CN102118035A - 一种并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并网逆变器，包括：升压式变换器模块，与光伏阵列中的太阳能板连接，用于将所述太阳能板产生的电能升压并转换为两个相同的直流电压；以及，逆变器模块，与电网连接，用于将所述两个相同的直流电压转换为与所述电网具有相同的频率和相位的N相交流电并输出给所述电网，N为正整数，其中所述太阳能板的阴极与所述电网的零线连接。利用该并网逆变器，不需要光伏阵列串联多个太阳能板就能提供比电网高的输入电压。

Description

一种并网逆变器
技术领域
本发明涉及一种并网逆变器。
背景技术
用于光伏并网系统的单相或三相直流-交流变换器(简称为并网逆变器)是光伏并网系统中的关键部件，其作为光伏阵列和电网之间的接口，用于将来自光伏阵列的太阳能板的直流电转换成与电网具有相同的频率和相位的交流电。
现有技术中已经出现了许多并网逆变器，其中，最常用的一种并网逆变器称作全桥逆变器。图1示出了现有的具有工频变压器的单相全桥逆变器的结构示意图。由于光伏阵列中的太阳能板的极性不可避免地以高的频率在电网的地线和零线之间变换，因此，为了保证光伏阵列和电网之间的隔离，图1所示的并网逆变器具有工频变压器，这导致并网逆变器具有大体积和大重量。
为了减少体积和重量，出现了一种使用高频变压器来替代工频变压器的并网逆变器，如图2所示。图2所示的并网逆变器是一种两级逆变器，其中，该两级逆变器的第一级首先将来自光伏阵列的太阳能板的直流电转换为高频脉宽调制波形，然后该高频脉宽调制波形被整流和滤波为直流电，以及，该两级逆变器的第二级将该整流和滤波得到的直流电转换为正弦波并输出给电网。由于高的载波频率，因此，相对于工频变压器，高频变压器的体积和重量更小和更轻，因而，具有高频变压器的并网逆变器相对于具有工频变压器的并网逆变器具有更小的体积和更轻的重量。然而，由于其拓扑结构上的两级变换，具有高频变压器的并网逆变器的主电路更加复杂，这导致了其较低的转换效率和更高的成本。
为了减少并网逆变器的成本和改善并网逆变器的转换效率，现有技术中出现了一种没有工频变压器或高频变压器的并网逆变器。图3示出了现有技术中的无变压器的并网逆变器的结构示意图，该并网逆变器包括用于处理直流-直流变换的降压-升压式变换器和用于处理直流-交流变换的主频逆变器。由于其拓扑电路结构，因此图3所示的无变压器的并网逆变器相对于具有变压器的并网逆变器具有更高的转换效率。此外，在图3所示的无变压器的并网逆变器中，光伏阵列中的太阳能板的阳极与电网的零线连接，所以太阳能板的极性保持平稳而不需要隔离，从而省掉了变压器，这使得降低并网逆变器的成本，进一步减小并网逆变器的体积。
然而，该无变压器的逆变器也存在以下缺陷。首先，为了最大功率点跟踪(MPPT)的目的，该无变压器的逆变器需要使用一个作为直流电抗器的可控电感L-1来调制光伏阵列的电流，从而很难保证两个分相电容C-1和C-2的电压是相等的，这进而导致在一个完整的交流周期中主频逆变器的输出电压的不平衡；其次，由于分相电容C-2与光伏阵列并联，所以在整个交流周期期间都不能进行最大功率点跟踪，从而当在整个交流周期的负半周期电流从光伏阵列流入电网时，该无变压器的逆变器的输出电流不能被调制；最后，由于光伏阵列的电压需要严格地比电网的交流电压高，所以光伏阵列通常需要多个太阳能板串联在一起以提供比电网高的输入电压，这将增加系统的成本。
发明内容
考虑到现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种并网逆变器，其不需要光伏阵列串联多个太阳能板以提供比电网高的输入电压。
按照本发明实施例的一种并网逆变器，包括：升压式变换器模块，与光伏阵列中的太阳能板连接，用于将所述太阳能板产生的电能升压并转换为两个相同的直流电压；以及，逆变器模块，与电网连接，用于将所述两个相同的直流电压转换为与所述电网具有相同的频率和相位的N相交流电并输出给所述电网，N为正整数，其中所述太阳能板的阴极与所述电网的零线连接。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：
图1示出了现有的具有工频变压器的单相全桥逆变器的结构示意图；
图2示出了现有的具有高频变压器的并网逆变器的结构示意图；
图3示出了现有技术中的无变压器的并网逆变器的结构示意图；
图4是示出按照本发明一个实施例的并网逆变器的结构示意图；
图5是示出按照本发明一个实施例的第一控制模块和第二控制模块的结构示意图；以及
图6A和6B分别是示出按照本发明一个实施例的升压式变换器模块的工作原理的示意图。
具体实施方式
下面，将结合附图来详细描述本发明的各个实施例。
图4是示出按照本发明一个实施例的并网逆变器的结构示意图。如图4所示，并网逆变器100包括作为前级的升压式变换器模块110和作为后级的逆变器模块140。
其中，升压式变换器模块110与光伏阵列的太阳能板200连接，用于将太阳能板200产生的电能升压并转换为两个相同的直流电压。逆变器模块140与电网300连接，用于将升压式变换器模块110转换得到的两个相同的直流电压转换为与电网300具有相同的频率和相位的交流电并输出给电网300。太阳能板200的阴极(-)与电网300的零线(N)连接。在本实施例中，电网300具有单相交流电。
升压式变换器模块110包括第一-第四二极管D1-D4、第一电感L1、第一电容(直流链路电容)C1、两个分相电容C2和C3、两个第一可控开关器件Q1和Q2、以及第一控制模块1102。可控开关器件Q1和Q2可以是各种可控制的开关器件，例如门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效率晶体管(VMOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT)等。
其中，太阳能板200的阳极(+)连接到第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极连接到第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接到第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接到第四二极管D4的正极，以及第四二极管D4的负极连接到第二二极管D2和第一电感L1之间，
第一可控开关器件Q1和Q2串联，并且第一可控开关器件Q1和Q2串联所形成的电路的两端分别连接到第一电容C1的两端，
第一二极管D1的正极连接到第一电容C1的一端，以及第三二极管D3的负极连接到第一电容的另一端C1，
分相电容C2和C3串联，并且分相电容C2和C3串联所形成的电路的一端连接到第一二极管D1的负极，分相电容C2和C3串联所形成的电路的另一端连接到第三二极管D3的正极，
太阳能板200的阴极(-)和电网300的零线(N)连接到第一可控开关器件Q1和Q2之间以及分相电容C2和C3之间，以及
第一控制模块1102用于根据第一电感L1的电流检测值和第一电容C1的电压检测值，生成和输出用于控制第一可控开关器件Q1和Q2的断开和闭合的脉宽调制信号。
逆变器模块140是一个三电平逆变器，其包括第一桥臂1402和第二控制模块1404，
其中，第一桥臂1402包括第二电感L2、四个第二可控开关器件Q3-Q6和两个第五二极管D5、D6。可控开关器件Q3-Q6可以是各种可控制的开关器件，例如门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场效率晶体管(VMOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT)等。
其中，四个第二可控开关器件Q3-Q6串联，两个第五二极管D5和D6串联，并且第五二极管D5和D6串联所形成的电路的两端分别连接到第二可控开关器件Q3-Q6串联所形成的电路中的两端的两个第二可控开关器件之间，即：第五二极管D5和D6串联所形成的电路的一端连接到第二可控开关器件Q3和Q4之间，以及第五二极管D5和D6串联所形成的电路的另一端连接到第二可控开关器件Q5和Q6之间。第二电感L2的一端连接到四个第二可控开关器件Q3-Q6串联所形成的电路的中间，即连接到第二可控开关器件Q4和Q5之间，第二电感L2的另一端连接到电网300的火线(L)，以及，太阳能板200的阴极(-)和电网300的零线(N)连接到第五二极管D5和D6之间。
第二控制模块1404用于根据升压式变换器模块110中的第一电容C1的电压检测值、第一桥臂1402中的第二电感L2的电流检测值和第一桥臂1402的同步信号Sync，生成和输出用于控制第一桥臂1402中的第二可控开关器件Q3-Q6的断开和闭合的脉宽调制信号。其中，第一桥臂1402的同步信号Sync用于保持并网逆变器100和电网300之间的电流同步。
图5是示出按照本发明一个实施例的第一控制模块和第二控制模块的结构示意图。
如图5所示，第一控制模块1102包括最大功率点跟踪(MPPT)模块502、第一比较模块504、第一比例积分(PI)调节模块506和第一脉宽调制(PWM)模块508。
其中，最大功率点跟踪模块502用于根据升压式变换器模块110中的第一电感L1的电流检测值和第一电容C1的电压检测值来跟踪太阳能板200的最大功率点，以产生电流参考信号Iref。由于这里所采用的最大功率点跟踪方法是现有技术，因此，这里省略对其的描述。
第一比较模块504用于比较最大功率点跟踪模块502所产生的电流参考信号Iref和升压式变换器模块110中的第一电感L1的电流检测值，以获取两者之间的差值，作为电流误差信号。
第一比例积分调节模块506用于对第一比较模块504所获取的电流误差信号执行比例积分调节处理，以获取第一比例积分调节处理信号。
第一脉宽调制模块508用于对所述获取的第一比例积分调节处理信号执行脉宽调制处理，以获取和输出用于控制第一可控开关器件Q1和Q2的断开和闭合的脉宽调制信号。由于这里所采用的脉宽调制处理技术是现有技术，因此，这里省略对其的描述。
如图5所示，第二控制模块1404包括第二比较模块602、第二比例积分(PI)调节模块604、同步模块606、第三比较模块608、比例(P)调节模块610和第二脉宽调制模块612。
第二比较模块602用于比较电压参考值Vref和升压式变换器模块110中的第一电容C1的电压检测值，以获取两者之间的差值，作为电压误差信号。
第二比例积分调节模块604用于对第二比较模块602所获取的电压误差信号执行比例积分调节处理，以获得第二比例积分调节信号。
同步模块606用于利用第一桥臂1402的同步信号Sync对第二比例积分调节模块604所获取的第二比例积分调节信号进行同步处理，以获取第一桥臂1402的电流参考信号。
第三比较模块608用于将所获取的第一桥臂1402的电流参考信号与第一桥臂1402中的第二电感L2的电流检测值进行比较，以获取两者之间的差值，作为第一桥臂1402的电流误差信号。
比例调节模块610用于对第一桥臂1402的电流误差信号执行比例调节处理，以获取第一桥臂1402的比例调节处理信号。
第二脉宽调制模块612用于对所获取的第一桥臂1402的比例调节处理信号执行脉宽调制处理，以生成和输出用于控制第一桥臂1402中的第二可控开关器件Q3-Q6的断开和闭合的脉宽调制信号。由于这里所采用的脉宽调制处理技术是现有技术，因此，这里省略对其的描述。
本领域技术人员应当理解，上面实施例所公开的第一控制模块1102和第二控制模块1404既可以利用软件的方式来实现，也可以利用诸如电路等这样的硬件来实现。
图6A和6B分别是示出按照本发明一个实施例的升压式变换器模块的工作原理的示意图。在图6A和6B中，短划线表示第一电感L1的电流，虚线表示第一电容C1的电流。
如图6A所示，在升压式变换器模块110中，当可控开关器件Q1处于闭合状态以及可控开关器件Q2处于断开状态时，太阳能板200的电流从阳极通过第一电感L1经由可控开关器件Q1流回到太阳能板200的阴极，第一电感L1处于充电状态具有大的充电电流。同时，第一电容C1通过向分相电容C3充电而处于放电状态。
如图6B所示，在升压式变换器模块110中，当可控开关器件Q1处于断开状态以及可控开关器件Q2处于闭合状态时，由于可控开关器件Q1的断开和第一电感L1的感应特性，第一电感L1的感应电流不能突然改变，通过向第一电容C1和分相电容C2充电而释放它的能量。在这种情况下，第一电容C1的能量被补充。
上面实施例所公开的并网逆变器100具有如下优点：(1)由于并网逆变器100包括能提升电压的升压式变换器模块110，所以光伏阵列不需要串联多个太阳能板200来提供比电网300高的输入电压，从而节省光伏发电的投资；(2)由于太阳能板200的阴极和电网300的零线直接电连接，所以并网逆变器100能够省掉用于起隔离作用的工频变压器或高频变压器，从而提高了转换效率并且减少并网逆变器100的体积和成本；(3)由于升压式变换器模块110所具有的拓扑电路结构，所以在光伏阵列的太阳能板200和并网逆变器100之间的输出电流不存在相互干扰，从而并网逆变器100能够对光伏阵列的太阳能板200所输出的电能进行最大功率点跟踪；(4)由于升压式变换器模块110所具有的拓扑电路结构，所以并网逆变器100能够保证在每一个周期中分相电容C2和C3的电压是相等，从而分相电容C2和C3可以使用具有小容量的电容，达到具有大容量的电容的效果，这也能减少并网逆变器100的体积；(5)由于升压式变换器模块110所具有的拓扑电路结构，在每个周期中升压式变换器模块110的每个可控开关器件的电压仅等于一个分相电容的电压，所以升压式变换器模块110中的可控开关器件能够使用具有较低允许电压值的开关器件。
其它变形
本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，逆变器模块140是一个三电平逆变器，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它一些实施例中，逆变器模块140也可以是一个二电平逆变器。在逆变器模块140是二电平逆变器的情况下，逆变器模块140的第一桥臂1402不包括第二可控开关器件Q3和Q6、第五二极管D5和D6以及第五二极管D5和D6所形成的电路。也就是说，第一桥臂1402包括第二电感L2以及第二可控开关器件Q4和Q5，其中，第二可控开关器件Q4和Q5串联，第二电感L2的一端连接到第二可控开关器件Q4和Q5之间，第二电感L2的另一端连接到电网300的火线。此外，逆变器模块140的第二控制模块1404的第二脉宽调制模块612用于生成和输出用于控制第二可控开关器件Q4和Q5的断开和闭合的脉宽调制信号。
本领域技术人员应当理解，虽然在上面的实施例中，并网逆变器100应用于具有单相交流电的电网300，然而，本发明并不局限于此。在本发明的其它实施例中，并网逆变器100可以应用于具有N相交流电(例如三相交流电)的电网300，其中，N为正整数。
在电网300具有N相交流电的情况下，并网逆变器100的逆变器模块140除了包括第二控制模块1404之外，还包括N个第一桥臂1402。
第二控制模块1404的同步模块606用于利用N个第一桥臂1402中的各个桥臂的同步信号分别对第二比例积分调节模块604所获取的第二比例积分调节信号进行同步处理，以获取N个第一桥臂1402中的各个桥臂的电流参考信号。
第二控制模块1404的第三比较模块608用于将所获取的N个第一桥臂1402中的各个桥臂的电流参考信号分别与N个第一桥臂1402中的各个桥臂的第二电感L2的电流检测值进行比较，以获取N个第一桥臂1402中的各个桥臂的第二电感L2的电流检测值与电流参考信号之间的差值，作为N个第一桥臂1402中的各个桥臂的电流误差信号。
第二控制模块1404的比例调节模块610用于对N个第一桥臂1402中的各个桥臂的电流误差信号分别执行比例调节处理，以获取N个第一桥臂1402中的各个桥臂的比例调节处理信号。
第二控制模块1404的第二脉宽调制模块612用于分别对所获取的N个第一桥臂1402中的各个桥臂的比例调节处理信号执行脉宽调制处理，以生成和输出用于控制N个第一桥臂1402中的各个桥臂的第二可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
本领域技术人员应当理解，上面所公开的本发明的各个实施例，可以在没有偏离发明实质的情况下作出各种改变、变化和修改，并且这些改变、变化和修改都应当落入本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应当由权利要求书来定义。

Claims (7)

1.一种并网逆变器，包括：
升压式变换器模块，与光伏阵列中的太阳能板连接，用于将所述太阳能板产生的电能升压并转换为两个相同的直流电压；以及
逆变器模块，与电网连接，用于将所述两个相同的直流电压转换为与所述电网具有相同的频率和相位的N相交流电并输出给所述电网，N为正整数，
其中所述太阳能板的阴极与所述电网的零线连接。
2.如权利要求1所述的并网逆变器，其中，
所述升压式变换器模块进一步包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电感、第一电容、两个分相电容、两个第一可控开关器件和第一控制模块，
其中，所述太阳能板的阳极连接到所述第二二极管的正极，所述第二二极管的负极连接到所述第一电感的一端，所述第一电感的另一端连接到所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端连接到所述第四二极管的正极，以及所述第四二极管的负极连接所述第二二极管和所述第一电感之间，
所述两个第一可控开关器件串联，并且所述两个第一可控开关器件串联所形成的电路的两端分别连接到所述第一电容的两端，
所述第一二极管的正极连接到所述第一电容的一端，以及所述第三二极管的负极连接到所述第一电容的另一端，
所述两个分相电容串联，并且所述两个分相电容串联所形成的电路的一端连接到所述第一二极管的负极，所述两个分相电容串联所形成的电路的另一端连接到所述第三二极管的正极，
所述太阳能板的阴极和所述电网的零线连接到所述两个第一可控开关器件之间和所述两个分相电容之间，以及
所述第一控制模块用于根据所述第一电感的电流检测值和所述第一电容的电压检测值，生成和输出用于控制所述两个第一可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的并网逆变器，其中，所述第一控制模块进一步包括：
最大功率点跟踪模块，用于根据所述第一电感的电流检测值和所述第一电容的电压检测值来跟踪所述太阳能板的最大功率点，以产生电流参考信号；
第一比较模块，用于比较所述产生的电流参考信号和所述第一电感的电流检测值，以获取两者之间的差值，作为电流误差信号；
第一比例积分调节模块，用于对所述电流误差信号执行比例积分调节处理，以获取第一比例积分调节处理信号；以及
第一脉宽调制模块，用于对所述获取的第一比例积分调节处理信号执行脉宽调制处理，以获取和输出用于控制所述两个第一可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
4.如权利要求2或3所述的并网逆变器，其中，
所述逆变器模块进一步包括N个第一桥臂和第二控制模块，
其中，所述N个第一桥臂中的每一个桥臂包括第二电感、四个第二可控开关器件和两个第五二极管，其中，所述四个第二可控开关器件串联，所述两个第五二极管串联并且所述两个第五二极管串联所形成的电路的两端分别连接到所述四个第二可控开关器件串联所形成的电路中的两端的两个第二可控开关器件之间，所述第二电感的一端连接到所述四个第二可控开关器件串联所形成的电路的中间，所述第二电感的另一端连接到所述电网的火线，以及，所述太阳能板的阴极和所述电网的零线连接到所述两个第五二极管之间，以及
所述第二控制模块用于根据所述第一电容的电压检测值、所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二电感的电流检测值和所述N个第一桥臂中的各个桥臂的同步信号，生成和输出用于控制所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
5.如权利要求2或3所述的并网逆变器，其中，
所述逆变器模块进一步包括N个第一桥臂和第二控制模块，
其中，所述N个第一桥臂中的每一个桥臂包括第二电感和两个第二可控开关器件，其中，所述两个第二可控开关器件串联，所述第二电感的一端连接到所述两个第二可控开关器件之间，以及所述第二电感的另一端连接到所述电网的火线，以及
所述第二控制模块用于根据所述第一电容的电压检测值、所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二电感的电流检测值和所述N个第一桥臂中的各个桥臂的同步信号，生成和输出用于控制所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
6.如权利要求4或5所述的并网逆变器，其中，所述第二控制模块进一步包括：
第二比较模块，用于比较电压参考值和所述第一电容的电压检测值，以获取两者之间的差值，作为电压误差信号；
第二比例积分调节模块，用于对所述电压误差信号执行比例积分调节处理，以获得第二比例积分调节信号；
同步模块，用于利用所述N个第一桥臂中的各个桥臂的同步信号分别对所述第二比例积分调节信号进行同步处理，以获取所述N个第一桥臂中的各个桥臂的电流参考信号；
第三比较模块，用于将所获取的所述N个第一桥臂中的各个桥臂的电流参考信号分别与所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二电感的电流检测值进行比较，以获取所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二电感的电流检测值与电流参考信号之间的差值，作为所述N个第一桥臂中的各个桥臂的电流误差信号；
比例调节模块，用于对所述N个第一桥臂中的各个桥臂的电流误差信号分别执行比例调节处理，以获取所述N个第一桥臂中的各个桥臂的比例调节处理信号；以及
第二脉宽调制模块，用于对所获取的所述N个第一桥臂中的各个桥臂的比例调节处理信号分别执行脉宽调制处理，以生成和输出用于控制所述N个第一桥臂中的各个桥臂的第二可控开关器件的断开和闭合的脉宽调制信号。
7.如权利要求1所述的并网逆变器，其中，所述N等于一或三。
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