光伏电站，该逆变系统还可以包括：另外至少一个DC/DC变换模块10。各个DC/DC变换模块10的输出端正极，具体可以是通过直流母线正极BUS ，与主DC/AC变换器21的直流侧正极相连；各DC/DC变换模块10的输出端中点，具体可以是通过直流母线中点N，与主DC/AC变换器21的直流侧负极以及从DC/AC变换器22的直流侧正极相连；各DC/DC变换模块10的输出端负极，具体可以是通过直流母线负极BUS-，与从DC/AC变换器22的直流侧负极相连。该直流母线正极BUS 与中点N之间，以及，中点N与直流母线负极BUS-负极之间，分别设置有相应的半母线电容。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中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网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。