CN104682750A - 一款高效率高可靠性光伏并网微型逆变电源 - Google Patents

Abstract

一款高效率高可靠性光伏并网逆变电源，采用两相互补电流方法进行电流控制，通过检测基准电压控制信号Vsw1和Vsw2来控制开关器件M5和M6的导通和关断，再通过利用M3、M4和Lb构成的同步整流开关降压方式把第二相输出电流Iout2和第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。本发明不需要使用电解电容，光伏电池板两端输出电压或工作电压在相对稳定的外部环境下如光照稳定的情况下也是稳定的，保证了MPPT的实现和电池板输出功率最大化，同时可实现高可靠性和高转换效率。

Description

一款高效率高可靠性光伏并网微型逆变电源

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电，尤其是实现光伏发电成功并入电网，并具有较高电能质量，具体地说是一款高效率和高可靠性光伏并网微型逆变电源。

背景技术

目前，全球传统能源日益减少，新能源的开发和利用迫在眉睫，太阳能作为清洁的可再生能源，成为人们关注的焦点。其中太阳能光伏发电是目前最主要的研究方向，然而太阳能电池本身的低转换效率是制约光伏发电目前不能普及的主要因素之一。光伏并网逆变电源的研发作为太阳能光伏发电系统的重要一环，近年来受到了广泛的重视，如何提高光伏并网逆变电源的转换效率和可靠性成为研究的关键。其中，光伏并网微型逆变电源十分适合中小型太阳能发电系统，能够推动基于建筑屋顶、墙体和电线干等空间太阳能发电的广泛普及。但是，光伏并网微型逆变器的研发还存在同时提高转换效率和改进可靠性相互矛盾等关键技术问题，本发明的目的就是要解决这一技术难题。

追踪光伏电池最大输出功率工作点，有利于大幅度提高光伏发电系统的整体效率，但是最大输出功率工作点却随光照等环境因素的变化而变化。为实现最大输出功率点跟踪(MPPT)和输出功率最大化，电池板两端的电压需要相对恒定，这样一来，电池板的负载电流也就是逆变器的输入电流需要达到相对恒定。众所周知，高效率的单级逆变电源输出到电网的电流需要和电网电压同频同相，即逆变电源的输出功率是正弦波变化的。假设逆变电源转换过程的能量损耗可以忽略，光伏电池的输出功率应和逆变电源输出功率相等。也就是说光伏电池的输出电压是正弦波动变化的，也就是逆变电源的输入电压是正弦变化的，MPPT也就不能轻易实现。为了解决这一矛盾，最简单的办法是在电池板的两端并联一个大容值电容Cin，如图1所示。为易于实现MPPT，所需要并接的电容值C由下式给出：

$C=\frac{P_{\mathrm{dc}}}{2\mathrm{\πf}{U}_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δu}}$

其中，Pdc是光伏电池板最大输出功率，Udc是电容上的平均电压，f是交流电网频率，Δu是最大能容许的电压波动峰～峰值。对于一个典型的200瓦输出功率光伏模块，Udc＝35V，假设Δu＝2V，那么，为了获得光伏电池98％的利用率，最小的电容值是7.6mF。对于如此大的电容值，通常只有用电解电容来实现。然而，电解电容也有其不可抗拒的弊端。通常，电解电容在105℃工作环境最长只有7000小时的寿命，在75℃时寿命则是16000小时。长时间暴露在日照环境下工作的电池板和微型逆变器(AC模块)，以及逆变器工作时自身产生的热量，其环境温度达到75℃是正常的。如果按光伏系统每天工作8小时计算，电解电容在75℃环境工作的寿命小于6年，这个时间远不能与光伏电池本身20年以上的寿命相匹配。对于逆变器产品的可靠性评估是基于第一次失效平均时间(MTFF)和失效之间的平均时间(MTBF)，故逆变器产品的可靠性评估显然达不到理想状态。目前，实际应用于AC模块的微型逆变器产品寿命在5～10年，即MTFF是5年，MTBF是10年。相对于电解电容，应用长寿命的薄膜电容来替换电解电容应该是延长逆变器使用寿命的有效途径。因为，薄膜电池在同样工作温度下具有80000小时的寿命。按每天工作8小时计算，其寿命可达27年。然而，问题并不是这么简单。因为，薄膜电容的单位容值较低，从成本和体积等方面来说，对于mF级的电容用薄膜电容几乎是不现实的。

发明内容

一款高效率高可靠性光伏并网逆变电源，将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量，检测基准电压控制信号Vsw1和Vsw2，控制高频开关M5和M6的导通与关断，仅采用Buck拓扑结构实现向电网传输能量，具体包括以下步骤：

(a)、光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，将光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示：

I1＝I0*|sin(2πft)|

I2＝I0*[1-|sin(2πft)|]

其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f，电池板的总负载电流是I1+I2，计算公式为：

I1+I2＝I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]＝I0；

(b)、在光伏电池板的输出端并联一个较小容值的薄膜电容，在一个周期T内对I1进行积分，得到公式：

I1*T＝2I0*T/π＝0.637I0*T

即第一相传输电流I1占总传输电流的63.7％，I2占36.3％，I2只有I1的57％。(c)、在一个周期T内从等量关系上把I2也以正弦函数表示，即：

I2＝(π/2-1)*I0|sin(2πft)|＝0.57I0|sin(2πft)|；

(c)、I1的控制信号基准电压Vsw1是根据电网交流电压而得到的，是电网频率的2倍，且在电网的正负半周期内，和电网电压同相位，I2的控制信号基准电压是和Vsw1互补的，即：

Vsw1＝Vm*|sin(2πft)|

Vsw2＝Vm*[1-|sin(2πft)|]

其中Vm是电网峰值电压缩小若干倍的取值，f是电网频率；

由于I1和电网电压同相且呈现正弦半波波形，逆变器第一相输出电流Iout1通过和电网频率相同的开关控制直接输送到电网，正负半周各用2个开关；

(d)、第二相输出电流Iout2存储在小容值的电容Clink上，再通过检测和比较基准电压控制信号Vsw1和Vsw2，控制开关器件M5和M6的导通与关断，利用开关器件M3和M4以及电感Lb1构成的同步整流Buck电路仅以降压方式来与第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。根据(6)和(8)式，把Clink上存储的电流变换成和Iout1同频同相的正弦半波电流，即从Clink的第二相输出电流转换高频SPWM开关控制基准电压是Vsb，计算公式为：

Vsb＝0.57Vsw1；

将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量。

有益效果：本发明通过对两相输出电流叠加后向电网传输能量，通过检测基准电压控制信号Vsw1和Vsw2，控制开关器件M5和M6的导通与关断，抬高Clink上的电压Vlink，使Vlink始终大于Vout。这样，仅采用BUCK降压方式即可实现把第二相的输出向第一相输出进行叠加，实现向电网传输能量。该方法不需要使用电解电容，输出端仅采用Buck拓扑结构，可同时实现高可靠性和高转换效率。

附图说明

图1为传统的单级转换微型逆变器拓扑结构原理图。

图2为本发明设计的高效率高可靠性光伏并网微型逆变器的拓扑结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，一种设光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，如果把光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小用下式表示：

I1＝I0*|sin(2πft)|

I2＝I0*[1-|sin(2πft)|]

其中，f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2永不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f。那么，电池板的总负载电流是I1+I2，计算公式为：

I1+I2＝I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]＝I0

这就是说光伏电池板的输出电流和其负载电流是相等的，保证了其工作电压恒定，和时间无关。因此，从理论上来说，光伏电池板两端即使不用并联电容，其输出电压或工作电压在相对稳定的外部环境下如光照稳定的情况下也是稳定的，这就保证了MPPT的易于实现和电池板输出功率最大化。而实际上由于I1和I2都是不连续的高频脉冲电流，光伏电池板的输出端还需要并联一个较小容值的薄膜电容。如果在一个周期T内对I1进行积分，就可得到公式：

I1*T＝2I0*T/π＝0.637I0*T

即第一相传输电流I1占总传输电流的63.7％，I2占36.3％，I2只有I1的57％。如果在一个周期T内从等量关系上把I2也以正弦函数表示，即

I2＝(π/2-1)*I0|sin(2πft)|＝0.57I0|sin(2πft)|

如果是图1所示的传统方法，电池板的负载是单相正弦电流I1＝Isin，且在一个周期内的平均值要等于I0。那么：

Isin＝1.57I0|sin(2πft)|

本发明中I1的控制信号基准电压Vsw1是根据电网交流电压而得到的，是电网频率的2倍，且在电网的正负半周期内，和电网电压同相位。而I2的控制信号基准电压是和Vsw1互补的，即：

Vsw1＝Vm*|sin(2πft)|

Vsw2＝Vm*[1-|sin(2πft)|]

其中Vm是电网峰值电压缩小若干倍的取值，f是电网频率。

在每一个周期内，Vsw1大，Vsw2就小；在任何时刻，Vsw1+Vsw2＝Vm恒定不变。由于I1和电网电压同频同相且呈正弦半波波形，那么逆变器第一相输出电流Iout1就可以通过和电网频率相同的开关控制直接输送到电网。但第二相则不能如此实现，其输出电流需要先存储在一个小容值的电容Clink上，通过检测基准电压控制信号Vsw1和Vsw2来控制开关器件M5和M6，再通过利用开关器件M3和M4以及电感Lb1构成的同步整流Buck电路仅以降压方式来与第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。具体实现方式为：当Vsw1＞Vsw2时，比较器输出低电平，开关器件M5关断，M6导通，即M6的控制信号和M5的控制信号刚好相反，此时第二相输出电压V2＝VClink+Vout；当Vsw1＜Vsw2时，比较器输出高电平，开关器件M5导通，M6关断，则第二相输出电压V2＝VClink，以此保证第二相输出电压V2始终大于第一相输出电压V1，也即Vout。这样，Cink上的能量仅通过Buck拓扑结构而非升降压的BUCK/BOOST结构便可与第一相输出电流Iout1进行叠加，实现对两相输出电流叠加后向电网传输能量。本发明设计的微型逆变电源不需要使用电解电容，输出端仅采用Buck拓扑结构，即可同时实现高可靠性和高转换效率，是一款高效率高可靠性光伏并网微型逆变电源。

Claims (1)

1.一款高效率高可靠性光伏并网微型逆变电源，将两相输出电流Iout1和Iout2叠加后向电网传输能量，其特征是它包括以下步骤：

(a)光伏电池板在最大输出功率点的输出电流是I0，将光伏电池板的负载电流设置为两相I1和I2，且其大小分别用下式表示：

I1＝I0,|sin(2πft)|

I2＝I0*[1-|sin(2πft)|]

其中f是电网频率，t是时间，绝对值表示I1和I2不小于零，把正弦波的负半周变为正半周，即I1和I2的频率是2f，电池板的总负载电流是I1+I2，计算公式为：

I1+I2＝I0*[|sin(2πft)|+1-|sin(2πft)|]＝I0；

(b)I1的控制信号基准电压Vsw1是根据电网交流电压而得到的，是电网频率的2倍，且在电网的正负半周期内，和电网电压同相位，I2的控制信号基准电压Vsw2是和Vsw1互补的：

Vsw1＝Vm*|sin(2πft)|

Vsw2＝Vm*[1-|sin(2πft)|]

其中Vm是电网峰值电压缩小50～200倍的取值，f是电网频率；在每一个周期内，Vsw1大，Vsw2就小，在任何时刻，Vsw1+Vsw2＝Vm恒定不变；

(c)由于I1和电网电压同相且呈现正弦半波波形，逆变器第一相输出电流Iout1通过和电网频率相同的开关控制直接输送到电网，正负半周各用2个开关；

(d)第二相输出电流Iout2存储在小容值的电容Clink上，再通过检测和比较基准电压控制信号Vsw1和Vsw2，控制开关器件M5和M6的导通与关断，利用开关器件M3和M4以及电感Lb1构成的同步整流Buck电路仅以降压方式来与第一相输出电流Iout1进行叠加，实现向电网传输能量。