CN103607107B - 用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路 - Google Patents

Abstract

本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，涉及交流干线或交流配电网络的电路装置，由解耦电容器A、解耦电容器B、解耦电容器C、开关管A、开关管B、开关管C、开关管D和一个电感组成，该功率解耦电路可以保障母线电压在400V左右稳定并且减小单个电容的容量，减小电容和开关管的耐压水平，克服了现有的光伏并网逆变器装置中需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、功率密度低、体积大和成本高的缺陷。

Description

用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路

技术领域

本发明的技术方案涉及交流干线或交流配电网络的电路装置，具体地说是用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路。

背景技术

在单相光伏并网逆变器中，为使逆变器的输出功率因数接近1，需要控制逆变器的输出电流波形为正弦波形且与电网电压同相位，这使得逆变器的输出功率为两倍于电网频率的脉动功率。这个脉动功率会在直流母线上产生低频纹波，进而引起光伏阵列的电压和电流的波动。然而，为了最大限度地利用光伏阵列所发出的能量，必须使光伏阵列充分接近其最大功率点运行。为了限制在直流母线上产生的低频纹波，现有的解决方法是在光伏阵列两端并联大的解耦电容，对于400V的直流母线电压来说，解耦电容一般为0.5mF/kW。这无疑增加了逆变器的体积和成本。在这种情况下，如何减小逆变器的电容容量和体积，提高整机功率密度成为近年来学者争相研究的热点问题之一。

文献《Utility-connectedpowerconverterformaximizingpowertransferfromaphotovoltaicsourcewhiledrawingripple-freecurrent》提出的方法增大了母线电容的电压波动幅度，使器件的耐压增大，从而对高耐压电容的选择带来困难，并且器件的寿命也会降低。文献《DCbusregulationstrategyforgrid-connectedVpowergenerationsystem》提出的方法是将一个电感和一个电容串联之后，再并联在直流母线上，利用LC串联谐振的方法可以有效减小母线的电压波动。这种解耦方法的L和C的取值很大，并且其产生的谐振电流存在大幅度波动，给系统增加了不稳定性，并且这种方法不适用于小功率场合。文献《两级式光伏并网逆变器及其功率解耦研究》中boost解耦电路中的电容的电压波动大，在400—1000V之间，对电容的耐压要求高。CN101841252A公开了一种主动能量解耦的光伏并网逆变器，介绍了一种光伏并网逆变器的主动能量解耦方式，利用了两个反激变换器并联电容的方式，其装置的结构复杂、体积大和成本高；CN102638059A报道了单相光伏并网发电系统功率解耦电路及其控制方法，其中的单相光伏并网发电系统功率解耦电路的解耦部分位于全桥逆变和并网滤波器之间，对并网滤波器的设计要求和成本均较高。

总之，现有的单相光伏并网逆变器装置中，仍存在需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、功率密度低、体积大和成本高的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，该功率解耦电路可以保障母线电压在400V左右稳定并且减小单个电容的容量，减小电容和开关管的耐压水平，克服了现有的光伏并网逆变器装置中需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、功率密度低、体积大和成本高的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，由解耦电容器A、解耦电容器B、解耦电容器C、开关管A、开关管B、开关管C、开关管D和一个电感组成；解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器A的正极连接于开关管A和开关管B串联后的开关管A的集电极，再连接到一条直流母线的正极节点上，解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器B的负极连接于另一条直流母线的负极节点上，开关管A和开关管B串联后的开关管B的发射极连接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后的中间节点，开关管A的发射极与开关管B的集电极的连接点通过电感连接于开关管C的发射极与开关管D的集电极的连接点，开关管C和开关管D串联后的开关管C的集电极连接于解耦电容器C的正极，开关管C和开关管D串联后的开关管D的发射极连接于解耦电容器C的负极并同时连接于解耦电容器A和解耦电容器B的中间节点。

上述用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，其中解耦电容器A的电容值为22μF和耐压值为148V，解耦电容器B的电容值为68μF和耐压值为294V，解耦电容器C的电容值为82μF和耐压值为294V。

上述用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路中的开关管A、开关管B、开关管C和开关管D均采用型号为IKP15N65H5的绝缘栅双极型晶体管。

上述用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，其中所涉及到的开关管、解耦电容器、电感都是公知的，所有元器件都可以通过商购等公知途径获得，所有元器件的连接也都是本技术领域的技术人员所熟知的线路连接方法。

上述用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，在应用于光伏并网逆变器中时，解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器A的正极连接于关管A和开关管B串联后的正极再连接到一条直流母线的正极节点，解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器B的负极连接于另一条直流母线的负极节点，该正极节点和负极节点分别连接到光伏阵列的正极和负极上，并且作为逆变器的输入端。在应用于光伏并网逆变器中时，本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路也是能量双向流动的DC/DC变换器。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的实质性特点是：根据光伏阵列产生能量与逆变器输出能量的不同，本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路工作于充电和放电两种工作模式，每种工作模式下会有buck电路和boost电路两种工作状态。

(1)在向电网输出功率低于光伏阵列所产生的功率情况下：

在解耦电容器A的电压高于解耦电容器C的电压时，当开关管A导通时，解耦电容器A、开关管A、电感、开关管C的反并联二极管和解耦电容器C形成回路，解耦电容器A能量流向解耦电容器C，给电感和解耦电容器C充电，电感电流增加；当开关管A关闭时，电感、开关管C的反并联二极管、解耦电容器C和开关管B的反并联二极管形成回路，电感续流给解耦电容器C充电，电感电流降低，此时开关管A工作于高频状态，工作电路是buck电路工作状态。

在解耦电容器A的电压低于解耦电容器C的电压时，当开关管A与开关管D导通时，解耦电容器A、开关管A、电感和开关管D形成回路，解耦电容器A对电感充电，电感电流增加；当开关管D关闭时，解耦电容器A、开关管A、电感、开关管C的反并联二极管和解耦电容器C形成回路，解耦电容器A和电感共同向解耦电容器C充电，电感电流降低。此时开关管A工作于低频状态，开关管D工作于高频状态，工作电路是boost电路工作状态。

由于控制过程中，直流母线电压保持稳定，在解耦电容器A向解耦电容器C充电的整个过程中，由于解耦电容器A的电压的降低，从而解耦电容器B的电压上升，解耦电容器B储存部分过剩能量。

经过以上过程，光伏阵列的过剩能量被储存在解耦电容器B和解耦电容器C中。

(2)在向电网输出功率高于光伏阵列所产生的功率情况下：

在解耦电容器C的电压高于解耦电容器A的电压时，当开关管C导通时，解耦电容器C、开关管C、电感、开关管A的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，解耦电容器C能量流向解耦电容器A，向电感和解耦电容器A释放能量，电感电流增加；当开关管C关闭时，开关管A的反并联二极管、电感、开关管D的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，电感续流向解耦电容器A释放能量，电感电流降低。此时开关管C工作于高频状态，工作电路是buck电路工作状态。

在解耦电容器C的电压低于解耦电容器A的电压时，当开关管B与开关管C导通时，解耦电容器C、开关管C、电感和开关管B形成回路，解耦电容器C对电感充电，电感电流增加；当开关管B关闭时，解耦电容器C、开关管C、电感、开关管A的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，解耦电容器C和电感共同向解耦电容器A放电，电感电流降低。此时开关管C工作于低频状态，开关管B工作于高频状态，工作电路是boost电路工作状态。

由于控制过程中，直流母线电压保持稳定，在解耦电容器C向解耦电容器A放电的整个过程中，由于解耦电容器A的电压的升高，从而解耦电容器B的电压下降，解耦电容器B储存的部分过剩能量释放到系统中。

经过以上过程，储存在解耦电容器B和解耦电容器C中的过剩能量释放到系统当中。

从上所述可知，解耦电容器A，解耦电容器B解耦电容器C的耐压均低于直流母线电压，并且减少了电容的容量，使得解耦电容器的体积变小。开关管A，开关B，开关管C，开关管D所承受的最大电压是解耦电容器A与解耦电容器C的最高电压，均低于直流母线电压，从而较低了开关管的损耗，保证了光伏并网逆变器的效率。

与现有技术相比，本发明的显著进步是：

(1)本发明减小了光伏并网逆变器的解耦电容的体积，从而减小光伏并网逆变器的体积。

(2)本发明在保障直流母线电压400V左右稳定的前提下，与现有解耦电路的结构相比，存储能量的解耦电容有两个，即解耦电容器B和解耦电容器C，从而减少了电容的容量，并且解耦单元的变换电路是升压和降压电路相结合的双向DC/DC变换器，使得解耦电路中所需的解耦电容和开关管的耐压均低于直流母线电压。

(3)现有的解耦方式中需要解耦电容器的容量为量500uF/kw，本发明解耦电路只需解耦电容器的容量为158uF/kw。本发明中解耦电容器容量的降低和开关管耐压的降低，减小了解耦电容体积并提高了整机功率密度。

总之，本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路克服了现有的光伏并网逆变器装置中需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、功率密度低、体积大和成本高的缺陷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路的结构示意图。

图2是本发明在光伏并网逆变器中的应用的示意图。

图3是本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程原理示意图。

图4是本发明实施例的应用试验结果所测试得到的主要波形。

图中，1.解耦电容器A，2.解耦电容器B，3.解耦电容器C，4.开关管A，5.开关管B，6.开关管C，7.开关管D，8.电感，9.光伏阵列，10.正极节点，11.中间节点，12.负极节点，13.开关管A4的发射极与开关管B5的集电极的连接点，14.开关管C6的发射极与开关管D7的集电极的连接点，15.直流母线，16.逆变器，17.电网。

具体实施方式

图1所示实施例表明，用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，由解耦电容器A1、解耦电容器B2、解耦电容器C3、开关管A4、开关管B5、开关管C6、开关管D7和一个电感8组成；解耦电容器A1和解耦电容器B2串联后解耦电容器A1的正极连接于开关管A4和开关管B5串联后的开关管A4的集电极,再连接到一条直流母线15的正极节点10上，解耦电容器A1和解耦电容器B2串联后解耦电容器B2的负极连接于另一条直流母线15的负极节点12上，开关管A4和开关管B5串联后的开关管B的发射极连接于解耦电容器A1和解耦电容器B2串联后的中间节点11，开关管A4的发射极与开关管B5的集电极的连接点13通过电感8连接于开关管C6的发射极与开关管D7的集电极的连接点14，开关管C6和开关管D7串联后的开关管C6的集电极连接于解耦电容器C3的正极，开关管C6和开关管D7串联后的开关管D7的发射极连接于解耦电容器C3的负极，解耦电容器C3的负极同时连接于解耦电容器A1和解耦电容器B2的中间节点11。

图2所示实施例表明，本发明在光伏并网逆变器中的应用情况是：本图中虚线框内所示的用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)中的解耦电容器A1和解耦电容器B2串联后的正极连接于开关管A4和开关管B5串联后的正极再连接到一条直流母线的正极节点10，解耦电容器A1和解耦电容器B2串联后的负极连接于另一条直流母线的负极节点12，该正极节点10和负极节点12分别连接到光伏阵列9的正极和负极上，并且作为逆变器16的输入端。在应用于光伏并网逆变器中时，本发明用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路也是能量双向流动的DC/DC变换器。

图3所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程原理如下：

图3a所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于给解耦电容器C3充电时，开关管A4导通，开关管B5、开关管C6和开关管D7关断的buck电路工作状态。

图3b所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于给解耦电容器C3充电时，开关管A4、开关管B5、开关管C6和开关管D7全部关断的buck电路工作状态。

图3c所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于给解耦电容器C3充电时，开关管A4和开关管D7导通，开关管B5和开关管C6关断的boost电路工作状态。

图3d所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于给解耦电容器C3充电时，开关管A4导通，开关管B5、开关管C6和开关管D7关断的boost电路工作状态。

图3e所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于解耦电容器C3放电时，开关管C6导通，开关管A4、开关管B5和开关管D7关断的buck电路工作状态。

图3f所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于解耦电容器C3放电时，开关管A4、开关管B5、开关管C6和开关管D7全部关断的buck电路工作状态。

图3g所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于解耦电容器C3放电时，开关管B5和开关管C6导通，开关管A4和开关管D7关断的boost电路工作状态。

图3h所示实施例表明，本发明应用于光伏并网逆变器的工作过程中，工作电路处于解耦电容器C3放电时，开关管C6导通，开关管A4、开关管B5和开关管D7关断的boost电路工作状态。

实施例

本实施例的用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路的组成如图1实施例所示，其在光伏并网逆变器中的连接和应用方法如图2实施例所示，其中，解耦电容器A1的电容值为22μF和耐压值为148V，解耦电容器B2的电容值为68μF和耐压值为294V，解耦电容器C3的电容值为82μF和耐压值为294V，开关管A4、开关管B5、开关管C6和开关管D7均采用型号为IKP15N65H5的绝缘栅双极型晶体管，电感8的电感量为2mH。光伏阵列9采用电池板串联的形式使其输出电压在350V到500V之间，电网17频率为50Hz，应用中保持直流母线15的电压为400V(纹波±2％)，光伏并网逆变器输出电压是有效值为220V、频率为50Hz的交流电，输出平均功率为1kW。该用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路中所有开关管的开关频率均为40kHz。

图4给出了本实施例的应用试验结果所测试得到的主要波形。其中，光伏并网逆变器的输出电流是正弦波形，解耦电容器B2的最小电压和最大电压分别为252V和294V，其电压波动量为42V，平均电压为273V，解耦电容器C3的电压变化与解耦电容器B2变化基本一致，而直流母线15的电压的最大和最小值分别为408V和392V，纹波因数为4％。该实验结果与理论分析基本一致。

Claims (1)

1.用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路，其特征在于：由解耦电容器A、解耦电容器B、解耦电容器C、开关管A、开关管B、开关管C、开关管D和一个电感组成；解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器A的正极连接于开关管A和开关管B串联后的开关管A的集电极，再连接到一条直流母线的正极节点上，解耦电容器A和解耦电容器B串联后解耦电容器B的负极连接于另一条直流母线的负极节点上，开关管A和开关管B串联后的开关管B的发射极连接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后的中间节点，开关管A的发射极与开关管B的集电极的连接点通过电感连接于开关管C的发射极与开关管D的集电极的连接点，开关管C和开关管D串联后的开关管C的集电极连接于解耦电容器C的正极，开关管C和开关管D串联后的开关管D的发射极连接于解耦电容器C的负极并同时连接于解耦电容器A和解耦电容器B的中间节点；上述用于光伏并网逆变器的升压与降压混合型功率解耦电路工作于充电和放电两种工作模式，每种工作模式下会有buck电路和boost电路两种工作状态：

(1)在向电网输出功率低于光伏阵列所产生的功率情况下：

在解耦电容器A的电压高于解耦电容器C的电压时，当开关管A导通时，开关管B、开关管C和开关管D关断，解耦电容器A、开关管A、电感、开关管C的反并联二极管和解耦电容器C形成回路，解耦电容器A能量流向解耦电容器C，给电感和解耦电容器C充电，电感电流增加；当开关管A关闭时，开关管B、开关管C和开关管D全部关断，电感、开关管C的反并联二极管、解耦电容器C和开关管B的反并联二极管形成回路，电感续流给解耦电容器C充电，电感电流降低，此时开关管A工作于高频状态，工作电路是buck电路工作状态；

在解耦电容器A的电压低于解耦电容器C的电压时，当开关管A与开关管D导通时，开关管B和开关管C关断，解耦电容器A、开关管A、电感和开关管D形成回路，解耦电容器A对电感充电，电感电流增加；当开关管D关闭时，开关管A导通，开关管B和开关管C关断，解耦电容器A、开关管A、电感、开关管C的反并联二极管和解耦电容器C形成回路，解耦电容器A和电感共同向解耦电容器C充电，电感电流降低，此时开关管A工作于低频状态，开关管D工作于高频状态，工作电路是boost电路工作状态；

由于控制过程中，直流母线电压保持稳定，在解耦电容器A向解耦电容器C充电的整个过程中，由于解耦电容器A的电压的降低，从而解耦电容器B的电压上升，解耦电容器B储存部分过剩能量；

经过以上过程，光伏阵列的过剩能量被储存在解耦电容器B和解耦电容器C中；

(2)在向电网输出功率高于光伏阵列所产生的功率情况下：

在解耦电容器C的电压高于解耦电容器A的电压时，当开关管C导通时，开关管A、开关管B和开关管D关断，解耦电容器C、开关管C、电感、开关管A的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，解耦电容器C能量流向解耦电容器A，向电感和解耦电容器A释放能量，电感电流增加；当开关管C关闭时，开关管A、开关管B和开关管D全部关断，开关管A的反并联二极管、电感、开关管D的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，电感续流向解耦电容器A释放能量，电感电流降低，此时开关管C工作于高频状态，工作电路是buck电路工作状态；

在解耦电容器C的电压低于解耦电容器A的电压时，当开关管B与开关管C导通时，开关管A和开关管D关断，解耦电容器C、开关管C、电感和开关管B形成回路，解耦电容器C对电感充电，电感电流增加；当开关管B关闭时，开关管C导通，开关管A和开关管D关断，解耦电容器C、开关管C、电感、开关管A的反并联二极管和解耦电容器A形成回路，解耦电容器C和电感共同向解耦电容器A放电，电感电流降低，此时开关管C工作于低频状态，开关管B工作于高频状态，工作电路是boost电路工作状态；

由于控制过程中，直流母线电压保持稳定，在解耦电容器C向解耦电容器A放电的整个过程中，由于解耦电容器A的电压的升高，从而解耦电容器B的电压下降，解耦电容器B储存的部分过剩能量释放到系统中；

经过以上过程，储存在解耦电容器B和解耦电容器C中的过剩能量释放到系统当中。