CN102064713B - 高效率反激式光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

一种反激式光伏并网逆变器，它属于太阳能光伏并网发电技术领域，特别适合模组一体光伏建筑系统。本发明利用漏感回收电路对反激逆变器漏感能量进行吸收，由控制单元通过高频变压器将漏感回收电路中存储的能量回馈给输出，达到漏感能量的再利用。本发明不仅可以实现漏感能量的无损吸收，并且不影响并网逆变器输出电流正弦波形，而且可以实现反激逆变器软开关动作，能够有效提高系统效率。

Description

高效率反激式光伏并网逆变器

技术领域：

本发明属于太阳能并网发电技术领域，具体涉及一种高效率反激式光伏并网逆变器。 

背景技术：

随着能量需求的增长，世界各国积极开发清洁的可再生新能源，以便实现人类可持续发展的要求。太阳能发电具有取之不尽、用之不竭、无环境污染等优越性，被全球能源专家认为最具有发展前景的绿色能源。光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核心部分，其效率的高低直接影响整个系统的性能和投资，传统光伏发电系统中将光伏组件通过串并联构成光伏阵列，通过一个集中逆变器进行并网发电，因此，传统光伏系统存在光伏组件性能不匹配，不同组件光照强度不同以及周围建筑物、树木等遮挡而造成光伏系统输出功率急剧下降的问题。模组一体光伏并网系统是在每块光伏组件下面安装一个微型并网逆变器，每块光伏组件进行最大功率点跟踪，可以有效提高系统效率，特别适合于容易遭受阴影遮挡的光伏建筑一体场合。反激式逆变器具有结构简单、可靠性高等特点而作为典型的电路结构应用于微型并网逆变器，传统反激式逆变器中由于存在漏感，当主功率管关断的瞬间产生尖峰电压，一般利用RCD电路进行吸收，最终将漏感能量通过电阻消耗，这样可以阻止尖峰电压的产生，确保功率开关管安全，但是，RCD吸收电路白白浪费了漏感能量，降低系统效率。 

本发明利用漏感回收电路对反激逆变器漏感能量进行吸收，由控制单元通过高频变压器将漏感回收电路中存储的能量回馈给输出，达到漏感能量的再利用。本发明不仅可以实现漏感能量的无损吸收，并且不影响并网逆变器输出电流正弦波形，而且可以实现反激逆变器软开关动作，进一步提高系统效率。 

发明内容

一种高效率反激式光伏并网逆变器，该系统通过高频反激变换器并采用正弦包络线峰值电流控制，将光伏电池直流电变换为馒头波高频电流，由电网电压正负半周信号控制工频变换器，实现将馒头波高频电流变换为高频交流电流，最后通过低通滤波器滤波后并入电网，实现电流型正弦波并网发电。漏感回收电路吸收并存储漏感能量，由控制单元通过控制高频变压器，在不影响并网电流质量的前提下，将漏感能量回馈给输出，达到漏感能量的再利用，同时实现反激逆变器的软开关动作，提高系统效率。 

根据上诉的发明构思，本发明采用下述技术方案： 

一种高效率反激式光伏并网逆变器，包括一个高频反激变换器、一个工频变换器、一个低通滤波器、一个漏感回收电路和一个开关管控制单元，该高频反激变换器将光伏电池直流电变换为高频馒头波电流输出到上述工频变换器，工频变换器将高频馒头波电流变换为高频交流电流输出到低通滤波器，低通滤波器将高频电流滤波后并入电网，上述的漏感回收电路 将高频反激变压器漏感能量反馈到低通滤波器后回馈给电网。 

上述高频变换器、工频变换器和低通滤波器的电路结构是：高频变换器中的一个反激变压器T1的a1端连接到光伏电池正端，反激变压器T1的a2端连接到开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接到光伏电池负端。工频变换器中二极管D3的阳极连接到反激变压器T1的b1端，二极管D3的阴极和开关管S3的漏极相连，二极管D4的阴极连接到反激变压器T1的b3端，二极管D4的阳极和开关管S4的源极相连，开关管S3的源极和开关管S4的漏极相连后接到低通滤波器中电容D3和电感L1的一端，电容C3的另一端连接到反激变压器T1的b2端和电网端，电感L1的另一端连接到电网另一端。 

上述漏感回收电路的结构是：二极管D1的阳极连接到反激变压器T1的a2端，二极管D1的阴极连接到电容C2的一端和高频变压器T2的原边同名端，电容C2的另一端连接到S2的源极、S1的源极和光伏电池负端。高频变压器T2的原边非同名端和S2的漏极相连，高频变压器T2的副边非同名端连接到二极管D2的阳极，二极管D2的阴极和高频变压器T2的副边同名端分别接连到电容C3的两端。 

上述开关管控制单元根据电网电压正负半周生成工频驱动信号控制开关管S3和开关管S4，电网正半周开关管S3导通、电网负半周开关管S4导通。 

上述反激变压器T1工作于电流断续模式，上述开关管控制单元采用正弦包络线峰值电流控制反激变压器T1的原边电流。 

上述开关管S2的开通和关断由开关管控制单元根据电容C2电压和开关管S1的状态控制，在电容C2电压高于设定电压值V_H并且开关管S1开通区间开通开关管S2；开关管S2的关断不受开关管S1状态影响，只要电容C2电压低于设定电压值V_L时关断开管S2。 

附图说明

图1本发明的高效率反激式光伏并网逆变器。 

图2是传统反激式变换器RCD吸收电路。 

图3是开关管控制单元调制策略示意图。 

图4是漏感吸收电路控制策略示意图。 

具体实施方法 

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

一种高效率反激式光伏并网逆变器，包括一个高频反激变换器1，一个工频变换器2，一个低通滤波器3，一个漏感回收电路4和一个开关管控制单元5，其特征在于所述的高频反激变换器1将光伏电池直流电变换为高频馒头波电流输出到所述的工频变换器2，工频变换器2将高频馒头波电流变换为高频交流电流输出到所述的低通滤波器3，所述的低通滤波器3将 高频电流滤波后并入电网，所述的漏感回收电路4将高频反激变压器漏感能量反馈到所述的低通滤波器3后回馈给电网。 

上述的高效率反激式光伏并网逆变器，其特征在于所述高频变换器1、所述工频变换器2和所述低通滤波器3的电路结构是：所述高频变换器1中的一个反激变压器T1的a1端连接到光伏电池正端，反激变压器T1的a2端连接到开关管S1的漏极，开关管S1的源极连接到光伏电池负端。所述工频变换器2中二极管D3的阳极连接到反激变压器T1的b1端，二极管D3的阴极和开关管S3的漏极相连，二极管D4的阴极连接到反激变压器T1的b3端，二极管D4的阳极和开关管S4的源极相连，开关管S3的源极和开关管S4的漏极相连后接到低通滤波器3中电容D3和电感L1的一端，电容C3的另一端连接到反激变压器T1的b2端和电网端，电感L1的另一端连接到电网另一端。 

上述的高效率反激式光伏并网逆变器，其特征在于所述的漏感回收电路4的结构是：二极管D1的阳极连接到反激变压器T1的a2端，二极管D1的阴极连接到电容C2的一端和高频变压器T2的原边同名端，电容C2的另一端连接到S2的源极、S1的源极和光伏电池负端。高频变压器T2的原边非同名端和S2的漏极相连，高频变压器T2的副边非同名端连接到二极管D2的阳极，二极管D2的阴极和高频变压器T2的副边同名端分别接连到电容C3的两端。 

上述的高效率反激式光伏并网逆变器，其特征在于所述开关管控制单元根据电网电压正负半周生成工频驱动信号控制开关管S3和开关管S4，电网正半周开关管S3导通、电网负半周开关管S4导通。 

上述的高效率反激式光伏并网逆变器，其特征在于反激变压器T1工作于电流断续模式，所述开关管控制单元采用正弦包络线峰值电流控制反激变压器T1的原边电流。 

上述的高效率反激式光伏并网逆变器，其特征在于开关管S2的开通和关断由开关管控制单元根据电容C2电压和开关管S1的状态控制，在电容C2电压高于设定电压值V_H并且开关管S1开通区间开通开关管S2；开关管S2的关断不受开关管S1状态影响，只要电容C2电压低于设定电压值V_L时关断开管S2。 

应当理解的是，对本发明所在领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其构思进行相应的等同改变或替换，而所有这些改变或替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。 

本高效率反激式光伏并网逆变器的原理简述如下： 

图3示出反激式并网逆变器控制策略，其中主功率管S1的开关频率在20kHz～100kHz之间，由单片机或其它芯片触发导通，反激变压器原边电流达到正弦包络线设定值后关断功 率管S1，反激变压器工作于断续模式，以便实现电流型并网。工频变换器中开关管S3和S4根据电网电压过零信号进行控制，由硬件电路或软件锁相环检测电网电压过零点信号，当检测到电网电压正向过零点信号时，S4关断，S3开通；当检测到电网电压负向过零点信号时，S3关断，S4开通。 

当主功率管S1关断瞬间，漏感回收电路中电容C2吸收并存储漏感能量，电容C2中能量通过反激变压器T2(或者Boost、Buck、正激等其它变换器)回馈到输出端。图4示出漏感回收电路中开关管S2的控制策略：当主功率管S1开通时，二极管D1反偏而截止，此时检测电容C2的电压，如果C2电压U_C2大于域值V_H，则开通S2，否则开关管S2不动作；开关管S2开通后，一旦检测到C2电压U_C2小于域值V_L，则关断开关管S2，上述控制脉冲可以由硬件电路或者单片机实现。 

漏感存储的能量为： 

$W=\frac{1}{2}{\mathrm{Li}}^2=\frac{1}{2}L{\left(I\sin \mathrm{\θ}\right)}^2---\left(1\right)$

式(1)中L为漏感，其值为常数；i为反激变换器的原边峰值电流，由于采用正弦包络线峰值电流控制，因此为正弦波。漏感能量由回收电路回馈给电网时，根据能量守恒定律得： 

$\frac{1}{2}L{\left(I\sin \mathrm{\θ}\right)}^2=e_s\·i_e=U\sin \mathrm{\θ}\·i_e---\left(2\right)$

式(2)中e_s为电网电压，i_e为并网电流。式(2)化简得： 

$i_e=\frac{I^2\sin \mathrm{\θ}}{2U}---\left(3\right)$

由式(3)可知，并网电流为正弦波，因此，采用本方法对漏感能量进行回馈，不会影响反激式变换器并网电流质量。 

由于反激变换器工作于断续模式，开关管S1开通时，原边电流从零开始增加，因此S1零电流开通；S1关断时，由于S1上并联电容C2，其电压也是缓慢上升，因此S1零电压关断，即S1实现了软开关动作，进一步提高了系统效率。 

Claims (4)

1.一种反激式光伏并网逆变器，包括一个高频反激变换器(1)，一个工频变换器(2)，一个低通滤波器(3)，一个漏感回收电路(4)和一个开关管控制单元(5)，其特征在于所述的高频反激变换器(1)将光伏电池直流电变换为高频馒头波电流输出到所述的工频变换器(2)，工频变换器(2)将高频馒头波电流变换为高频交流电流输出到所述的低通滤波器(3)，所述的低通滤波器(3)将高频交流电流滤波后并入电网；所述高频反激变换器(1)中的高频反激变压器(T1)的初级绕组同名端(a1)连接到光伏电池正端，高频反激变压器(T1)的初级绕组非同名端(a2)连接到第一开关管(S1)的漏极，第一开关管(S1)的源极连接到光伏电池负端；所述工频变换器(2)中第三二极管(D3)的阳极连接到高频反激变压器(T1)的次级绕组非同名端(b1)，第三二极管(D3)的阴极和第三开关管(S3)的漏极相连，第四二极管(D4)的阴极连接到高频反激变压器(T1)的次级绕组同名端(b3)，第四二极管(D4)的阳极和第四开关管(S4)的源极相连，第三开关管(S3)的源极和第四开关管(S4)的漏极相连后接到低通滤波器(3)中第三电容(C3)和第一电感(L1)的一端，第三电容(C3)的另一端连接到高频反激变压器(T1)的次级绕组中间抽头(b2)和电网端，第一电感(L1)的另一端连接到电网另一端；所述的漏感回收电路(4)中的第一二极管(D1)的阳极连接到高频反激变压器(T1)的初级绕组非同名端(a2)，第一二极管(D1)的阴极连接到第二电容(C2)的一端和高频变压器(T2)的原边同名端，第二电容(C2)的另一端连接到第二开关管(S2)的源极、第一开关管(S1)的源极和光伏电池负端；高频变压器(T2)的原边非同名端和第二开关管(S2)的漏极相连，高频变压器(T2)的副边非同名端连接到第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极和高频变压器(T2)的副边同名端分别连接到第三电容(C3)的两端；所述的漏感回收电路(4)将高频反激变压器(T1)漏感能量反馈到所述的低通滤波器(3)后回馈给电网。

2.根据权利要求1所述的反激式光伏并网逆变器，其特征在于所述开关管控制单元根据电网电压正负半周生成工频驱动信号控制第三开关管(S3)和第四开关管(S4)，电网正半周第三开关管(S3)导通、电网负半周第四开关管(S4)导通。

3.根据权利要求1所述的反激式光伏并网逆变器，其特征在于高频反激变压器(T1)工作于电流断续模式，所述开关管控制单元采用正弦包络线峰值电流控制高频反激变压器(T1)的原边电流。

4.根据权利要求1所述的反激式光伏并网逆变器，其特征在于第二开关管(S2)的开通由开关管控制单元根据第二电容(C2)电压和第一开关管(S1)的状态控制，在第二电容(C2)电压高于设定电压值V_H并且第一开关管(S1)开通区间开通第二开关管(S2)；第二开关管(S2)的关断不受第一开关管(S1)状态影响，只要第二电容(C2)电压低于设定电压值V_L时关断第二开关管(S2)。

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