CN103929079A - 具备光伏侧解耦电路的微逆变器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备光伏侧解耦电路的微逆变器及其工作方法，功率解耦电路连接在光伏器件太阳能电池板和变压器之间，逆变电路经变压器连接功率解耦电路；功率解耦电路由功率器件、，储能电感，二极管、、及电容、、构成，逆变电路由功率器件、，二极管、，电容，电感和负载组成，功率解耦电路使得直流母线的工作电压远远高于光伏器件的输出电压，可显著提升储能电容的工作电压，减小系统解耦电容容量，从而可采用长寿的薄膜电容取代电解电容，不仅延长了微逆变器的使用寿命，而且有效减小了逆变器的体积；功率解耦电路与反激式变换器相结合控制，实现了光伏并网发电。

Description

具备光伏侧解耦电路的微逆变器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种应用于单相并网光伏发电系统的微逆变器拓扑及控制策略，属于并网逆变器和进网电流的控制方法。

背景技术

在偏远无电地区具有人口分散、常规能源资源缺乏的特点，采用现有供电方式不仅耗资巨大，而且电网末端电能质量较差。采用可再生能源技术是解决这些地区人口供电的有效手段，其中光伏微逆变器发电系统具有投资小、安装成本低、维护简易等优点，十分适合上述地区的供电。

光伏微逆变器发电系统运行过程中要求光伏器件提供的功率恒定，逆变器输出的瞬时功率按正弦功率变化，为此系统必须采用诸如电解电容等储能器件实现系统功率解耦。逆变器解耦电容容量与电容工作电压                                                、要求的纹波电压、逆变器功率以及电网频率有关，如公式(1)所示：

                                         (1)

因微逆变器的光伏器件输出电压较低，需要大容量的电解电容才能满足功率平衡，然而这不仅增加了设备的体积，而且会大幅度降低微逆变器的的使用寿命，进而导致微逆变器维修成本增加，不利于其推广、使用。

从该公式(1)还可以看出，提高电容工作电压可以降低解耦电容容量，从而为微逆变器采用长寿命的薄膜电容进行功率解耦提供了理论指导。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微逆变器的体积大，使用寿命短等问题而提供一种长寿命、高功率密度具备光伏侧解耦电路的微逆变器，本发明同时还提供该微逆变器的工作方法，实现光伏并网发电。

 为实现上述目的，本发明具备光伏侧解耦电路的微逆变器采用的技术方案是：由功率解耦电路、变压器、逆变电路组成，功率解耦电路连接在光伏器件太阳能电池板和变压器之间，逆变电路经变压器连接功率解耦电路；功率解耦电路由功率器件、，储能电感，二极管、、 及电容、、构成，电容的正端与太阳能电池板的正极连接，电容的负端与太阳能电池板的负极和功率器件的源极连接，电感的一端与太阳能电池板的正极和二极管的阳极及电容的负端连接，另一端接功率器件的漏极、功率器件的源极以及中间电容的负端，二极管的阴极和二极管的阳极相连，二极管的阴极与二极管的阳极和电容的正极连接，二极管的阴极与变压器的原边励磁电感的同名端相连，原边励磁电感的异名端与功率器件的漏极连接。

本发明具备光伏侧解耦电路的微逆变器的工作方法采用的技术方案是：在时间段: 时刻电感电流为零，功率器件导通，太阳能电池板开始向电感充电，其电流线性上升，同时太阳能电池板还通过二极管向电容充电，直至其电压等于，太阳能电池板经电容、二极管、功率器件、向变压器的励磁电感供电；

在时间段：时刻功率器件断开，励磁电感中存储的能量开始向变压器二次侧传递。太阳能电池板继续给电感充电，到功率器件关断时电感的工作电流达到峰值；                                       

在时间段：功率器件断开后太阳能电池板停止向电感提供能量，电感与电容串联，经二极管向电容充电至电压增加至电感。  

   本发明采用上述技术方案后，具有以下优点：

1、本发明具有的功率解耦电路位于光伏器件与变压器之间，使得直流母线的工作电压远远高于光伏器件的输出电压，可显著提升储能电容的工作电压，减小系统解耦电容容量，从而可采用长寿的薄膜电容取代电解电容，不仅延长了微逆变器的使用寿命，而且有效减小了逆变器的体积。

2、本发明中的功率解耦电路与反激式变换器相结合控制，实现了光伏并网发电。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明具备光伏侧解耦电路的微逆变器的拓扑结构图；

图2是图1中功率器件、的时序图以及电感、原边励磁电感的电流波形图；

图3～图7是本发明具备光伏侧解耦电路的微逆变器的工作状态图；

图8是本发明具备光伏侧解耦电路的微逆变器的控制原理框图。

具体实施方式

参见图1，本发明由功率解耦电路A、变压器、逆变电路B组成，功率解耦电路A连接在光伏器件太阳能电池板PV和变压器之间，逆变电路B经变压器连接功率解耦电路A。变压器是高频变压器，由原边励磁电感及匝比相同的副边电感、串联构成。

功率解耦电路A由功率器件、，储能电感，二极管、、 以及电容、、构成。电容的正端与太阳能电池板PV的正极连接，电容的负端与太阳能电池板PV的负极和功率器件的源极连接，电感的一端与太阳能电池板PV的正极和二极管的阳极及电容的负端连接，另一端接功率器件的漏极、功率器件的源极以及中间电容的负端，二极管的阴极和二极管的阳极相连，二极管的阴极与二极管的阳极和电容的正极连接，二极管的阴极与变压器的原边励磁电感的同名端相连，原边励磁电感的异名端与功率器件的漏极连接。功率解耦电路A使得直流工作电压远远高于光伏器件的输出电压，从而可以使用长寿的薄膜电容取代电解电容。

逆变电路B由功率器件、，二极管、，电容，电感和负载组成。其中，功率器件的源极连接副边电感的一端，功率器件的漏极接二极管的阴极，二极管的阳极接中间电容的正极和二极管的阴极，电感的一端接二极管的阴极，功率器件的源极接二极管的阳极，功率器件的漏极连接变压器的副边电感的一端，电感的另一端接于负载的正端，负载的负端接中间电容的负端。

功率器件、的开关频率相同，同时开启。功率器件、根据电网相位形成两路互补的开关信号。

本发明中功率器件的占空比由MPPT(最大功率点跟踪)算法给出，为了避免光伏器件太阳能电池板PV工作受到后级逆变电路B的影响，设计电感工作在电流断续状态。功率器件以SPWM(脉宽正弦调制)方式工作，控制原边励磁电感峰值电流按正弦规律变化。当功率器件关断时，原边励磁电感释放能量给后级逆变电路B。当电网电压大于零时，功率器件导通，逆变器向电网注入正向电流；当电网电压小于零时，功率器件导通，逆变器向电网注入负向电流。

参见图2，为了简化系统工作原理分析过程，假设图1中各元件均为理想元件，同时图1电路处于稳定工作状态，在一个开关周期内光伏器件的电压、电容电压稳定，具体工作过程如下：

在时间段: 时刻电感电流为零，随着功率器件导通，太阳能电池板PV开始向电感充电，其电流线性上升。同时，太阳能电池板PV还通过二极管向电容充电，直至其电压等于(光伏器件的输出电压)；此外，太阳能电池板PV与电容串联，经二极管、功率器件、向变压器的励磁电感供电。由于电容电压远高于（分析见下文），负载所需能量大部分由其提供，故电容在该过程释放的能量可忽略不计，保证了光伏器件工作不受逆变影响。具体工作过程见图3。

在 时间段：时刻功率器件断开，如图4所示。励磁电感中存储的能量开始向变压器二次侧传递。光伏器件继续给充电，到功率器件关断时电感的工作电流达到峰值：

                                (2)

其中为功率器件占空比，为开关周期。该式也适用于上一个阶段，它表明在稳态时控制功率器件占空比不变即可满足光伏器件输出功率稳定的要求。                                              

在时间段：如图5所示，功率器件断开后光伏器件停止向电感提供能量。电感与电容串联，经二极管向电容充电。该过程电容不断吸收释放的能量，导致其电压增加直至电感放电结束。电容两端的电压满足公式：

                     (3)

其中为电感两端的电压，为电容两端的电压，为光伏器件的输出电压，为电感的峰值电流，为电感向电容充电过程中的电流，为电感电流从下降到零的时间。上式表明，电容电压与电感放电时间近似成反比。根据KVL(基尔霍夫电压定律)方程可得：

                                   (4)

其中为电感向电容充电电流，为充电时间。

以电容的电压为未知量，改写公式(4)，可得其微分方程：                   

                                  (5)

其特征方程为，解出其特征根为： 

                                        (6)

其中为虚数单位。

假设，其中是电容电压的振幅，是振荡角频率，是初相，则                   

                                        (7)

对求导可得：

                           (8)

其中为电感向电容充电过程中经过电容上的电流。

为简化分析，设、大小相等，则公式(7)为：

                                                (9)

根据初始条件可求得：                                                                                                                             

                                           (10)

由公式(8)可知：当时，有存在，将其改写为： 

                               (11)

上式表明，电感能量全部释放所需时间与功率器件导通时间()、 、以及有关。由公式(10)可得，则上式可进一步简化为：

                                                     (12)

由公式(3)可知放电时间越小，电容工作电压越高，有助于减小其容量。而上式表明，仅与电感、电容值有关，据此在电路设计过程中可根据所需解耦电容容量合理选择、。

在时间段：电感停止向电容充电，励磁电感向变压器副边传递能量。

在上述工作过程中，从时刻开始励磁电感中能量向变压器副边传递，副边侧、工作在互补状态。当导通时，逆变器输出正半周电流，如图6所示；导通时，逆变器输出负半周电流，如图7所示。该过程直至能量全部释放。

本发明采用电流控制策略实现逆变器的并网发电。如图8所示，其中、(光伏器件的输出电流)由相应检测器件获得，滤波后送至最大功率点跟踪控制器输出的控制信号。为逆变器输出电流参考值，它根据光伏器件输出功率、电网电压有效值及频率(由锁相环PLL得到)计算得到，如式(13)所示。该电流折算后作为控制参考信号，其与励磁电流的差值和三角载波比较后生成占空比按正弦规律变化的控制信号，其中为变压器匝比。

                                         (13)

电网电压经过零比较器产生两路以工频变化的互补开关信号控制、，当电网电压大于零时导通、关断，反之闭合，导通。

Claims (6)

1.一种具备光伏侧解耦电路的微逆变器，由功率解耦电路、变压器、逆变电路组成，其特征是：

功率解耦电路连接在光伏器件太阳能电池板和变压器之间，逆变电路经变压器连接功率解耦电路；功率解耦电路由功率器件                                                、，储能电感，二极管、、 及电容、、构成，电容的正端与太阳能电池板的正极连接，电容的负端与太阳能电池板的负极和功率器件的源极连接，电感的一端与太阳能电池板的正极和二极管的阳极及电容的负端连接，另一端接功率器件的漏极、功率器件的源极以及中间电容的负端，二极管的阴极和二极管的阳极相连，二极管的阴极与二极管的阳极和电容的正极连接，二极管的阴极与变压器的原边励磁电感的同名端相连，原边励磁电感的异名端与功率器件的漏极连接。

2.根据权利要求1所述具备光伏侧解耦电路的微逆变器，其特征是：逆变电路由功率器件、，二极管、，电容，电感和负载组成，功率器件的源极连接副边电感的一端，功率器件的漏极接二极管的阴极，二极管的阳极接中间电容的正极和二极管的阴极，电感的一端接二极管的阴极，功率器件的源极接二极管的阳极，功率器件的漏极连接变压器的副边电感的一端，电感的另一端接于负载的正端，负载的负端接中间电容的负端。

3.根据权利要求1所述具备光伏侧解耦电路的微逆变器，其特征是：功率器件、的开关频率相同，同时开启。

4.根据权利要求2所述具备光伏侧解耦电路的微逆变器，其特征是：功率器件、根据电网相位形成两路互补的开关信号。

5.一种如权利要求1所述具备光伏侧解耦电路的微逆变器的工作方法，其特征是：

在时间段: 时刻电感电流为零，功率器件导通，太阳能电池板开始向电感充电，其电流线性上升，同时太阳能电池板还通过二极管向电容充电，直至其电压等于，太阳能电池板经电容、二极管、功率器件、向变压器的励磁电感供电；

在时间段：时刻功率器件断开，励磁电感中存储的能量开始向变压器二次侧传递，太阳能电池板继续给电感充电，到功率器件关断时电感的工作电流达到峰值；                                       

在时间段：功率器件断开后太阳能电池板停止向电感提供能量，电感与电容串联，经二极管向电容充电至电压增加至电感。

6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征是：电网电压产生两路以工频变化的互补开关信号控制逆变电路的功率器件、，当电网电压大于零时功率器件导通、功率器件关断，反之功率器件闭合，功率器件导通。