CN105099363B - 一种用于光伏系统的电力转换装置 - Google Patents

一种用于光伏系统的电力转换装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于光伏系统的电力转换装置，包括：双组降压电路，所述双组降压电路耦接第一光伏组件和第二光伏组件；以及单组升压电路，所述单组升压电路与所述双组降压电路串联。所述单组升压电路包括：第一电感，其第一端与所述双组降压电路的一输出端连接；第一开关管，其漏极端与所述第一电感的第二端连接，其源极端与所述电力转换装置的正输出端连接；第二开关管，其漏极端与所述第一开关管的漏极端连接，其源极端与所述电力转换装置的负输出端连接；以及第一输出电容，其两端与所述电力转换装置的所述正输出端和所述负输出端连接。

Description

一种用于光伏系统的电力转换装置
技术领域
本发明涉及分布式光伏并网发电领域，具体涉及光伏系统的优化器。
背景技术
由于太阳能的可再生性及清洁性，光伏并网发电技术得以迅猛发展。优化器结构是其中一种高效的光伏并网方案，每个光伏组件连接一台可升降压的优化器，将优化器的输出端串联后通过集中式逆变器将能量传递给电网。优化器结构将光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)解耦为各个光伏组件的最大功率点跟踪，在解决光伏组件不匹配及部分遮蔽问题的同时，也可以监测光伏组件的性能，方便系统的运维。
图1示出现有技术的单体优化器的示意图。如图1所示，单体优化器包括一个降压电路(Buck电路)和一个升压电路(Boost电路)。该降压电路由第一二极管624、第二二极管626、第一开关管628、第二开关管630、电感608组成，其中一共包含两个开关管和一个电感。该升压电路由第三二极管644、第四二极管646、第三开关管648、第四开关管650、电感608组成，其中一共包含两个开关管和一个电感。因此，一个单体优化器总共包括4个开关管和1个电感。
由于优化器是光伏系统额外增加的部件，所以对于成本要求非常高，希望尽可能降低成本。其中一个重要的做法就是采用双体优化器，也就是一个优化器接两个光伏组件，通常采用两路完全独立的转换电路，直接把输出相互串联。图2为现有技术中的一种用于光伏系统的双体优化器的示意图。如图2所示，第一光伏组件接入第一路降压/升压电路，第二光伏组件接入第二路降压/升压电路，两路降压/升压电路的输出最后进行串联输出。因此，该双体优化器一共包含了八个开关管和两个电感。
上述图2的方案虽然比图1的方案能节省部分成本，但由于需要众多开关管和电感，生产成本无法再进一步降低，而且存在功耗高、转换效率无法进一步提高的缺陷；另外，由于部件多也会造成产品可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于光伏系统的改进的电力转换装置，其能够实现低成本、高转换率、高性能的优化结构。
本发明提供了一种用于光伏系统的电力转换装置，其特征在于，所述电力转换装置包括：
双组降压电路，所述双组降压电路耦接第一光伏组件和第二光伏组件；以及
单组升压电路，所述单组升压电路与所述双组降压电路串联，所述单组升压电路包括：
第一电感(L1)，其第一端与所述双组降压电路的一输出端连接；
第一开关管(Q1)，其漏极端与所述第一电感(L1)的第二端连接，其源极端与所述电力转换装置的正输出端(OUT+)连接；
第二开关管(Q2)，其漏极端与所述第一开关管(Q1)的漏极端连接，其源极端与所述电力转换装置的负输出端(OUT-)连接；以及
第一输出电容(Cout1)，其两端与所述电力转换装置的所述正输出端(OUT+)和所述负输出端(OUT-)连接。
在一个实施例中，所述当所述电力转换装置工作在直通状态时，所述电力转换装置的功耗仅发生在所述第一电感(L1)和所述第一开关管(Q1)上。
在一个实施例中，所述双组降压电路包括A路降压电路和B路降压电路：
所述A路降压电路包括：
第一输入电容(Cin1)，并联于第一光伏组件的第一正输入端(PV1+)和第一负输入端(PV1-)之间，所述第一负输入端(PV1-)与所述电力转换电路的所述负输出端(OUT-)相连接；
第三开关管(Q3)，其漏极端与所述第一正输入端(PV1+)相连接；以及
第四开关管(Q4)，其源极端与所述第一负输入端(PV1-)相连接，其漏极端与所述第三开关管(Q3)的源极端相连接；
所述B路降压电路包括：
第二输入电容(Cin2)，并联于所述第二光伏组件的第二正输入端(PV2+)和第二负输入端(PV2-)之间；
第五开关管(Q5)，其源极端与所述第二负输入端(PV2-)相连接；以及
第六开关管(Q6)，其源极端与所述第五开关管(Q5)的漏极端相连接，其漏极端同时与所述第二正输入端(PV2+)和所述第一电感(L1)的第一端相连接；
第二电感(L2)，其一端与所述第三开关管(Q3)的源极端相连接，其另一端与所述第五开关管(Q5)的漏极端相连接；以及
第二输出电容(Cout2)，其一端与所述第六开关管的漏极端连接，其另一端与所述第四开关管的源极端连接。
在一个实施例中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管为NMOS型开关管。
在一个实施例中，所述电力转换装置为用于光伏系统的双体优化器。
在一个实施例中，所述电力转换装置还包括控制器，所述控制器的控制信号与所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的栅极端连接。
在一个实施例中，所述控制器的控制信号控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的导通，以使得所述电力转换装置分别工作为降压状态、升压状态和直通状态。
本发明公开的这种用于光伏系统的电力转换装置，可连接两个光伏板，而同时保持每个板的最大功率点跟踪功能(MPPT)、检测、和保护关断；可以实现降压和升压的转换，同时比现有技术减少了关键开关元件，从而降低产品成本、提高转换效率、和提高产品可靠性。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1示出现有技术中的用于光伏系统的单体优化器的示意图；
图2示出现有技术中的用于光伏系统的双体优化器的示意图；
图3示出根据本发明一个实施例的光伏系统的电力转换装置的总体框图；
图4示出根据本发明一个实施例的光伏系统的电力转换装置的电路图；以及
图5示出根据本发明的一实施例的处于直通状态的电力转换装置示意图。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图3示出根据本发明一个实施例的用于光伏系统的电力转换装置的总体框图。在一个实施例中，该电力转换装置可以是双体优化器。如图3所示，本发明采用双组降压电路与单组升压电路串联的结构来实现双体优化器。
图4示出本发明一实施例的双体优化器的具体电路示意图。该双体优化器400包括双组降压电路(双buck)401和单组升压电路(boost)402。该双组降压电路401包括A路和B路两个支路(下半部分为A路，上半部分为B路)，分别与两组输入，即第一光伏组件A和第二光伏组件B，相耦接。其中，该A路包括：第一输入电容Cin1、第三开关管Q3和第四开关管Q4。在一个实施例中，第三开关管Q3、第四开关管Q4可为NMOS管。第一输入电容Cin1并联于第一光伏组件A的第一正输入端PV1+和第一负输入端PV1-之间。第三开关管Q3的漏极端与该第一正输入端PV1+相连接，其栅极端与第一驱动信号相连接。第四开关管Q4的源极端与该第一负输入端PV1-相连接，其漏极端与该第三开关管Q3的源极端相连接。
该B路包括：第二输入电容Cin2、第五开关管Q5和第六开关管Q6。在一个实施例中，第五开关管Q5、第六开关管Q6可为NMOS管。第二输入电容Cin2并联于第二光伏组件B的第二正输入端PV2+和第二负输入端PV2-之间。第五开关管Q5的源极端与该第二负输入端PV2-相连接，其栅极端与第二驱动信号相连接。第六开关管Q6的源极端与该第五开关管Q5的漏极端相连接，其漏极端与该第二正输入端PV2+相连接。
在一个实施例中，第一驱动信号和第二驱动信号相互交错。
另外，该双组降压电路还包括：第二电感L2和第二输出电容Cout2。第二电感L2的一端与该第三开关管Q3的源极端相连接，其另一端与该第五开关管Q5的漏极端相连接。第二输出电容Cout2的一端与第四开关管Q4的源极端连接，另一端与第六开关管Q6的漏极端连接。第二输出电容Cout2的一端与第一光伏组件A的第一负输入端PV1-连接，另一端与第二光伏组件B的第二正输入端PV2+相连接。第二输出电容Cout2两端作为双组降压电路的输出与单组升压电路402的输入端相耦接。
由此可见，A路的第一正输入端PV1+和B路的第二负输入端PV2-仅通过1个电感L1连接。和传统的双组降压电路相比，其只有一个电感L1和一个输出电容Cout1，而不是两个电感和两个输出电容。从而，降低了功耗，提高了转换效率。
本发明的双体优化器能在接收两路光伏组件的输入的同时，仅采用一个单组升压电路来实现整个优化器的升压功能。该单组升压电路的输入端与前述的双组降压电路的输出端相耦接。该单组升压电路包括第一电感L1、第一开关管Q1、第二开关管Q2。在一个实施例中，该第一电感L1的第一端与第二输出电容Cout2的一端连接，其第二端与第一开关管Q1的漏极端连接。第一开关管Q1的源极端与正输出端OUT+连接。该第二开关管Q2的漏极端与该第一开关管Q1的漏极端连接，其源极端与负输出端OUT-连接。
另外，该单组升压电路还包括第一输出电容Cout1，该电容耦接在双体优化器的正输出端OUT+和负输出端OUT-之间。
本发明的电力转换装置还包括控制器，所述控制器的控制信号与第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的栅极端连接，以控制它们的导通，使得电力转换装置能工作在不同的工作模式。
本申请的电力转换装置有3种工作模式：降压模式、升压模式、和直通模式。降压模式下，双组降压电路401处于转换状态，而单组升压电路402处于直通状态。升压模式下，双组降压电路401处于直通状态，而单组升压电路402处于转换状态。直通模式下，双组降压电路401和单组升压电路402都在直通状态。
图5示出根据本发明的一实施例的出于直通状态的双体优化器示意图。在图5中，虚线表示双体优化器的电流在直通状态下所经过的路径。从图5中可以看到，电流只通过第一电感L1和第一开关管Q1，功耗只发生在这两个元件上。对比现有技术的图1，直通状态下电流需要通过两个开关管626和646，和1个电感608，其与本发明相比多了一个开关管的功耗，而且还只能对一个光伏组件进行电力转换。对比现有技术的图2，图2中的两路升压/降压支路,其在直通状态下电流流过两路，也就是在直通状态下电流需要经过4个开关管和2个电感，相比本发明，其功耗远远大于本发明优化器的功耗。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种用于光伏系统的电力转换装置，其特征在于，所述电力转换装置包括：
双组降压电路，所述双组降压电路耦接第一光伏组件和第二光伏组件；以及
单组升压电路，所述单组升压电路与所述双组降压电路串联，所述单组升压电路包括：
第一电感(L1)，其第一端与所述双组降压电路的一输出端连接；
第一开关管(Q1)，其漏极端与所述第一电感(L1)的第二端连接，其源极端与所述电力转换装置的正输出端(OUT+)连接；
第二开关管(Q2)，其漏极端与所述第一开关管(Q1)的漏极端连接，其源极端与所述电力转换装置的负输出端(OUT-)连接；以及
第一输出电容(Cout1)，其两端与所述电力转换装置的所述正输出端(OUT+)和所述负输出端(OUT-)连接；
其中，所述双组降压电路包括A路降压电路和B路降压电路：
所述A路降压电路包括：
第一输入电容(Cin1)，并联于所述第一光伏组件的第一正输入端(PV1+)和第一负输入端(PV1-)之间，所述第一负输入端(PV1-)与所述电力转换电路的所述负输出端(OUT-)相连接；
第三开关管(Q3)，其漏极端与所述第一正输入端(PV1+)相连接；以及
第四开关管(Q4)，其源极端与所述第一负输入端(PV1-)相连接，其漏极端与所述第三开关管(Q3)的源极端相连接；
所述B路降压电路包括：
第二输入电容(Cin2)，并联于所述第二光伏组件的第二正输入端(PV2+)和第二负输入端(PV2-)之间；
第五开关管(Q5)，其源极端与所述第二负输入端(PV2-)相连接；以及
第六开关管(Q6)，其源极端与所述第五开关管(Q5)的漏极端相连接，其漏极端与所述第二正输入端(PV2+)和所述第一电感(L1)的第一端相连接；
第二电感(L2)，其一端与所述第三开关管(Q3)的源极端相连接，其另一端与所述第五开关管(Q5)的漏极端相连接；以及
第二输出电容(Cout2)，其一端与所述第六开关管(Q6)的漏极端连接，其另一端与所述第四开关管的源极端连接。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，当所述电力转换装置工作在直通状态时，所述电力转换装置的功耗仅发生在所述第一电感(L1)和所述第一开关管(Q1)上。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管为NMOS型开关管。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，所述电力转换装置为用于光伏系统的双体优化器。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，还包括控制器，所述控制器的控制信号与所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的栅极端连接。
6.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，所述控制器的控制信号控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管的导通，以使得所述电力转换装置分别工作为降压状态、升压状态和直通状态。
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