CN101741273A

CN101741273A - 光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路

Info

Publication number: CN101741273A
Application number: CN200910264169A
Authority: CN
Inventors: 方宇
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Sunhui New Energy Co Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-30
Also published as: CN101741273B

Abstract

本发明涉及光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路。本发明是由两个耦合电感式Boost电路共用直流电源构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。本发明解决了单级逆变电路通过工频变压器升压方式并网和前级DC-DC升压电路、后级是逆变器方法存在的功率开关管功率损耗较大、变压器功率损耗大、转换效率低及光伏发电利用率低下等缺陷。本发明是两个耦合电感式Boost电路，并采用全控型器件开关管，使逆变电路能实现能量的四像限运行，耦合的电感在较低输入电压时和较小占空比情况下Boost电路也能输出较高的电压，因此发明的并网逆变器无需升压变压器，可以实现一级并网发电。

Description

光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路

技术领域

本发明属电力电子与电工技术领域，特别涉及光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路。

背景技术

在本发明之前，现有的较低压直流逆变技术中，尤其是较低压光伏组件并网发电中，主要有以下二种。

一种是单级逆变电路通过工频变压器升压方式并网，另一种是两级式即前级DC-DC升压电路，后级是逆变器。前者中，当光伏组件电压较低时，工频变压器升压比较大，原边电流较大，因此功率开关管功率损耗较大，同时变压器本身产生功率损耗，导致系统转换效率较低，影响光伏发电利用率；后者中，采用两级电路，系统转换效率不高，导致光伏发电利用率低下。由此可知，这两种方法都不利于较低电压光伏组件下的中、小功率光伏电池高效的向电网发电。

发明内容

本发明目的在于克服上述缺陷，发明了一种光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路。

本发明的技术方案是：

发明的耦合电感式双Boost逆变器电路，其主要技术特征是由两个耦合电感式Boost电路共用直流电源构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。

本发明的逆变电路本身的结构特点是两个耦合电感式Boost电路，Boost二极管采用全控型器件开关管，使逆变电路能实现能量的四像限运行；由于采用了耦合的电感，适当选取匝比，使得在较低输入电压时和较小占空比情况下Boost电路也能输出较高的电压，因此发明的并网逆变器无需升压变压器，可以实现一级并网发电。

本发明与现有技术相比，在较低压输入时，无需变压器升压，体积轻、效率高、成本低，充分地利用了光伏发电的能量。发明的并网逆变器应用在较低压光伏发电中，可以采用传统的闭环控制方式，用正弦波脉宽调制方式实现其4只开关管的驱动信号，逻辑分配简单易实现。

本发明是针对当前较低压直流输入并网发电变换效率低的缺点，提出的耦合电感式双Boost逆变器，具有升压能力，可实现单级并网发电。本发明的电路具有结构简洁、设计成本低、效率高、可靠性高，当输入直流电压低，特别是光伏组件电压较低时，可省去工频变压器并完成并网发电功能。本发明的电路特别适用于光伏发电系统模块化，将之集成在光伏组件上以提高光伏发电的综合转换效率，满足即插即用分布式发电系统要求。发明电路的开关管开关信号的调制方式和控制方法都与传统的并网发电逆变器一样，控制简单易实现。

本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1--本发明中耦合电感式双Boost逆变器电路示意图。

图2--本发明中耦合电感式双Boost逆变电路单级光伏并网发电系统示意图。

图3--本发明中驱动时序示意图。

图4--本发明中[t₀～t₁]模态的等效电路示意图。

图5--本发明中[t₁～t₂]模态的等效电路示意图。

图6--本发明中[t₂～t₃]模态的等效电路示意图。

图7--本发明中[t₃～t₄]模态的等效电路示意图。

图1.中的符号名称：

L₁，L₂ 耦合电感 L₃，L₄ 耦合电感

V_L 电池电压 T₁～T₄ 开关管

n₁ L₁的绕制匝数 D₁～D₄ 开关管的体二极管

n₂ L₂的绕制匝数 C₂，C₃ 输出滤波电容

n₃ L₃的绕制匝数 B₁ 电池

n₄ L₄的绕制匝数 V_H1，V_H2 输出直流电压

C₁ 直流输入侧电容 i_o 输出电流

v₀ 输出交流电压 R_L 输出模拟负载

图2.中各框图内名称分别是：

1.耦合电感式Boost逆变器

2.SPWM双极性调制

3.带MPPT的控制流程

图2.中的符号和图1中有部分同，只是将电池电压源B₁换成光伏组件PV，其电压为V_pv，输出负载是电网。

图2.中的符号名称：

L₁，L₂ 耦合电感 L₃，L₄ 耦合电感

v_pv 光伏组件电压 T₁～T₄ 开关管

i_pv 光伏组件输出电流 D₁～D₄ 开关管的体二极管

C₁ 直流侧电容 v_g1～v_g4 驱动信号

n₁ L₁的绕制匝数 C₂，C₃ 输出滤波电容

n₂ L₂的绕制匝数 i_o 并网电流

v_ac 电网电压 V_H1，V_H2 输出电压

V_mpp 最大功率点跟踪给定 PI 比例积分调节器

I_{o_ref} 并网电流给定 V_reg 调制波信号

V_carry 双极性三角载波

图3.中符号名称：

t₀～t₅-时间 v_g1～v_g4-驱动信号

图4～7.中的符号名称，见下面的实施方式中的相应说明。

具体实施方式

根据上述附图说明本发明的具体实施方式及工作原理和工作过程。

如图1所示，耦合电感式Boost逆变器电路由如下部件组成本发明：

耦合电感L₁，L₂、耦合电感L₃，L₄，输入直流源B₁及其并联电容C₁，开关管T₁～T₄及其反并联二极管D₁～D₄、输出滤波电容C₂，C₃和模拟负载R_L组成。

图1是本发明的主要电路，图2是图1的一个应用系统，逆变器的连接也是本发明的主要内容。

如图2所示：

逆变器1(耦合电感式Boost逆变器)、调制器2(SPWM双极性调制器)和控制器3(带MPPT的控制器)组成本发明的应用；其中，控制器3输出接调制器2输入端，调制器2输出端即调制器2中的驱动电路将驱动信号送逆变器1中的开关管控制极。

具体如下：

本发明应用于直流输入、交流输出场合，特别适用于较低输入直流电压情形。L₁与L₂共同绕制在一个磁芯上，L₃与L₄共同绕制在另一个磁芯上，分别构成两个耦合电感；其中一个耦合电感L₁与L₂、C₂、开关管T₁、T₂及其体二极管构成一个Boost电路；另一个耦合电感L₃与L₄、C₃、开关管T₃、T₄及其体二极管构成另一个Boost电路；以正弦的方式调制开关管驱动信号，且v_g1～v_g4中v_g1与v_g4相同，v_g2与v_g3相同，v_g1与v_g2互补，v_g3与v_g4互补。

如图1、图2所示，图2中的逆变器1就是图1中将输入直流电源B₁改成光伏电池，负载R_L变成通过并网开关接电网的具体应用形式。本发明的应用过程说明：当调制时，由调制器2，采用传统的双极性正弦波调制(SPWM)，按图3方式产生控制信号，控制信号经驱动电路发出的驱动信号，驱动信号送往逆变器1的相应开关管控制极。这样，控制器1右半个Boost电路电容C₂上输出电压为：V_H1＝V_msinωt+V_DC，则另半个Boost电路电容C₃上输出电压为：V_H2＝-V_msinωt+V_DC。图1中已知输出取自两Boost输出的电容C₂与C₃之间，两电容电压相减就是图1中输出电压v_o，且v_o＝2V_msinωt，显然这是一正弦波输出的交流波形。对于图2中对应于图1的符号v_o就是图中的电网电压v_ac。这是迭加在直流电压之上的正弦波调制，故不存在过零畸变，这优于传统全桥逆变器。图2中的控制器3是为了实现光伏发电功能所需而进行控制，并产生调制信号V_reg送调制器2，具体控制和传统光伏发电控制一样。

下面根据图.1，图3～7分析本发明逆变电路拓扑的工作模态。图4～7中实线是相应模态下的工作电路，不工作的部分用虚线表示。

本发明的耦合电感式双Boost逆变器有以下主要工作模式：

为了便于分析，设图1中的电感电流连续。在稳压情况输出交流正半周波形时，考虑“死区”时间，可将实际的开关驱动波形分为4个时段分析，开关触发脉冲时序如图3所示。

(1)[t₀～t₁]时段，对应图4。这时，T₁和T₄的驱动信号v_g1和v_g4为高电平；T₂和T₃的驱动信号v_g2，v_g3为低电平。T₁和T₄导通，i_L1，i_L3分别从D₂，D₃转移至T₁和T₄。

(2)[t₁～t₂]时段(死区)，对应图5。此时，v_g1～v_g4均为低电平，由于电感电流方向不能突变，故在T₁和T₄关断的同时，i_L1和i_L3分别转移至D₂，D₃续流。其等效电路为图5.，是图4的对偶结构。

(3)[t₂～t₃]时段，对应图6。此时，v_g1，v_g4为低电平，v_g2，v_g3为高电平。由电感电流方向不能突变知i_L1，i_L3仍分别通过D₂，D₃流动，若T₂和T₃是MOS管，则其沟道反向导通，开关管工作在同步整流状态。

(4)[t₃～t₄]时段(死区)，对应图7，此时，v_g1～v_g4均为低电平。由于电感电流方向不能突变，i_L1，i_L3仍分别通过D₂，D₃续流，等效电路和[t₁～t₂]时段一样。

(5)t₄之后重复以上的工作过程。

以上分析的是交流正半周输出情况，至于交流负半周输出情况是对偶的。

本发明的一个具体实施例子如下：

图2中，逆变器1部分输入源采用无锡尚德光伏组件，型号是STP260-24/Vb一块，其开路电压是44V，最大工作点电压34.8V，用逆变器1作为光伏并网逆变器，实现一级式并网发电，无变压器隔离。设计参数：耦合电感匝比取4(n₂∶n₁)，L₁＝L₃＝95μH，电容C₂＝C₃＝5μF，C₁＝2200μF，开关管选用英飞凌Cool MOS，开关频率50KHz，图2中的调制器2和控制器3的逻辑可以用数字方式实现，选用TI公司数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)实现全数字控制，包括MPPT、PI算法和孤岛保护等。应用情况：当地光照下最大并网功率达250W，逆变器本身最大效率＞97.1％，电流总谐波含量(Total Harmonic Distortion，THD)小于1％。

从以上的描述可知，本发明所提出的耦合电感式双Boost逆变器有以下主要优点：

(1)可以实现较低直流电压源向高交流电压的单级式逆变；

(2)由于基于Boost结构，故转换效率高；

(3)不存在过零点畸变，THD小；

(4)适合于光伏发电逆变器模块化应用。

Claims

1.光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路，其特征在于：由两个耦合电感式Boost电路构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。

2.根据权利要求1所述的光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路，其特征在于控制器输出接调制器输入端，调制器输出端经驱动接耦合电感式双Boost并网逆变器。