用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，涉及交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，由一個(gè)濾波電容器、一個(gè)電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關(guān)管A和開關(guān)管B組成；解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管A集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點(diǎn)上，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管B發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負(fù)極節(jié)點(diǎn)上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)通過電感連接在開關(guān)管A發(fā)射極和開關(guān)管B集電極的連接點(diǎn)上，克服了現(xiàn)有光伏并網(wǎng)逆變器要大容量大體積解耦電容、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高的缺陷。
【專利說(shuō)明】用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，具體地說(shuō)是用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在單相光伏并網(wǎng)逆變器中，為使逆變器的輸出功率因數(shù)接近1，需要控制逆變器的輸出電流波形為正弦波形且與電網(wǎng)電壓同相位，這使得逆變器的輸出功率為兩倍于電網(wǎng)頻率的脈動(dòng)功率。這個(gè)脈動(dòng)功率會(huì)在直流母線上產(chǎn)生低頻紋波，進(jìn)而引起光伏陣列的電壓和電流的波動(dòng)。然而，為了最大限度地利用光伏陣列所發(fā)出的能量，必須使光伏陣列充分接近其最大功率點(diǎn)運(yùn)行。為了限制在直流母線上產(chǎn)生的低頻紋波，現(xiàn)有的解決方法是在光伏陣列兩端并聯(lián)大的解耦電容，對(duì)于400V的直流母線電壓來(lái)說(shuō)，解耦電容一般為0.5mF/kW。這無(wú)疑增加了逆變器的體積和成本。為了減小所需解耦電容的容量，人們已經(jīng)提出了多種功率解耦方法。
[0003]文獻(xiàn)《Utility-connected power converter for maximizing power transferfrom a photovoltaic source while drawing ripple-free current〉〉提出的方法增大了母線電容的電壓波動(dòng)幅度，使器件的耐壓增大，從而對(duì)高耐壓電容的選擇帶來(lái)困難，并且器件的壽命也會(huì)降低。文獻(xiàn)《DC bus regulation strategy for grid-connected V powergeneration system))提出的方法是將一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)之后,再并聯(lián)在直流母線上，利用LC串聯(lián)諧振的方法可以有效減小母線的電壓波動(dòng)。這種解耦方法的L和C的取值很大，并且其產(chǎn)生的諧振電流存在大幅度波動(dòng)，給系統(tǒng)增加了不穩(wěn)定性，并且這種方法不適用于小功率場(chǎng)合。CN101841252A公開了一種主動(dòng)能量解耦的光伏并網(wǎng)逆變器，利用兩個(gè)反激變換器并聯(lián)電容的方式，其裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和成本高；CN102522766A披露了一種帶有功率解耦電路的反激式微型光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法，該逆變器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要三個(gè)開關(guān)管，增加了控制復(fù)雜程度，也增大了解耦回路的體積；CN102638059A報(bào)道了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率解耦電路及其控制方法，該電路的解耦部分位于全橋逆變和并網(wǎng)濾波器之間，對(duì)并網(wǎng)濾波器的設(shè)計(jì)要求和成本均較高。
[0004]總之，現(xiàn)有的單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置中，仍存在需要較大容量和較大體積的解耦電容、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和成本高的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，可以保障直流母線電壓穩(wěn)定在400V左右，克服了現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)逆變器裝置中需要較大容量和較大體積的解耦電容、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大和成本高的缺陷。
[0006]本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，由一個(gè)濾波電容器、一個(gè)電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關(guān)管A和開關(guān)管B組成；其中，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管A的集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點(diǎn)上，該正極節(jié)點(diǎn)在一條直流母線上，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管B的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負(fù)極節(jié)點(diǎn)上，該負(fù)極節(jié)點(diǎn)則在另一條直流母線上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)通過電感連接在開關(guān)管A發(fā)射極和開關(guān)管B集電極的連接點(diǎn)上。
[0007]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，所述濾波電容器的電容量為22μ F和耐壓是400V，電感的電感值為2mH，解耦電容器A的電容量為22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器B的電容量為136 μ F和耐壓是320V，開關(guān)管A和開關(guān)管B均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5。
[0008]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其中所涉及到的開關(guān)管、電容器、電感都是公知的，所有元器件都可以通過商購(gòu)等公知途徑獲得，所有元器件的連接也都是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員所熟知的線路連接方法。
[0009]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，在應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器中時(shí)，該功率解耦電路靠近濾波電容器的正負(fù)極兩端與光伏陣列的正負(fù)極兩端并聯(lián)再分別連接在一條直流母線上，該功率解耦電路靠近開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的的正負(fù)極兩端分別與逆變器輸入端的正負(fù)極兩端連接，逆變器輸出端與電網(wǎng)相連。由兩個(gè)開關(guān)管和電感組成的雙向升降壓變換器將解耦電容器A和解耦電容器B連接起來(lái)，使得能量可以在解耦電容器A和解耦電容器B之間雙向傳遞，兩個(gè)開關(guān)管使解耦電容器B的電壓有較大的波動(dòng)同時(shí)保持直流母線電壓穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)逆變器輸入和輸出之間的功率解耦。解耦電容器B的容量較大，由它來(lái)儲(chǔ)存光伏陣列的過剩能量，濾波電容器的容量很小，其作用是保持直流母線電壓的穩(wěn)定。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是:
[0011](I)根據(jù)逆變器輸出功率的大小，本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路有以下兩種工作模式，①當(dāng)來(lái)自光伏陣列的輸入功率大于輸出功率時(shí)，功率解耦電路工作在充電模式:當(dāng)開關(guān)管A開通，解耦電容器A放電，電流從開關(guān)管A的發(fā)射極節(jié)點(diǎn)經(jīng)過電感流向解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)，從而電感的電流增加，電感充電；當(dāng)開關(guān)管A關(guān)斷，電感通過解耦電容器B和開關(guān)管B的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器B充電。在這個(gè)充電模式中，解耦電容器A的電壓逐漸減小，解耦電容器B的電壓逐漸增加，來(lái)自光伏陣列的過剩能量被儲(chǔ)存在解耦電容器B中。②當(dāng)來(lái)自光伏陣列的輸入功率小于輸出功率時(shí)，功率解耦電路工作在放電模式:當(dāng)開關(guān)管B開通，解耦電容器B放電，電流從解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)流向開關(guān)管B的集電極節(jié)點(diǎn)，從而電感電流增加，電感充電；當(dāng)開關(guān)管B關(guān)斷，電感通過解耦電容器A和開關(guān)管A的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器A充電，通過解耦電容器A再把儲(chǔ)存的能量釋放至主電路中。在這個(gè)放電模式中，解耦電容器B將已經(jīng)儲(chǔ)存的部分能量逐漸釋放出來(lái)，以補(bǔ)充光伏陣列不足的能量，解耦電容器A的電壓逐漸增加，解耦電容器B的電壓逐漸減小，解耦電容器B釋放出來(lái)的能量一部分轉(zhuǎn)移到解耦電容器A中，另一部分補(bǔ)充光伏陣列出的不足能量。這個(gè)能量指的是在放電模式中，逆變器輸出的能量減去光伏陣列發(fā)出的能量。
[0012](2)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路在光伏并網(wǎng)逆變器的應(yīng)用中，解耦電容器A和解耦電容器B的最大電壓均低于直流母線電壓，電容器額定電壓的降低可以大幅減小電容器的體積的成本。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著進(jìn)步是:
[0014](I)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，在實(shí)現(xiàn)功率解耦的同時(shí)，能有效減小所需解耦電容的容量。通過理論計(jì)算和推導(dǎo)，在相同條件下，只使用大電解電容實(shí)現(xiàn)功率解耦光伏并網(wǎng)逆變器時(shí)，需要的電解電容的容值為500 μ F，而使用本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路時(shí)，對(duì)于相同的輸入輸出功率只需采用容值為180 μ F的電解電容即可，而且在電容器的最大需承受的電壓方面，前者最大耐壓需為直流母線電壓400V，而后者僅為320V。從而在本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路中，減小了電容的體積，同時(shí)在相同條件下增加了光伏逆變系統(tǒng)的功率密度。
[0015](2)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，能使解耦電容承受的電壓降低至小于直流母線電壓，有利于減小整個(gè)電路裝置的成本和體積，特別適用于小功率單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。
[0016](3)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，可以保障直流母線電壓穩(wěn)定在400V左右，從而減小直流母線的電壓紋波，且有利于實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]圖1是本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用的示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的相關(guān)波形示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器的工作過程原理示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果所測(cè)試得到的主要波形。
[0023]圖中，1.解耦電容器Α，2.解耦電容器B，3.濾波電容器，4.開關(guān)管Α，5.開關(guān)管B，
6.電感，7.中間節(jié)點(diǎn)，8.開關(guān)管A發(fā)射極和開關(guān)管B集電極的連接點(diǎn)，9.正極節(jié)點(diǎn)，10.負(fù)極節(jié)點(diǎn)，11.光伏陣列，12.逆變器，13.電網(wǎng)，14.直流母線
【具體實(shí)施方式】
[0024]圖1所示實(shí)施例表明，用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，由一個(gè)濾波電容器
3、一個(gè)電感6、解耦電容器Al、解耦電容器Β2、開關(guān)管Α4和開關(guān)管Β5組成；其中，解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)，開關(guān)管Α4和開關(guān)管Β5串聯(lián)后的開關(guān)管Α4的集電極連接于解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)部分的正極節(jié)點(diǎn)9上，該正極節(jié)點(diǎn)9在一條直流母線14上，開關(guān)管Α4和開關(guān)管Β5串聯(lián)后的開關(guān)管Β5的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)部分的負(fù)極節(jié)點(diǎn)10上，該負(fù)極節(jié)點(diǎn)則在另一條直流母線14上，解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)7通過電感連接在開關(guān)管A發(fā)射極和開關(guān)管B集電極的連接點(diǎn)8上。
[0025]圖2所示實(shí)施例表明，本發(fā)明在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用情況是:本圖中虛線框內(nèi)所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實(shí)施例的說(shuō)明)靠近濾波電容器3的正負(fù)極兩端與光伏陣列11的正負(fù)極兩端并聯(lián)再分別連接在一條直流母線14上，該功率解耦電路靠近開關(guān)管A4和開關(guān)管B5串聯(lián)后的的正負(fù)極兩端分別與逆變器12輸入端的正負(fù)極兩端連接，逆變器12輸出端與電網(wǎng)13相連。由開關(guān)管A4、開關(guān)管B5和電感6組成的雙向升降壓變換器將解耦電容器Al和解耦電容器B2連接起來(lái)，使得能量可以在解耦電容器Al和解耦電容器B2之間雙向傳遞，開關(guān)管A4和開關(guān)管B5使解耦電容器B2的電壓有較大的波動(dòng)同時(shí)保持直流母線14電壓穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)逆變器12輸入和輸出之間的功率解耦。解耦電容器B2的容量較大，由它來(lái)儲(chǔ)存光伏陣列11的過剩能量，濾波電容器3的容量很小，其作用是保持直流母線14電壓的穩(wěn)定。
[0026]圖3所示實(shí)施例表明，在輸出電壓P。波動(dòng)的一個(gè)周期之中，t2—t3時(shí)間段內(nèi)，Ppv>P。，電容器C2充電，C2的電壓由Ue2(min)升高到Uc2(祖)，對(duì)應(yīng)于圖4a和圖4b所示實(shí)施例的工作過程圖示。t3—t4時(shí)間段內(nèi)，Ppv〈P。，電容器C2放電，C2的電壓由Uc2(max)降低到Ue20nin),對(duì)應(yīng)于圖4c和圖4d所示實(shí)施例的工作過程圖示。
[0027]圖4所示實(shí)施例表明，本發(fā)明應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器的工作過程原理是:圖4a表明，在虛線框內(nèi)所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實(shí)施例的說(shuō)明)的部分，開關(guān)管A4開通，解耦電容器Al放電，電流從開關(guān)管A4的發(fā)射極節(jié)點(diǎn)8流向解耦電容器Al和解耦電容器B2串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)7，從而電感6電流增加，電感6充電；圖4b表明，在虛線框內(nèi)所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實(shí)施例的說(shuō)明)的部分，開關(guān)管A4關(guān)斷，電感6通過解耦電容器B2和開關(guān)管B5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感6電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器B2充電；圖4c表明，在虛線框內(nèi)所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實(shí)施例的說(shuō)明)的部分，開關(guān)管B5開通，解耦電容器B2放電，電流從解耦電容器Al和解耦電容器B2串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)7流向開關(guān)管B5的集電極節(jié)點(diǎn)8，從而電感6電流增加，電感6充電；圖4d表明，在虛線框內(nèi)所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實(shí)施例的說(shuō)明)的部分，開關(guān)管B5關(guān)斷，電感6通過解耦電容器Al和開關(guān)管A4的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感6電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器Al充電。
[0028]實(shí)施例
[0029]本實(shí)施例的用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的組成如圖1實(shí)施例所示，其在光伏并網(wǎng)逆變器中的連接和應(yīng)用方法如圖2實(shí)施例所示。應(yīng)用中保持直流母線14的電壓為400V (±2%)，光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓220V/50HZ，輸出功率為lkW，該用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的開關(guān)頻率為40kHz，解耦電容器Al為22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器Β2為136 μ F和耐壓是320V，濾波電容3為22 μ F和耐壓是400V。開關(guān)管Α4和開關(guān)管Β5均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5，電感6為2mH，電網(wǎng)13頻率為50Hz。
[0030]圖5給出了本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果所測(cè)試得到的主要波形。如本圖所示，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流是正弦波形，解耦電容器B2的最小電壓Uc;2(min)和最大電壓uc2(max)分別為219V和315V，其電壓波動(dòng)量為86V，平均電壓Um = 272V。而直流母線14的電壓的最大和最小值分別為408V和392V，紋波因數(shù)為4%。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致。
[0031]上述實(shí)施例中，所涉及到的光伏陣列、開關(guān)管、電容器、電感、光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)都是公知的，所有元器件都可以通過商購(gòu)等公知途徑獲得，所有元器件的連接方法也都是本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員所熟知的普通的線路連接方法。
【權(quán)利要求】
1.用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其特征在于:由一個(gè)濾波電容器、一個(gè)電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關(guān)管A和開關(guān)管B組成；其中，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管A的集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點(diǎn)上，該正極節(jié)點(diǎn)在一條直流母線上，開關(guān)管A和開關(guān)管B串聯(lián)后的開關(guān)管B的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負(fù)極節(jié)點(diǎn)上，該負(fù)極節(jié)點(diǎn)則在另一條直流母線上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點(diǎn)通過電感連接在開關(guān)管A發(fā)射極和開關(guān)管B集電極的連接點(diǎn)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其特征在于:所述濾波電容器的電容量為22 4?和耐壓是400￥，電感的電感值為2mH，解耦電容器A的電容量為.22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器B的電容量為136 μ F和耐壓是320V，開關(guān)管A和開關(guān)管B均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5。
【文檔編號(hào)】H02M1/14GK103606956SQ201310631131
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】楊曉光, 姜龍斌, 馮俊博, 梁昊天, 孫傳杰 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)