CN103915858B - 基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统，其包括并网系统、多个光伏电池板和一控制单元，其中每个光伏电池板通过一个升压拓扑连接到一个母线电容；每个母线电容通过一个H桥逆变电路连接到多绕组变压器的一个原边绕组；多绕组变压器的副边绕组连接背靠背H桥逆变电路；控制单元配置成与并网系统之间进行信息交互，以使多个母线电容的电压平衡和使直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并控制背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电。本发明体积小，重量轻，成本低，能够独立控制每个光伏电池板进行最大功率点跟踪，具有明显的经济效益，推广应用。

Description

基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统

技术领域

本发明涉及光伏微型逆变器拓扑结构，特别是涉及一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统。

背景技术

光伏逆变器作为光伏电池板发电并网过程中最重要的环节，其效率、成本、稳定性都是决定光伏行业能否蓬勃发展的重要因素。新型的并网逆变器拓扑可以提高太阳能利用效率，进而缩短成本回收周期，使得光伏逆变发电的大规模普及变得可能。

然而，在光伏逆变发电系统发电的过程中，由于每个光伏电池板安装不可避免的存在不同安装角度、不同面向角度，局部黑斑、阴影的影响，和污垢累计、老化程度、材料差异性等因素的影响造成的杂散参数的不同，从而导致光伏发电系统的各个光伏电池板的发电效率、最大功率点的不同。若采用集中式逆变的最大功率点跟踪，容易使光伏逆变发电系统失配导致整体输出功率的大幅度降低，甚至可能形成热斑导致光伏逆变发电系统中的组件受损。另一方面，光伏阵列不可避免的与地面之间存在分布电容，该电容在非隔离系统中会导致漏电流的产生，进而影响系统的安全性及电网的波形质量。

基于上述原因，采用工频进行隔离的分布式逆变器拓扑结构逐渐成为应用主流。虽然采用工频变压器的分布式逆变拓扑结构结构简单、抗冲击性能好，其也存在体积大、质量重、噪音高和效率低等缺点。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统，其能够允许对每个光伏电池板独立进行最大功率点跟踪。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统，包括并网系统、多个光伏电池板和一控制单元，其中

所述并网系统包括多个升压拓扑、多个母线电容、多个H桥逆变电路和一个多绕组变压器以及一个背靠背H桥逆变电路；所述光伏电池板的数量、所述升压拓扑的数量、所述母线电容的数量和所述H桥逆变电路的数量是一致的；

每个所述光伏电池板通过一个升压拓扑连接到一个母线电容；每个所述母线电容通过一个所述H桥逆变电路连接到多绕组变压器的一个原边绕组；所述多绕组变压器的副边绕组连接背靠背H桥逆变电路；

所述背靠背H桥逆变电路配置成其输出端与单相电网相连以进行并网，其包括与所述副边绕组连接的第一H桥逆变电路、与所述单相电网相连的第二H桥逆变电路和连接所述第一H桥逆变电路与所述第二H桥逆变电路的直流母线电容；

所述控制单元配置成与所述并网系统之间进行信息交互，以使多个所述母线电容的电压平衡和使所述直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并控制所述背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电。

可选地，所述第二H桥逆变电路通过电感接入所述单相电网。

可选地，所述多绕组变压器为多原边单副边中、高频变压器。

可选地，所述并网系统进一步包括电压电流检测单元，其连接每个所述光伏电池板的输出端，以将计算所得的功率值传送给所述控制单元从而进行最大功率点跟踪。

可选地，所述并网系统进一步包括电压传感器，其连接所述母线电容两端，以把所述母线电容两端的电压信号检测出来并传送给所述控制单元，从而使所述控制单元调节相应的所述H桥逆变电路输出的方波的相位差，以实现功率流动。

可选地，每个所述H桥逆变电路中均具有四个开关器件。

可选地，所述控制单元包括：

模数采集模块，配置成接收所述电压电流检测单元和所述电压传感器输送的信号，并将其转化为数字信号；

开关量采集模块，配置成采集每个所述开关器件的故障信号；

数字信号微处理器，其包括电压平衡模块和脉宽调制生成模块；所述电压平衡模块配置成接收所述模数采集模块传送的数字信号并计算，以得出所述母线电容两端两端的电压与正常值之间的偏差；所述脉宽调制生成模块配置成根据所述偏差发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号；所述数字信号微处理器还用于接收所述开关量采集模块传送的故障信号，以发出保护指令；

开关量输出模块，配置成接收所述数字信号微处理器传送的所述辅助控制信号和所述保护指令；

脉宽调制输出模块，配置成将所述脉宽调制控制脉冲信号输送给脉宽调制扩展模块；

所述脉宽调制扩展模块，配置成接收所述脉宽调制控制脉冲信号并对其进行再次扩展；

多个驱动电路，每一个所述驱动电路配置成按照所述脉宽调制扩展模块的输出发出脉冲电压，以驱动所述并网系统中相应的开关器件的导通或关断，从而使多个所述母线电容的电压平衡和使所述直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并使所述背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电。

由于本发明的光伏微逆发电系统是基于多绕组高频磁耦合系统的，采用中、高频的多绕组变压器，因此其节省掉了体积大、重量大、成本高的传统多绕组工频变压器。显著地减小了光伏微逆发电系统的体积。

进一步地，由于本发明的光伏微逆发电系统采用的高频隔离单元结构可以实现电隔离，因而能够避免了漏电流的产生，提高了微型逆变器的安全性。

进一步地，由于本发明的光伏微逆发电系统采用的结构包括DC-DC变换器，可以独立控制单个光伏电池板的功率输出，易于使不同的光伏电池板分别实现最大功率跟踪。由于采用方波移相控制的磁耦合并网系统提高了电网侧输入功率因数和逆变器输出电压波形的质量，保证了电容电压平衡。

进一步地，由于本发明的光伏微逆发电系统体积小、重量轻、可靠性与电气隔离性能良好、发电效率高，因此能够适用于各类型光伏并网系统。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的光伏微逆发电系统的示意性拓扑图；

图2是图1所述光伏微逆发电系统中的磁耦合系统的基本结构单元图；

图3是图1所述光伏微逆发电系统中的控制单元的示意性结构图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的光伏微逆发电系统的示意性拓扑图。如图1所示，本发明实施例提供了一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统，其包括包括并网系统、多个光伏电池板和一控制单元。并网系统包括多个升压拓扑、多个母线电容C₁、多个H桥逆变电路和一个多绕组变压器以及一个背靠背H桥逆变电路。光伏电池板的数量、升压拓扑的数量、所述母线电容的数量和所述H桥逆变电路的数量是一致的。

具体的，每个光伏电池板均连接一个升压拓扑。每个升压拓扑连接一个母线电容C₁。每个母线电容C₁后面连接一个H桥逆变电路，母线电容C₁也可称为直流电容。每个H桥逆变电路连接多绕组变压器的一个原边绕组。多绕组变压器的副边绕组连接背靠背H桥逆变电路。背靠背H桥逆变电路可用于与单相电网进行并网。也就是说，每个光伏电池板通过相应升压拓扑连接到相应母线电容C₁，该母线电容C₁通过H桥逆变电路(也可称为全桥逆变电路)连接到多绕组变压器的一个原边绕组。即，每一个原边绕组对应一个需要单独控制的光伏电池板。副边绕组通过背靠背H桥逆变电路与单相电网相连并网。在本发明的一些其他的实施例中，背靠背H桥逆变电路也可通过电感与单相电网相连以进行并网。背靠背H桥逆变电路具体为：第一H桥逆变电路的两个输入端分别连接副边绕组的两端，其两个输出端通过直流母线电容C₂和第二H桥逆变电路的输入端接通。多个升压拓扑、多个母线电容C₁、多个H桥逆变电路、多绕组变压器和背靠背H桥逆变电路组成的系统也可称为微型逆变器。每个母线电容C₁后面连接一个H桥逆变电路，每个H桥逆变电路连接多绕组变压器的一个原边绕组组成的整个电路也可称为磁耦合系统。

具体地，每个升压拓扑用于把相应的光伏电池板输出的电压提升到合适的输出电压值和实现单个光伏电池板的最大功率跟踪，其包括电感L₁、开关器件S₁和二极管D₁；电感L₁的第一端连接至光伏电池板的一输出端，电感L₂的第二端分别连接至开关器件S₁的一端、二极管D₁的正极；二极管D₁的负极连接至母线电容C₁的一个输入端和H桥逆变电路的一个输入端；开关器件S₁的另一个端分别连接至光伏电池板的另一输出端、母线电容C₁的另一输入端和H桥逆变电路的另一输入端。开关器件S₁的控制端连接至光伏微逆发电系统中控制单元中相应的驱动电路。工作时，当开关器件S₁闭合时光伏电池板向电感充电，当开关器件打开时光伏电池板与电感L₁串联通过二极管D₁向母线电容C₁充电来实现升压过程。

每个H桥逆变电路均包括四个开关器件，如图中所示的S₂至S₁₃。在本发明实施例中，每个开关器件是根据每个基本单元输出电压等级的不同，选择相应等级的功率半导体开关器件，例如可选择IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)等。

如图2所示，基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统中的多绕组变压器的每个原边绕组均连接一H桥逆变电路，选择多绕组变压器的副边为相位参考点，则相角与副边相差较大的H桥逆变电路向副边输出较大的功率。多绕组变压器可为多原边单副边中、高频变压器，其上的原边绕组个数为N，分别连接N个H桥逆变电路。例如，每个H桥逆变电路的交流输出侧输出的高频电流通过滤波电感后与多绕组变压器的绕组相连。各个H桥逆变电路的输出电压分别用U₁至U_N表示，均为高频的方波。可通过改变各H桥逆变电路的输出电压，改变各滤波电感上的电流，从而改变每个H桥逆变电路的输出功率。

基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统还包括控制单元，控制单元可与微型逆变器之间进行信息交互，以维持母线电容的电压平衡和直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并且控制微型逆变器输出工频交流电，以实现并网。

并网系统进一步包括电压电流检测单元和电压传感器。电压电流检测单元连接每个光伏电池板的输出端，以将计算所得的功率值传送给控制单元从而进行最大功率点跟踪。电压传感器连接母线电容C₁两端，以把母线电容两端的电压信号检测出来并传送给控制单元，从而使控制单元调节相应的H桥逆变电路输出的方波的相位差，以实现功率流动。在本发明的一些实施例中，电压传感器也连接直流母线电容C₂两端，以把直流母线电容两端的电压信号检测出来并传送给控制单元。

如图3所示，控制单元可包括数字信号微处理器、模数采集模块、开关量采集模块、开关量输出模块、脉宽调制输出模块、脉宽调制扩展模块、多个驱动电路和人机通信接口。控制单元也可采用微型电脑。微型电脑包括控制单元的所有模块。

数字信号微处理器采用的是高性能DSP(digital signal processor，数字信号处理器)芯片，例如可采用TI公司生产的型号为TMS320F2812的DSP芯片，其内预置有电压平衡模块和脉宽调制生成模块，数字信号微处理器通过串行的人机通信接口完成键盘显示、PC机通信和监控的功能。

模数采集模块为模数转换电路，配置成接收并将电压电流检测单元和电压传感器检测到的电流、电压信号通过调理电路调理后的信号转化为数字信号，并输送给数字信号微处理器。

开关量采集模块配置成采集每个开关器件的故障信号；主要用于采集相应的开关器件内是否有过流、过热等故障。在开关器件内存在过流、过热等故障时，开关量采集模块将故障信号发送给数字信号微处理器，使数字信号微处理器及时发出保护指令，以采取保护措施；当开关器件不存在有过流、过热等故障时，开关量采集模块不工作。开关量输出模块为I/O接口，接收数字信号微处理器输出的开关量控制信号和保护指令，辅助脉宽调制扩展模块进行信号扩展。

数字信号微处理器内预置的电压平衡模块对输入的数字信号、进行计算，得出母线电容两端两端的电压(或电压信号)与正常值之间的偏差，之后脉宽调制生成模块根据该偏差发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号，并发送脉宽调制控制脉冲信号至脉宽调制输出模块及辅助控制信号至开关量输出模块。同时数字信号微处理器对输入的故障信号进行判断，发出相应的保护指令，例如可发送停机或者降低功率运行等指令，输送给开关量输出模块，通过继电器来控制相应开关器件的开闭。

脉宽调制输出模块配置成将脉宽调制控制脉冲信号输送给脉宽调制扩展模块，该脉宽调制扩展模块为现场可编程门阵列器件(FPGA，Field Programmable Gate Array)或复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex Programmable Logic Device)，每个驱动电路配置成按照脉宽调制扩展模块的输出发出脉冲电压以驱动系统中相应的开关器件导通或关断，从而使多个母线电容的电压平衡和使直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并使背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种基于多绕组高频磁耦合系统的光伏微逆发电系统，包括并网系统、多个光伏电池板和一控制单元，其中

所述并网系统包括多个升压拓扑、多个母线电容、多个H桥逆变电路和一个多绕组变压器以及一个背靠背H桥逆变电路；所述光伏电池板的数量、所述升压拓扑的数量、所述母线电容的数量和所述H桥逆变电路的数量是一致的；

每个所述光伏电池板通过一个所述升压拓扑连接到一个所述母线电容；每个所述母线电容通过一个所述H桥逆变电路连接到所述多绕组变压器的一个原边绕组；所述多绕组变压器的副边绕组连接所述背靠背H桥逆变电路；

所述背靠背H桥逆变电路配置成其输出端与单相电网相连以进行并网，其包括与所述副边绕组连接的第一H桥逆变电路、与所述单相电网相连的第二H桥逆变电路和连接所述第一H桥逆变电路与所述第二H桥逆变电路的直流母线电容；

所述控制单元配置成与所述并网系统之间进行信息交互，以使多个所述母线电容的电压平衡和使所述直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并控制所述背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电；

所述并网系统进一步包括电压电流检测单元，其连接每个所述光伏电池板的输出端，以将计算所得的功率值传送给所述控制单元从而进行最大功率点跟踪。

2.根据权利要求1所述的光伏微逆发电系统，其中

所述第二H桥逆变电路通过电感接入所述单相电网。

3.根据权利要求1所述的光伏微逆发电系统，其中

所述多绕组变压器为多原边单副边中、高频变压器。

4.根据权利要求1所述的光伏微逆发电系统，其中

所述并网系统进一步包括电压传感器，其连接所述母线电容两端，以把所述母线电容两端的电压信号检测出来并传送给所述控制单元，从而使所述控制单元调节相应的所述H桥逆变电路输出的方波的相位差，以实现功率流动。

5.根据权利要求4所述的光伏微逆发电系统，其中

每个所述H桥逆变电路中均具有四个开关器件。

6.根据权利要求5所述的光伏微逆发电系统，其中

所述控制单元包括：

模数采集模块，配置成接收所述电压电流检测单元和所述电压传感器输送的信号，并将其转化为数字信号；

开关量采集模块，配置成采集每个所述开关器件的故障信号；

数字信号微处理器，其包括电压平衡模块和脉宽调制生成模块；所述电压平衡模块配置成接收所述模数采集模块传送的数字信号并计算，以得出所述母线电容两端的电压与正常值之间的偏差；所述脉宽调制生成模块配置成根据所述偏差发出一脉宽调制控制脉冲信号和一辅助控制信号；所述数字信号微处理器还用于接收所述开关量采集模块传送的故障信号，以发出保护指令；

开关量输出模块，配置成接收所述数字信号微处理器传送的所述辅助控制信号和所述保护指令；

脉宽调制输出模块，配置成将所述脉宽调制控制脉冲信号输送给脉宽调制扩展模块；和

所述脉宽调制扩展模块，配置成接收所述脉宽调制控制脉冲信号并对其进行再次扩展；以及

多个驱动电路，每一个所述驱动电路配置成按照所述脉宽调制扩展模块的输出发出脉冲电压，以驱动所述并网系统中相应的开关器件的导通或关断，从而使多个所述母线电容的电压平衡和使所述直流母线电容的电压平衡以及使电网侧输入功率因数为1，并使所述背靠背H桥逆变电路输出工频的交流电。