CN102055316B - 包括非隔离直流-直流转换器组件的太阳能电站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括非隔离直流-直流转换器组件的太阳能电站，所述非隔离直流-直流转换器组件包括按特定方式连接在一起的升压转换器和转换器。

Description

包括非隔离直流-直流转换器组件的太阳能电站

技术领域

本发明涉及一种太阳能电站。

背景技术

现今可以找到两类主要的光伏逆变器，即隔离和非隔离光伏逆变器。由于电流隔离，第一类光伏逆变器允许将光伏板端子接地，出于与漏电流相关的安全性问题，这种接地在一些国家是强制的。将负光伏板端子接地也是有利的，这是因为它减轻了光伏板的劣化问题。即使在其中电流隔离不是强制性的国家中，当使用例如薄膜的一些特定的光伏电池技术时，变压器的存在是必需的。然而，当该额外的元件，即变压器在低频下操作时，其增加了系统的整体体积、重量和成本。为了克服该问题，低频变压器已被替换为在中间隔离直流-直流转换器中操作的高频变压器。然而，在大多数情况中，该替选方案因较高数目的有源和无源器件而导致更复杂的系统配置以及附加的成本。由于这些限制，光伏市场已将目光重新投向不具有任何种类的变压器的光伏逆变器，其被称为非隔离光伏(PV)逆变器。该族转换器能够以低的尺寸和体积提供较高的效率。制造成本也是较低的。然而，仍必须考虑安全性和劣化问题。因此，需要直流-直流转换器侧或者逆变器侧的专用的拓扑。

常见的光伏逆变器组件包括连接到全桥逆变器的升压转换器。升压转换器负责将光伏串生成的电压升压到所需用于使逆变器将电力传输到电网的电平。然而，虽然升压转换器具有许多优点，诸如低数目的元件和简单性，但是结合上面提到的光伏逆变器组件仍具有一些缺点。如果全桥逆变器在较之双极调制具有更高的效率的单极调制下操作，则光伏串的负端子和地之间存在的寄生电容创建了使共模电流流通的路径。该共模电流将叠加到负载电流，引起电磁干扰(EMI)、安全性和劣化问题。

在公开专利申请US2004/0164557“Monopolar DC to Bipolar to ACConverter”中，提出了一种直流-直流转换器，其允许同时将源和负载接地。US2004/0164557中提出的直流-直流转换器的输出电压不能进行调节。在其中直流-直流转换器的源生成的电压低于负载请求的电平的操作情况中，转换器必须关闭，因此降低了系统可用性。此外，因为US2004/0164557的直流-直流转换器包括降压-升压转换器，所以源将受到脉动电流的困扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能电站，其允许将光伏模块的负端子接地，避免在现有的寄生电容器中流动的漏电流引起的任何安全性和劣化问题。本发明的目的通过一种以下描述的太阳能电站来实现。

根据本发明实施例的太阳能电站包括：具有适于将太阳能转换为直流电流的至少一个光伏电池CPV的光伏电池部件PVM，以及非隔离直流-直流转换器组件，该组件具有正输入端子、负输入端子、正输出端子和负输出端子，并且包括具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子的升压转换器，所述至少一个光伏电池CPV连接在所述转换器组件的所述正输入端子(IT₁)和所述负输入端子(IT₂)之间，并且所述转换器组件进一步包括

转换器和中间输出端子，转换器具有第一输入端子、第二输入端子、第一输出端子和第二输出端子，升压转换器的第一输入端子和

转换器的第二输入端子传导地连接到正输入端子，升压转换器的第二输入端子和转换器的第一输入端子传导地连接到负输入端子，升压转换器的第一输出端子传导地连接到正输出端子，

转换器的第二输出端子传导地连接到负输出端子，升压转换器的第二输出端子和

转换器的第一输出端子传导地连接到中间输出端子，负输入端子和中间输出端子适于接地。

根据本发明的实施例，还提供了一种太阳能电站，包括具有适于将太阳能转换为直流电流的至少一个光伏电池的光伏电池部件，该太阳能电站进一步包括上述转换器组件，至少一个光伏电池连接在转换器组件的正输入端子和负输入端子之间。

根据本发明的实施例，还提供了一种逆变器组件，包括半桥逆变器，该逆变器组件进一步包括上述非隔离直流-直流转换器组件，半桥逆变器连接在正输出端子和负输出端子之间，中间输出端子适于连接到半桥逆变器的负载。

根据本发明的太阳能电站包括的非隔离直流-直流转换器组件具有按特定方式连接在一起的升压转换器和

转换器。

本发明的太阳能电站的优点在于，它允许同时将光伏电池部件和负载接地。另一优点在于，本发明提供了太阳能电站的非隔离直流-直流转换器的输出电压的完全可调整性。此外，由于本发明的太阳能电站中使用的直流-直流转换器组件具有电流源输入特性，由此从光伏电池部件吸收的电流是连续的。

本发明的太阳能电站可以使用任何种类的光伏电池技术进行安装而不会付出隔离光伏转换器中固有的低效率、大体积和高成本的代价。将光伏电池部件和负载同时接地的可能性允许移除大体积的变压器，同时仍然避免因流过寄生元件的共模电流的存在而引起的任何EMI问题。

附图说明

下面将参照附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了传统的升压转换器；

图2示出了传统的

转换器；

图3示出了根据本发明的实施例的太阳能电站的简化电路图；以及

图4示出了装备有半桥逆变器的图3所示太阳能电站。

具体实施方式

图1示出了适于将输入电压提升到更高的输出电压的传统的升压转换器。该升压转换器包括电感器L₁’、二极管D₁’和可控开关S₁’。升压转换器具有第一输入端子BCI₁’、第二输入端子BCI₂’、第一输出端子BCO₁’和第二输出端子BCO₂’。输入直流电压通过第一输入端子BCI₁’和第二输入端子BCI₂’输入。第一输入端子BCI₁’是正端子而第二输入端子BCI₂’是负端子。输出电压出现在第一输出端子BCO₁’和第二输出端子BCO₂’之间，第一输出端子BCO₁’是正端子而第二输出端子BCO₂’是负端子。

电感器L₁’和二极管D₁’串联连接在升压转换器的第一输入端子BCI₁’和升压转换器的第一输出端子BCO₁’之间。二极管D₁’的阴极连接到第一输出端子BCO₁’。可控开关S₁’的集电极连接在电感器L₁’和二极管D₁’的阳极之间，并且可控开关S₁’的发射极连接在第二输入端子BCI₂’和第二输出端子BCO₂’之间。第二输入端子BCI₂’和第二输出端子BCO₂’与导体连接，该导体不具有有源或无源元件。因此第二输入端子BCI₂’和第二输出端子BCO₂’处于电位基本上相同的操作条件中。

图2示出了传统的转换器。

转换器能够提升和降低其输入电压。

转换器包括电感器L₂’和L₃’、二极管D₂’、可控开关S₂’以及电容器C₂’和C₃’。

转换器具有第一输入端子CCI₁’、第二输入端子CCI₂’、第一输出端子CCO₁’和第二输出端子CCO₂’。输入直流电压通过第一输入端子CCI₁’和第二输入端子CCI₂’输入。输出电压出现在第一输出端子CCO₁’和第二输出端子CCO₂’之间。

图2的

转换器是反相转换器，这意味着输出电压相对于输入电压是负的。这意味着如果操作者希望

转换器的第一输出端子CCO₁’是正的，则第二输入端子CCI₂’必须连接到比

转换器的第一输入端子CCI₁’更高的电位。

电感器L₂’、电容器C₃’和电感器L₃’串联连接在

转换器的第二输入端子CCI₂’和

转换器的第二输出端子CCO₂’之间，使得电容器C₃’在电气上位于电感器L₂’和电感器L₃’之间。电感器L₂’连接在第二输入端子CCI₂’和电容器C₃’之间，并且电感器L₃’连接在第二输出端子CCO₂’和电容器C₃’之间。

可控开关S₂’的集电极连接在电感器L₂’和电容器C₃’之间，并且可控开关S₂’的发射极连接在第一输入端子CCI₁’和第一输出端子CCO₁’之间。

转换器的第一输入端子CCI₁’和第一输出端子CCO₁’与导体连接，该导体不具有有源或无源元件。因此第一输入端子CCI₁’和第一输出端子CCO₁’处于电位基本上相同的操作条件中。

二极管D₂’的阳极连接在电容器C₃’和电感器L₃’之间。二极管D₂’的阴极连接在第一输入端子CCI₁’和第一输出端子CCO₁’之间。

电容器C₂’连接在第一输出端子CCO₁’和第二输出端子CCO₂’之间。因此电容器C₂’的电压等于

转换器的输出电压。

图3示出了连接到具有光伏电池CPV的光伏电池部件PVM的根据本发明的实施例的非隔离直流-直流转换器组件。光伏电池CPV适于将太阳能转换为直流电流。光伏电池CPV适于生成作为非隔离直流-直流转换器组件的输入电压的直流电压u_in。光伏电池CPV可以基于任何已知的光伏电池技术。

图3中示出的转换器组件是图1中示出的升压转换器和图2中示出的

转换器的组合。该转换器组件具有正输入端子IT₁、负输入端子IT₂、正输出端子OT₁和负输出端子OT₂。转换器组件的输入电压出现在正输入端子IT₁和负输入端子IT₂之间。升压转换器和

转换器被连接，使得出现在正输出端子OT₁和负输出端子OT₂之间的转换器组件的输出电压u_out基本上是升压转换器和

转换器的输出电压的绝对值的和。

图3的非隔离直流-直流转换器组件包括图1的升压转换器和图2的转换器中的所有元件。除了撇号(’)被移除之外，图3中使用的附图标记对应于图1和2中使用的附图标记。

图3的升压转换器具有第一输入端子BCI₁、第二输入端子BCI₂、第一输出端子BCO₁和第二输出端子BCO₂。升压转换器的输出电压u₁出现在第一输出端子BCO₁和第二输出端子BCO₂之间。图3的转换器具有第一输入端子CCI₁、第二输入端子CCI₂、第一输出端子CCO₁和第二输出端子CCO₂。

转换器的输出电压u₂出现在第一输出端子CCO₁和第二输出端子CCO₂之间。图3的非隔离直流-直流转换器组件的输出电压u_out是升压转换器的输出电压u₁和

转换器的输出电压u₂的和。

升压转换器的第一输入端子BCI₁和

转换器的第二输入端子CCI₂传导地连接到正输入端子IT₁，使得在操作情况中第一输入端子BCI₁、第二输入端子CCI₂和正输入端子IT₁处于同一电位。升压转换器的第二输入端子BCI₂和

转换器的第一输入端子CCI₁传导地连接到负输入端子IT₂，使得在操作情况中第二输入端子BCI₂、第一输入端子CCI₁和负输入端子IT₂处于同一电位。升压转换器的第一输出端子BCO₁传导地连接到正输出端子OT₁，使得在操作情况中第一输出端子BCO₁和正输出端子OT₁处于同一电位。

转换器的第二输出端子CCO₂传导地连接到负输出端子OT₂，使得在操作情况中第二输出端子CCO₂和负输出端子OT₂处于同一电位。

图3的转换器组件具有中间输出端子OT₃，其传导地连接到升压转换器的第二输出端子BCO₂和

转换器的第一输出端子CCO₁。因为在中间输出端子OT₃和负输入端子IT₂之间不存在有源或无源元件，所以这两个端子在操作情况中处于同一电位。

图3的升压转换器包括第一电感器L₁、第一二极管D₁、第一可控开关S₁和第一电容器C₁。第一电感器L₁和第一二极管D₁串联连接在升压转换器的第一输入端子BCI₁和升压转换器的第一输出端子BCO₁之间。第一二极管D₁的阴极连接到升压转换器的第一输出端子BCO₁。第一可控开关S₁在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于第一电感器L₁和第一二极管D₁之间，而另一个点在电气上处于升压转换器的第二输入端子BCI₂和升压转换器的第二输出端子BCO₂之间。第一可控开关S₁的集电极连接在第一电感器L₁和第一二极管D₁的阳极之间。第一电容器C₁连接在升压转换器的第一输出端子BCO₁和升压转换器的第二输出端子BCO₂之间。

应当注意，在图1的升压转换器中不存在第一电容器C₁或者任何等同的元件。图3的转换器组件中不存在另外的附加的元件。图3的转换器组件的所有其他元件出现在图1的升压转换器和图2的转换器中。

图3的

转换器包括第二电感器L₂、第三电感器L₃、第二二极管D₂、第二可控开关S₂、第二电容器C₂和第三电容器C₃。第二电感器L₂、第三电容器C₃和第三电感器L₃串联连接在

转换器的第二输入端子CCI₂和

转换器的第二输出端子CCO₂之间，使得第三电容器C₃在电气上位于第二电感器L₂和第三电感器L₃之间。第二可控开关S₂在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于第二电感器L₂和第三电容器C₃之间，而另一个点在电气上处于

转换器的第一输入端子CCI₁和转换器的第一输出端子CCO₁之间。第二可控开关S₂的集电极连接在第二电感器L₂和第三电容器C₃之间。第二二极管D₂在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于第三电容器C₃和第三电感器L₃之间，而另一个点在电气上处于

转换器的第一输入端子CCI₁和

转换器的第一输出端子CCO₁之间。第二二极管D₂的阳极连接在第三电容器C₃和第三电感器L₃之间。第二二极管D₂的阴极连接在第一输入端子CCI₁和第一输出端子CCO₁之间。第二电容器C₂在电气上位于

转换器的第一输出端子CCO₁和

转换器的第二输出端子CCO₂之间。

负输入端子IT₂接地。因此升压转换器的第二输出端子BCO₂、

转换器的第一输出端子CCO₁和中间输出端子OT₃也接地。此外，第一可控开关S₁的发射极和第二可控开关S₂的发射极之间的点接地，串联连接的第一电容器C₁和第二电容器C₂之间的点接地，并且第二二极管D₂的阴极接地。

如前面提到的，输出电压u_out是升压转换器的输出电压u₁和

转换器的输出电压u₂的和。电压u₁和u₂可以根据下式{1}和{2}独立地进行调节。通过根据式{1}调整开关S₁的占空周期DS₁来控制电压u₁。根据式{2}控制开关S₂的占空周期DS₂以便于调节电压u₂。

$u_1=\frac{1}{1-{\mathrm{DS}}_1}\·u_{\mathrm{in}}---\left\{1\right\}$

$u_2=\frac{{\mathrm{DS}}_2}{1-{\mathrm{DS}}_2}\·u_{\mathrm{in}}---\left\{2\right\}$

图3的非隔离直流-直流转换器组件具有电流源输入特征，由此从电源，即光伏电池部件PVM吸收的电流是连续的。从光伏电池部件PVM吸收的电流的波纹峰峰值取决于第一电感器L₁和第二电感器L₂的电感。

在上文讨论的实施例中，第一可控开关S₁和第二可控开关S₂是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，但是本领域的技术人员应当理解，其他类型的可控开关也可以用作第一可控开关S₁和第二可控开关S₂。

图4示出了包括光伏电池部件PVM、图3的非隔离直流-直流转换器组件和半桥逆变器HBI的太阳能电站的简化电路图。光伏电池部件PVM和非隔离直流-直流转换器组件之间的连接与图3中的连接相同。连接到直流-直流转换器组件的半桥逆变器HBI是传统的两级半桥逆变器。半桥逆变器HBI连接到电力网络GD。半桥逆变器HBI包括第三可控开关S₃、第三二极管D₃、第四可控开关S₄和第四二极管D₄。第三可控开关S₃和第四可控开关S₄串联连接在正输出端子OT₁和负输出端子OT₂之间。第三二极管D₃与第三可控开关S₃反平行地连接。第四二极管D₄与第四可控开关S₄反平行地连接。

电力网络GD具有第一电网端子GDT₁和第二电网端子GDT₂。第一电网端子GDT₁连接在第三可控开关S₃的发射极和第四可控开关S₄的集电极之间。第二电网端子GDT₂连接到中间输出端子OT₃。负输入端子IT₂和中间输出端子OT₃与导体连接，该导体不具有有源或无源元件。因此在操作条件中第二电网端子GDT₂和负输入端子IT₂处于同一电位。因此第二电网端子GDT₂经由邻近光伏电池CPV的负端子的地连接而接地。

这里的表述“太阳能电站”必须作广泛的解释。该表述不限于适于专门从阳光捕获能量的系统。相反地，光可以源自例如一些工业处理或者源自任何其他源。此外，太阳能电站的额定功率不以任何方式受到限制。因此太阳能电站可以是能够生成几瓦特的设备或者具有几十亿瓦特的额定输出的巨型电厂。

在图4的电路图中电力网络GD表示半桥逆变器HBI的负载，并且因此也表示包括非隔离直流-直流转换器组件和半桥逆变器HBI的整个逆变器组件的负载。本领域的技术人员应当理解，可以将多种不同负载连接到半桥逆变器。

在可替选的实施例中，直流-直流转换器组件可以通过另一类型的半桥逆变器而非两级半桥逆变器连接到电力网络。直流-直流转换器组件可以通过传统的半桥三级NPC逆变器连接到电网。也可以使用诸如五级半桥逆变器的更多级的半桥逆变器。

对于本领域的技术人员明显的是，本发明的概念可以通过各种方式实现。本发明及其实施例不限于上文描述的示例并且可以在权利要求的范围内变化。

Claims (7)

1.一种太阳能电站，包括：

具有适于将太阳能转换为直流电流的至少一个光伏电池CPV的光伏电池部件PVM，以及

非隔离直流-直流转换器组件，具有正输入端子(IT₁)、负输入端子(IT₂)、正输出端子(OT₁)和负输出端子(OT₂)，所述转换器组件包括具有第一输入端子(BCI₁)、第二输入端子(BCI₂)、第一输出端子(BCO₁)和第二输出端子(BCO₂)的升压转换器，

所述至少一个光伏电池CPV连接在所述转换器组件的所述正输入端子(IT₁)和所述负输入端子(IT₂)之间，

其特征在于所述转换器组件进一步包括转换器和中间输出端子(OT₃)，所述转换器具有第一输入端子(CCI₁)、第二输入端子(CCI₂)、第一输出端子(CCO₁)和第二输出端子(CCO₂)，所述升压转换器的第一输入端子(BCI₁)和所述

转换器的第二输入端子(CCI₂)传导地连接到所述正输入端子(IT₁)，所述升压转换器的第二输入端子(BCI₂)和所述转换器的第一输入端子(CCI₁)传导地连接到所述负输入端子(IT₂)，所述升压转换器的第一输出端子(BCO₁)传导地连接到所述正输出端子(OT₁)，所述

转换器的第二输出端子(CCO₂)传导地连接到所述负输出端子(OT₂)，所述升压转换器的第二输出端子(BCO₂)和所述转换器的第一输出端子(CCO₁)传导地连接到所述中间输出端子(OT3)，所述负输入端子(IT₂)和所述中间输出端子(OT₃)适于接地。

2.根据权利要求1所述的太阳能电站，其特征在于所述负输入端子(IT₂)和所述中间输出端子(OT₃)传导地彼此连接。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能电站，其特征在于所述升压转换器包括第一电感器(L₁)，第一二极管(D₁)，第一可控开关(S₁)和第一电容器(C₁)，所述第一电感器(L₁)和所述第一二极管(D₁)串联连接在所述升压转换器的第一输入端子(BCI₁)和所述升压转换器的第一输出端子(BCO₁)之间，所述第一可控开关(S₁)在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于所述第一电感器(L₁)和所述第一二极管(D₁)之间，而另一个点在电气上处于所述升压转换器的第二输入端子(BCI₂)和所述升压转换器的第二输出端子(BCO₂)之间，所述第一电容器(C₁)在电气上位于所述升压转换器的第一输出端子(BCO₁)和所述升压转换器的第二输出端子(BCO₂)之间。

4.根据权利要求3所述的太阳能电站，其特征在于所述

转换器包括第二电感器(L₂)、第三电感器(L₃)、第二二极管(D₂)、第二可控开关(S₂)、第二电容器(C₂)和第三电容器(C₃)，所述第二电感器(L₂)、所述第三电容器(C₃)和所述第三电感器(L₃)串联连接在所述转换器的第二输入端子(CCI₂)和所述

转换器的第二输出端子(CCO₂)之间，使得所述第三电容器(C₃)在电气上位于所述第二电感器(L₂)和所述第三电感器(L₃)之间，所述第二可控开关(S₂)在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于所述第二电感器(L₂)和所述第三电容器(C₃)之间，而另一个点在电气上处于所述

转换器的第一输入端子(CCI₁)和所述转换器的第一输出端子(CCO₁)之间，所述第二二极管(D₂)在电气上位于两个点之间，一个点在电气上处于所述第三电容器(C₃)和所述第三电感器(L₃)之间，而另一个点在电气上处于所述

转换器的第一输入端子(CCI₁)和所述

转换器的第一输出端子(CCO₁)之间，所述第二电容器(C₂)在电气上位于所述

转换器的第一输出端子(CCO₁)和所述

转换器的第二输出端子(CCO₂)之间。

5.根据权利要求4所述的太阳能电站，其特征在于所述第一可控开关(S₁)的发射极和所述第二可控开关(S₂)的发射极之间的点、串联连接的第一电容器(C₁)和第二电容器(C₂)之间的点以及所述第二二极管(D₂)的阴极处于电位基本上与所述负输入端子(IT₂)相同的操作情况中。

6.根据权利要求1所述的太阳能电站，其特征在于所述太阳能电站进一步包括连接到所述非隔离直流-直流转换器组件的输出端子的逆变器。

7.根据权利要求6所述的太阳能电站，其特征在于所述逆变器是连接在所述正输出端子(OT₁)和所述负输出端子(OT₂)之间的半桥逆变器(HBI)，所述中间输出端子(OT₃)适于连接到所述半桥逆变器(HBI)的负载。

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