CN103378761A - 一种三级拓扑光伏逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种三级拓扑光伏逆变器用于光伏发电领域，是把光伏发出的直流电逆变为工频交流电设备。本发明提出了一种创新的三级拓扑结构：第一级为恒功率传输的电压推高电路和高位差储能电容，第二级为DC/DC变换生成两倍工频的正弦半波，第三级为换向电路。本发明实现了无电解电容、工作温度宽、寿命长的而且相对成本不高的光伏逆变，尤其适用于输入电压低的小型或微型光伏逆变器。

Description

一种三级拓扑光伏逆变器
技术领域
本发明属于新能源中的光伏发电领域，是实现把光伏发出的直流电变流成交流电，即逆变中的一种技术。 
背景技术
当前光伏发电技术中，逆变器是核心设备之一，它的寿命和成本非常重要。现在一般光伏电池板的寿命达到了20年以上，但当前逆变器做到这么长的寿命比较困难或者成本太高。随着光伏发电的普及和光伏电池板价格的急剧下降，光伏逆变器的价格变的越来越敏感，所以设计出长寿命和低成本的逆变器至关重要。当前光伏逆变器，有多种拓扑，但归类下来主要有如下三种拓扑：1.直接桥式DC/AC变换；2.先升压再桥式DC/AC变换；3.先DC/DC变换成周期为两倍工频的正弦波半波(又俗称为馒头波)再间隔换向。这三种拓扑各有优缺点：第一种拓扑只适合与高电压输入的大功率逆变器；第二种拓扑可以实现低电压输入的小型/微型逆变器，但成本太高，在小型/微型逆变器中采用这种拓扑的并不多；第三种拓扑较第二种拓扑在实现低电压输入的小型/微型逆变器时，成本稍低，但由于必须采用大容量的电解电容，所以工作温度和寿命容易出问题。 
本文提出了一种全新的拓扑，可以用相对较低的成本实现工作温度宽，并且寿命长的小型/微型光伏逆变器。 
发明内容
本发明采用的方法是三级拓扑：第一级是电压推高电路和高位差储能电容；第二级是生成两倍工频的频率的正弦半波的DC/DC变换电路；第三级是换向电路，对前级生成的正弦半波间隔换向。参考图1。本发明讨论的主要涉及逆变器的功能实现部分，真正的光伏逆变器产品除了包括以上三部分，还应该包括EMC保护电路、EMI抑制电路等其他电路。 
位于第一级的电压推高电路和高位差储能电容实现把输入电压推高并且高位差电容以两倍工频电压波动来缓冲交流输出的两倍频率功率波动。电压推高电路在系统稳态时，以恒定的功率把光伏发出的电能推向后级，同时把电压升高，使电压Vml高于逆变器交流输出的峰值Vout-peak，这样可以方便下一级的DC/DC变换。恒功率电压推高电路可以采用boost、buck-boost、cuk、sepic、带隔离高频变压器的正激、反激、推挽、半桥、桥式等拓扑实现。高位差储能电容平抑逆变器交流输出的两倍工频功率波动与光伏逆变器功率恒定输出之间的功率差。参考图2。图2中的Pout为整个逆变器的输出功率曲线，Ppv为光伏的发电功率，Pt为电压推高电路的传输功率，在理想的情况下(即所有的元器件都为理想情况，没有损耗的情况下)Ppv＝Pt。由于位于中部的高位差储能电容电压Vml比光伏的电压Vpv高很多，而且允许的电压波动大，所以电容值需求就相比传统的位于逆变器前级的储能电容容量小很多。因此就可以采用工作温度范围宽，寿命长的薄膜电容，从而避免了使用工作温度范围窄、寿命短的电解电容。 
位于第二级的生成两倍工频频率正弦半波的DC/DC变换电路，把上一级生成的高电压变换生成两倍工频频率的正弦半波，俗称馒头波，它的周期是二分之一工频周期，它的幅值为要输出的交流电峰值Vout-peak加上后级换向电路带来的压降。由于前一级的输出电压高于本级的输出电压幅值，所以这一级的电路采用简单高效的buck拓扑比较合适，当然良好设计的其他类似拓扑也可以。 
位于第三级的换向电路，对以两倍工频的正弦半波间隔性的换向，从而生成工频周期的正弦波，完成逆变功能。这里的电路可以采用桥式电路，桥式电路可以采用4个晶闸管(SCR)组成、4个MOSFET组成、或两个SCR和两个MOSFET混合构成。 
本发明的有益效果主要是对实现光伏逆变器提出了一种全新的拓扑，这种拓扑有效的平衡了可靠性、成本，适用于在室外使用的、要求长寿命的小型/微型光伏逆变器。本发明恰当的平衡了传统三种光伏逆变拓扑的优缺点，即避免了使用电解电容，从而实现了宽工作温度范围，提高了使用寿命，同时后级又采用 了成本相对较低的先产生馒头波再换向的拓扑，保证了相当低成本。 
附图说明
本说明书有5个附图： 
图1，三级拓扑光伏逆变器的框图； 
图2，三级拓扑光伏逆变器电压和功率波形； 
图3，三级拓扑光伏逆变器电压波形补充； 
图4，实施例原理图； 
图5，实施例主要电压波形图； 
具体实施方式
图4是使用本发明的原理实现一个输出50Hz/220V光伏微逆变器的例子。为了清晰说明本发明和突出重点，图中没有画出控制电路和EMI/EMC电路等部分。 
本实施例中的电压推高电路采用了高频半桥式正激电路，采用高频变压器Tt实现升压和隔离，为了缩小高频变压器的体积，可以尽量提高开关频率，同时还可以采用LLC谐振软开关技术，降低开关损耗。电压推高电路的输入侧有一高频储能电容Ci，当开关频率是200Khz以上时，高频储能电容Ci的容量是10uF左右就足够了，采用薄膜电容。Ci的作用是平抑高频开关的能量波动的，由于开关频率可以做的很高(200Khz以上)，因此需要平抑的能量也很小，所以对容量要求不高，它不是为了平抑交流输出两倍工频功率波动的。电压推高电路在系统稳态时，以恒定的功率把光伏发出的功率推送到后级。高位差储能电容Cm上的电压Vml在系统稳态是以两倍工频波动。本例中，Ci为57uF，当光伏发电功率为200W，逆变器输出交流峰值310V时，Vml的幅值最低是340V，最高是400V。Ci为57uF，选用DC耐压400V以上的薄膜电容。 
本实施例中采用简单的Bulk电路生成两倍工频频率的正弦半波。为了降低开关损耗，这里可以采用降低开关速度的方法，Q3的开关速度这里选择20KHz。Bulk电路生成的正弦半波峰值比逆变器最终交流输出的峰值稍高，因为后级的换向电路还会消耗一些压降。 
本实施例中的换向电路采用四个晶闸管S1、S2、S3和S4组成。S1-S4为一组同时开关，S2-S3为一组同时开关，S1-S4组和S2-S3组交替开通和关断，当前级生成的正弦半波归零点时，这两组晶闸管交替，从而实现换向功能，把正弦半波变换成正弦波。 
本实施例中没有采用电解电容，保证了逆变器的工作温度和寿命。同时本实施例中只使用了1个高频变压器、3个MOSFET，保证了逆变器的成本控制。通过本实施例说明了，采用本发明的三级拓扑结构可以实现无电解电容，工作温度宽，寿命长，高效廉价的小型/微型光伏逆变器。 

Claims (3)

1.一种三级拓扑光伏逆变器，是一种把光伏发出的直流电转换成工频交流电的产品，其特征在于它的主电路是由电压推高电路和高位差储能电容、产生两倍工频的正弦半波的DC/DC电路、换向电路三级组成。
2.如权利要求1所述的三级拓扑光伏逆变器，其特征在于，在系统稳态时其电压推高电路把光伏发出的电能用高频开关电路以恒定的功率推向后级，同时为后级提供一个高于输出交流峰值的电压。
3.如权利要求1所述的三级拓扑光伏逆变器，其特征在于，在系统稳态时，以两倍工频波动的交流输出功率与光伏发出的恒定功率之间的差是主要是由位于中部的高位差储能电容Cm以两倍工频的频率的电压波动来平抑的，即整个逆变器的低频储能电容位于逆变器的中部。
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