CN104993787B - 一种任意波形输出的光伏优化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意波形输出的光伏优化器，包括至少一个优化器单元、汇流电路和极性转换电路，每个优化器单元均包括升压电路、参考波形发生电路和控制电路，本发明能够对单块太阳能面板进行最大功率点跟踪，可以根据需求波形的不同给定参考波形，从而得到最终的需求波形，相比于传统的优化器输出直流而言，本发明的优化器单元直接输出需求波形的倍频半波，再经过换向后得到需求波形，克服了传统优化器之后还需要接逆变器的缺点，降低了光伏系统成本，有效地解决了光伏组件存在的“电势诱导衰减”问题，减缓了光伏组件的老化速度，增加光伏系统的电能产出。

Description

一种任意波形输出的光伏优化器

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域，更具体地说，是涉及一种任意波形输出的光伏优化器，可应用于太阳能发电系统。

背景技术

在太阳能发电系统中，涉及电力电子技术领域的设备主要有：逆变器、光伏优化器。

其中，逆变器是将太阳能电池板产生的直流电能转换成交流正弦电能的装置。逆变器可细分为：集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器，集中式和组串式逆变器是将太阳能电池板串联起来再进行最大功率点跟踪，从而将太阳能电池板的电能逆变成交流电；微型逆变器是对每一块太阳能电池板进行最大功率点跟踪，直接将太阳能电池板的电能逆变成交流电。两者相比，微型逆变器在技术上更有优势：第一、由于它对每一块太阳能电池板进行最大功率点跟踪，因此微型逆变器发电量高；第二、系统中一块太阳能电池板出现故障时，不会影响其他电池板的正常运行；第三、微型逆变器中没有电势诱导衰减的(PID)问题。

光伏优化器汲取了微型逆变器的优点：对每一块太阳能电池板进行最大功率点跟踪，输出直流电给逆变器，再由逆变器逆变成交流电，有效地弥补了组串式逆变器的不足。但是，现有的逆变器结构复杂，制造成本较高，很难有大规模的应用，而光伏优化器需要连接逆变器，因此也额外地增加了光伏系统的成本，应用量也非常有限，并且不能实现任意波形的输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种任意波形输出的光伏优化器，其无需连接逆变器，降低了光伏系统的成本，并且能够根据需求波形的不同给定参考波形，从而得到最终的需求波形。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种任意波形输出的光伏优化器，包括至少一个优化器单元、汇流电路和极性转换电路，其中，每个优化器单元均包括升压电路、参考波形发生电路和控制电路，所述升压电路的输入端连接太阳能电池板，所述参考波形发生电路的输出端连接所述控制电路，所述参考波形发生电路根据需要输出的波形提供参考信号至所述控制电路，所述控制电路对输入到所述升压电路的电流取样，将参考信号的电流值与电流取样值进行比较，从而控制在一个时间段内输入到所述升压电路的能量，所述升压电路的输出端连接所述汇流电路，所述汇流电路的输出端连接所述极性转换电路，所述极性转换电路对通过所述汇流电路汇流后的电流进行正负极性转换，实现任意需求波形的输出。

作为优选的实施方式，所述升压电路工作于准谐振工作模式。

作为优选的实施方式，所述升压电路设置为具有控制开关的Boost电路或Flyback电路，所述控制电路控制所述控制开关的通断时间。

作为优选的实施方式，所述参考波形发生电路包括数字控制器、数模转换器和运算放大器，所述数字控制器、所述数模转换器和所述运算放大器依次连接，所述数字控制器产生的数字信号经过所述数模转换器和所述运算放大器后输出参考信号至所述控制电路。

作为优选的实施方式，所述参考信号是需求波形的倍频半波。

作为优选的实施方式，所述控制电路包括比较器、低有效原码使能输出的三态缓冲器和电压传感器，所述比较器的反相输入端连接位于太阳能电池板与所述升压电路之间的电流取样点，所述比较器的同相输入端连接所述参考波形发生电路的输出端，所述比较器的输出端连接所述三态缓冲器的输入端，所述三态缓冲器的输出端控制所述升压电路中的控制开关，所述三态缓冲器的使能端通过所述电压传感器与所述控制开关的输入端相连接，当所述控制开关断开时，所述电压传感器输出一个高电压使所述三态缓冲器的使能端为高电平，使所述控制开关保持断开状态，直到所述控制开关的电压下降，所述电压传感器输出一个低电压使所述三态缓冲器的使能端为低电平时，所述控制开关接通。

作为优选的实施方式，所述汇流电路包括母线排和至少一个用于防止不同优化器单元之间的逆流的第一防反二极管，所述母线排的正极和所述母线排的负极分别连接所述优化器单元，所述第一防反二极管连接在每个优化器单元的输出端与所述母线排的正极之间。

作为优选的实施方式，所述极性转换电路由换向桥组成，所述换向桥带有四个电子管或四个机械开关。

作为优选的实施方式，所述优化器单元还包括用于防止太阳能电池板的电压输入过高以及反向逆流的低压侧保护电路，所述低压侧保护电路连接在所述升压电路与太阳能电池板之间。较佳的，所述低压侧保护电路由第二防反二极管和稳压二极管组成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明可根据需求波形的不同给定参考波形，并且优化器单元可以经过汇流后，连接极性转换电路，实现极性转换，从而实现任意需求波形的输出，其波形包括但不限于正弦波形、三角波、锯齿波或梯形波。

2、本发明无需连接逆变器，降低了光伏系统的成本。

3、本发明可对单块太阳能电池板进行最大功率点跟踪，以实现光伏板的最大功率收割，但区别于传统的优化器与逆变器，既不输出恒定的直流，也不输出交流，而是输出需求波形的倍频半波。

4、本发明可以是电压控制型，也可以是电流控制型，可适用于恒电压场合，也可适用于恒功率场合。

5、本发明的优化器单元汇流的个数仅受导线的载流能力限制。

6、本发明是针对单块太阳能电池板进行优化跟踪，直流侧的输入电压只有20V-50V，可以有效解决太阳能电池板中存在的“电势诱导衰减(PID)”问题，有效地减缓太阳能电池板的老化速度，增加光伏系统的电能产出。

7、本发明可以通过数据通信监视每一块太阳能电池板的状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的一种任意波形输出的光伏优化器的电路图；

图2是本发明所述的Boost电路的电路图；

图3是本发明所述的Flyback电路的电路图；

图4是本发明所述的参考波形发生电路的电路图；

图5是本发明所述的控制电路的电路图；

图6是本发明所述的低压侧保护电路的电路图；

图7是本发明所述的汇流电路的电路图；

图8是本发明所述的极性转换电路的电路图；

图9是本发明所述的控制开关的工作波形图；

图10是本发明所述的参考波形发生电路产生的参考信号的一种波形图和优化器单元的一种输出波形图；

图11是经过极性转换电路后的一种最终输出波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种任意波形输出的光伏优化器，其包括至少一个优化器单元(1～n)、一汇流电路6和一极性转换电路7。其中，每个优化器单元均包括升压电路3、参考波形发生电路4和控制电路5，升压电路3的输入端连接太阳能电池板1，参考波形发生电路4的输出端连接控制电路5，参考波形发生电路4根据需要输出的波形提供参考信号至控制电路5，控制电路5对输入到升压电路3的电流取样，将参考信号的电流值与电流取样值进行比较，从而控制在一个时间段内输入到升压电路3的能量，升压电路3的输出电压的波形由参考波形发生电路4和控制电路5决定，升压电路3的输出端连接汇流电路6，汇流电路6的输出端连接极性转换电路7，极性转换电路7对通过汇流电路6汇流后的电流进行正负极性转换，实现任意需求波形的输出。

下面结合附图对本实施例的各个电路模块的原理进行详细说明。

太阳能电池板1的输出电压通常低于100V，要得到适用于功率电路的高电压，需由升压电路3进行转换。较佳的，该升压电路3可以选用具有控制开关的Boost电路或Flyback电路。

如图2所示，所述Boost电路包括第一电感31、第一开关34(即控制开关)、第一二极管32和第一电容33，第一电感31的一端连接太阳能电池板1的正极，第一电感31的另一端连接第一二极管32的正极和第一开关34的一端，第一二极管32的负极连接第一电容33的一端，第一电容33的另一端与第一开关34的另一端连接太阳能电池板1的负极，第一开关34由控制电路5控制通断。

如图3所示，所述Flyback电路包括变压器38、第二开关37(即控制开关)、第二二极管35和第二电容36，变压器38的初级侧的一端连接太阳能电池板1的正极，变压器38的初级侧的另一端通过第二开关37连接太阳能电池板1的负极，第二二极管35和第二电容36依次串联在变压器38的次级侧两端，第二开关37由控制电路5控制通断。

其中，采用Boost变换或者Flyback变换方式的原因在于：

当这两种变换方式的电路工作于“断续”工作模式时，在给定的参考波形下，输入端在任意时间段内的能量输入是可控的、可测量的，这也就决定了输出端在任意时间段内的输出能量也是间接可控的、间接可测量的。

当这两种变换方式的电路工作于“断续”工作模式时，第一开关34或第二开关37可通过特定的手段实现零电压开通功能(ZVS)，降低了电路损耗，使升压电路3工作于准谐振工作模式。

如图4所示，所述参考波形发生电路4包括数字控制器41、数模转换器42和运算放大器43，数字控制器41、数模转换器42和运算放大器43依次连接，数字控制器41产生的数字信号经过数模转换器42和运算放大器43后输出参考信号至控制电路5。其中，参考信号是需求波形的倍频半波，所述数字控制器41可以设置为单片机、DSP、ARM、FPGA或其他控制器。

根据需要输出的波形给出参考波形，这部分电路最简单的实现方式是采用“数模转换器(D/A)”来实现，但是也可以采用由离散器件组成的电路，如采用“555”定时器电路，当然其参考波形还可以由外部输入源给定，但是要实现精确的波形调节，采用数模转换器D/A是最优选择。

如图5所示，所述控制电路5包括比较器51、低有效原码使能输出的三态缓冲器52和电压传感器53，比较器51的反相输入端连接位于太阳能电池板1与升压电路3之间的电流取样点8，比较器51的同相输入端连接参考波形发生电路4的输出端，比较器51的输出端连接三态缓冲器52的输入端，三态缓冲器52的输出端控制升压电路3中的控制开关(即第一开关34或第二开关37)的通断，三态缓冲器52的使能端通过电压传感器53与控制开关的输入端相连接。

当采样信号的电流值低于参考信号的电流值时，比较器51输出高电平，此时三态缓冲器52的使能端为低电平，因此三态缓冲器52的输出为高电平，控制开关(即第一开关34或第二开关37)被开通；当采样信号的电流值高于参考信号的电流值时，比较器51输出低电平，此时三态缓冲器52的使能端为低电平，因此三态缓冲器52的输出为低电平，控制开关被关断。

当控制开关断开时，电压传感器53输出一个高电压使三态缓冲器52的使能端为高电平，即使比较器51输出为高电平，也不能使控制开关被再次开通，使控制开关保持断开状态，只有当控制开关的电压下降，电压传感器53输出一个低电压使三态缓冲器52的使能端为低电平时，控制开关才能再次接通。这就实现了控制开关的零电压开通(ZVS)功能。其中，图9为控制开关的工作波形图。

如图7所示，所述汇流电路6包括母线排和至少一个第一防反二极管63，母线排的正极61和母线排的负极62分别连接优化器单元，第一防反二极管63连接在每个优化器单元的输出端与母线排的正极61之间。

一个系统可以由多个优化器单元组成，所有的优化器单元的输出皆汇流到由正极、负极组成的母线排上，在这一过程中，需要防止不同优化器单元之间的逆流，因此，在每个优化器单元的输出端与母线排的正极61之间设置一个第一防反二极管63是必要的，否则当一个优化器出现故障时，比如短路故障，如果没有防反二极管则可能引起该优化器单元流过反向大电流，从而引起燃烧、爆炸等异常情况。

如图8所示，所述极性转换电路7由换向桥组成，该换向桥优选设置为H型换向桥，其带有四个桥臂，该四个桥臂可以为四个电子管或四个机械开关71、72、73、74。如图示，母线排的正极61连接机械开关71、73，母线排的负极62连接机械开关72、74。优化器单元的输出波形只是正半波，要得到最终的任意波形，需要经过换向桥进行换向。

此外，作为本发明的进一步改进，所述优化器单元还包括用于防止太阳能电池板1的电压输入过高以及反向逆流的低压侧保护电路2，低压侧保护电路2连接在升压电路3与太阳能电池板1之间。较佳的，低压侧保护电路2由第二防反二极管21和稳压二极管22组成。其中，第二防反二极管21为整流二极管，防止反向逆流；稳压二极管22防止输入电压过高。低压侧保护电路提供：面板侧过压保护、面板侧反接保护、面板侧过流保护、高压侧过压保护、高压侧过流保护、漏电流保护。

综上所述，本发明能够对单块太阳能面板进行最大功率点跟踪，可以根据需求波形的不同给定参考波形，从而得到最终的需求波形(如图10和图11所示)，相比于传统的优化器输出直流而言，本发明的优化器单元直接输出需求波形的倍频半波，再经过换向后得到需求波形，克服了传统优化器之后还需要接逆变器的缺点，降低了系统成本，有效地解决了光伏组件存在的“电势诱导衰减(PID)”问题，减缓了光伏组件的老化速度，增加光伏系统的电能产出。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，包括至少一个优化器单元、汇流电路和极性转换电路，其中，每个优化器单元均包括升压电路、参考波形发生电路和控制电路，所述升压电路的输入端连接太阳能电池板，所述参考波形发生电路的输出端连接所述控制电路，所述参考波形发生电路根据需要输出的波形提供参考信号至所述控制电路，所述控制电路对输入到所述升压电路的电流取样，将参考信号的电流值与电流取样值进行比较，从而控制在一个时间段内输入到所述升压电路的能量，所述升压电路的输出端连接所述汇流电路，所述汇流电路的输出端连接所述极性转换电路，所述极性转换电路对通过所述汇流电路汇流后的电流进行正负极性转换，实现任意需求波形的输出。

2.根据权利要求1所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述升压电路工作于准谐振工作模式。

3.根据权利要求2所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述升压电路设置为具有控制开关的Boost电路或Flyback电路，所述控制电路控制所述控制开关的通断时间。

4.根据权利要求1所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述参考波形发生电路包括数字控制器、数模转换器和运算放大器，所述数字控制器、所述数模转换器和所述运算放大器依次连接，所述数字控制器产生的数字信号经过所述数模转换器和所述运算放大器后输出参考信号至所述控制电路。

5.根据权利要求1所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述参考信号是需求波形的倍频半波。

6.根据权利要求3所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述控制电路包括比较器、低有效原码使能输出的三态缓冲器和电压传感器，所述比较器的反相输入端连接位于太阳能电池板与所述升压电路之间的电流取样点，所述比较器的同相输入端连接所述参考波形发生电路的输出端，所述比较器的输出端连接所述三态缓冲器的输入端，所述三态缓冲器的输出端控制所述升压电路中的控制开关，所述三态缓冲器的使能端通过所述电压传感器与所述控制开关的输入端相连接，当所述控制开关断开时，所述电压传感器输出一个高电压使所述三态缓冲器的使能端为高电平，使所述控制开关保持断开状态，直到所述控制开关的电压下降，所述电压传感器输出一个低电压使所述三态缓冲器的使能端为低电平时，所述控制开关接通。

7.根据权利要求1所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述汇流电路包括母线排和至少一个用于防止不同优化器单元之间的逆流的第一防反二极管，所述母线排的正极和所述母线排的负极分别连接所述优化器单元，所述第一防反二极管连接在每个优化器单元的输出端与所述母线排的正极之间。

8.根据权利要求1所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述极性转换电路由换向桥组成，所述换向桥带有四个电子管或四个机械开关。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述优化器单元还包括用于防止太阳能电池板的电压输入过高以及反向逆流的低压侧保护电路，所述低压侧保护电路连接在所述升压电路与太阳能电池板之间。

10.根据权利要求9所述的一种任意波形输出的光伏优化器，其特征在于，所述低压侧保护电路由第二防反二极管和稳压二极管组成。