CN103997246A - 基于高频桥臂的双向光伏逆变器 - Google Patents

基于高频桥臂的双向光伏逆变器 Download PDF

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刘闯
蔡国伟
王一旭
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Abstract

本发明一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特点是，它包括至少一个正向高频N-cell桥臂、至少一个反向高频N-cell桥臂和两个工频P-cell桥臂并联，每个正向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源正极输出端，每个反向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源负极输出端，电流正半波工作的电感互为耦合电感，电流负半波工作的电感互为耦合电感。每个正、反向高频N-cell桥臂均由二极管和高频开关串联组成。所述的工频P-cell桥臂由二极管和工频开关串联组成。可任意在光伏模式和储能模式间切换，其体积小，能够避免直通问题和有效的抑制电流泄露，提高系统频率，实现功率双向控制，且易扩大容量。

Description

基于高频桥臂的双向光伏逆变器
技术领域
本发明涉及光伏发电逆变技术，是一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器。
背景技术
随着世界能源短缺问题的日益严重，能源问题已经成为二十一世纪人类面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近年来，光伏发电技术得到了持续的发展，光伏并网发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。而无变压器式光伏逆变器以它的体积小、重量轻、效率高越来越受到全世界的追捧，出现了很多无变压器式逆变器结构。
如图1所示，现有的典型桥臂结构为电力电子电路基本结构单元P-cell桥臂和N-cell桥臂，这两种桥臂均由一个全控开关和不控开关构成，电流方向流出为P-cell桥臂，方向流入为N-cell桥臂。目前利用的较多的无变压器式逆变器拓扑结构有传统H桥、德国SMA公司提出的H5结构、德国SUNWAYS公司提出的HERIC结构等。现有的这些结构存在的问题：1、直通问题，需要设置死区时间，降低了系统效率；2、电流波纹较大，所需电感的电感值和体积都较大；3、不能完全使用高频开关，系统频率得不到提高；4、电路不能实现功率双向控制；5、电路不能简单的扩大容量；6、电路不能很好的工作在DCM状态。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种基于高频桥臂和逆变器拓扑结构为一体的双向光伏逆变器，其体积小，能够避免直通问题和有效的抑制电流泄露，提高系统频率，实现功率双向控制，且易扩大容量。 
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，它包括至少一个正向高频N-cell桥臂、至少一个反向高频N-cell桥臂和两个工频P-cell桥臂并联，每个正向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源正极输出端，每个反向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源负极输出端。
所述的每个正向高频N-cell桥臂和每个反向高频N-cell桥臂均由二极管和可控开关串联组成。
所述的可控开关为金属氧化物半导体场效应管。
所述的工频P-cell桥臂由二极管和工频开关串联组成。
所述的工频开关为绝缘栅双极型晶体管。
本发明的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，由于采用P-Cell和N-Cell基本结构单元构成，各个高频开关采取移相调制，达到减小电流波纹、减小电感体积、减小开关损耗，提高系统效率，同时还可以扩大容量；逆变器有两种工作模式，分别是光伏模式，即逆变模式和储能模式，即整流模式，工频P-cell桥臂的工频开关控制逆变电路工作在电压正半波还是电压负半波；高频N-cell桥臂的高频开关为两两交错调制，可以减小总电流波纹大小。其体积小，能够避免直通问题和有效的抑制电流泄露，提高系统频率，实现功率双向控制，且易扩大容量，同时电路还能很好的工作在DCM状态。
附图说明
图1为现有技术的单元P-cell桥臂和N-cell桥臂结构示意图；
图2为本发明的P-Cell桥臂和高频N-Cell桥臂结构示意图；
图3为本发明的双向光伏逆变器拓扑结构示意图；
图4为图3中光伏模式下第一种工作状态拓扑结构示意图；
图5为图3中光伏模式下第二种工作状态拓扑结构示意图；
图6为图3中光伏模式下第三种工作状态拓扑结构示意图；
图7为图3中光伏模式下第四种工作状态拓扑结构示意图；
图8为图3中储能模式下第一种工作状态拓扑结构示意图；
图9为图3中储能模式下第二种工作状态拓扑结构示意图；
图10为图3中储能模式下第三种工作状态拓扑结构示意图；
图11为图3中储能模式下第四种工作状态拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的基于高频桥臂的双向光伏逆变器包括至少一个正向高频N-cell桥臂、至少一个反向高频N-cell桥臂和两个工频P-cell桥臂并联，每个正向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源正极输出端，每个反向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源负极输出端。每个正向高频N-cell桥臂和每个反向高频N-cell桥臂均由二极管和可控开关串联组成。可控开关采用高频快速性能好的全控开关，如金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等，可避免反并联体二极管导通。工频P-cell桥臂由二极管和工频开关串联组成。工频开关采用无并联反向二极管的普通全控开关，如无反向二极管的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
参照图2和图3，工频P-cell桥臂和高频N-cell桥臂，同方向各个桥臂上的电感采用耦合电感技术进行集中设计。高频N-cell桥臂采用了高频快速性能好的全控开关，每个开关采用载波移相技术调制，错开360°/n（n为桥臂数量）角度导通，这样可以减小开关损耗，降低电流波纹，提高系统频率，大幅度提高了效率，高频N-cell桥臂可以通过不断增加基本桥臂的方式来不断扩大系统容量，使系统带有扩容功能。除此之外，采用高频N-cell桥臂能使电路工作在DCM状态，又能大幅度降低开关损耗，而由于高频N-cell桥臂错开导通，总电流仍然是连续的，大大提高了系统效率。
参照图3，本发明的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器为新型双向光伏逆变器拓扑结构，应用了高频桥臂可以很好地实现高频桥臂的功能。同时该逆变器结构具有双向功能，既可以工作在PV模式，即光伏模式，具有逆变功能，也可以工作在储能模式，具有整流功能。逆变器结构由两个高频P-cell桥臂和若干个高频N-cell桥臂并联而成。如图3，结构左侧为直流侧，连接光伏电池板和MPPT模块，右侧为交流侧，与大电网连接。P-cell桥臂全控开关采用无并联反向二极管的普通全控开关，如无反向二极管的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，主要控制电路工作在正半波还是负半波，当Spf导通Snf关断时，电路工作在PV模式下的正半波，反之则工作在PV模式下的负半波。当Spf和Snf都不工作时，电流流经二极管，此时电路工作在储能模式。电路中的N-cell桥臂是高频桥臂，采用高频快速性能好的全控开关，如金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等，可避免反并联体二极管导通， Spf导通时，Sp1，Sp2……Spn交错导通，共同工作在电流正半波，Snf导通时，Sn1，Sn2……Snn交错导通，共同工作在电流负半波。N-cell桥臂中的二极管的作用是续流，当MOSFET关断时给电感充放电提供通道。高频开关采用的是PWM调制和载波移相调制技术，导通错开角为360°/n，其中：n为桥臂数量，加上耦合电感的作用，可以输出完美的正弦波。
参照图3中的分解图4-图7，是以四个N-cell桥臂表示了本发明工作在PV模式下的四种状态。本领域技术人员根据分解图4-图7就能够明显的熟知在PV模式下的四种工作状态。
参照图3中的分解图8-图11，是以四个N-cell桥臂表示了本发明工作在储能模式下的四种状态。本领域技术人员根据分解图8-图11就能够明显的熟知在储能模式下的四种工作状态。

Claims (5)

1.一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，它包括至少一个正向高频N-cell桥臂、至少一个反向高频N-cell桥臂和两个工频P-cell桥臂并联，每个正向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源正极输出端，每个反向高频N-cell桥臂均连接一个电感作为电源负极输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，所述的每个正向高频N-cell桥臂和每个反向高频N-cell桥臂均由二极管和可控开关串联组成。
3.根据权利要求2所述的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，所述的可控开关为金属氧化物半导体场效应管。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，所述的工频P-cell桥臂由二极管和普通可控开关串联组成。
5.根据权利要求4所述的一种基于高频桥臂的双向光伏逆变器，其特征是，所述的普通可控开关为绝缘栅双极型晶体管。
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