CN105450073B - 一种单相光伏并网微逆变器 - Google Patents

一种单相光伏并网微逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相光伏并网微逆变器，包括光伏组件，所述光伏组件上连接有解耦电路，所述解耦电路的输出端连接有反激逆变器，所述反激逆变器上连接有后级全桥电路，所述后级全桥电路的输出端和市供电网连接。本发明的有益效果为：可使每个光伏组件都工作在最大功率点处，抗局部阴影能力强；每个反激逆变器都与单个光伏组件集成在一起，即插即用，安装方便，系统扩展简便；反激逆变器占用空间较小，分布式安装便于配置，能安装于不同方向和角度，可充分利用空间；单个光伏组件的失效不会对整个系统的性能造成影响，系统的冗余度高、可靠性高。

Description

一种单相光伏并网微逆变器
技术领域
本发明涉及一种单相光伏并网微逆变器。
背景技术
目前我国光伏电站的建设模式不再一味求大，建设重点逐步由集中建设的兆瓦级示范电站向靠近用户侧的小型分布式电站转移。为了鼓励分布式电站建设，国家能源局文件(国能新能[2015]73号)规定，“对屋顶分布式光伏发电项目及全部自发自用的地面分布式光伏发电项目不限制建设规模，各地区能源主管部门随时受理项目备案，电网企业及时办理并网手续，项目建成后即纳入补贴范围。”同时，分布式光伏并网逆变技术近年来也取得了高速发展，通过将微型逆变器(功率等级一般在100-500瓦)与单个光伏组件集成进行并网发电成为一个新的研究热点。这种集成模式具备高效率、高可靠性、扩展灵活、组装简便等优势，容易实现光伏发电系统的模块化和家电化。所以，微型逆变器在今后一段时间内必将成为光伏产业发展的一个关键点，在中小功率光伏应用领域中前景广阔、市场潜力巨大。
目前常见的光伏并网系统一般都存在光伏组件的串并联，这些光伏系统结构中最大功率跟踪针对的是整个串并联光伏阵列，无法兼顾到每个光伏组件。当某个光伏组件上出现阴影的变化、污垢和面板老化问题，都会对另外的各个组件电压构成影响，从而引起整个串联支路的输出电压发生变化。因此，太阳能光伏系统架构极易受到实际操作环境的影响。例如只要几块电池板有阴影或树叶遮蔽，整个系统的发电量便会大幅度地下跌。只要有的电池板面积被遮盖,系统的总发电量便会下跌。随着时间的推移,被遮蔽的电池板面积会越来越大,太阳能系统的效率就会受到严重的影响。微型逆变器将是其中一个替代解决方案,它能够在面板级实现最大功率点跟踪,拥有超越中央逆变器的优势。能够在每块光伏组件取得最佳功率点，而无需进行串行光伏组件串联配置，可以最大限度地减少阴影问题。所以，微型逆变器的出现和使用是一个必然趋势。
传统方法中应用大容量电解电容作为解耦元件虽简单，但严重制约了微型逆变器的使用寿命。应用功率解耦技术减小解耦电容的容值，就可以用长寿命的薄膜电容替代解耦电容，从而延长逆变器的寿命，也增强了系统的可靠性。要实现功率解耦、降低电容容值的目的，目前已发展出一些特殊的电路拓扑及控制方法，主要有有源滤波(APF)法、解耦电路串联法、单级反激逆变器变换法、多级逆变器解耦法、三端口解耦法等。
有源滤波(APF)法，结构简单，控制简单，但解耦电容容值减小不多。有源滤波法是在光伏组件的输出侧并联解耦电路，应用有源滤波技术，通过控制解耦电路注入直流母线的电流在保证光伏组件输出电流的平滑性的同时使逆变器输出所需的瞬时功率。其优点是解耦电路与逆变器电路分开工作，互不影响。但是，若使用薄膜电容需要将容值进一步降低，为保证解耦电路正常工作，需从交流输出侧引入一个工频变压器给解耦电路提高能量，这样必然会对逆变器输出的交流电流质量受到影响。
解耦电路串联法，解耦电路的控制较独立，容易实现，但是光伏组件输出的所有功率都会经过解耦电路，这会增加损耗和开关管的电压电流应力。解耦电路与光伏组件串联，不仅可以实现功率解耦的目的，控制方法较简单，同时光伏并网逆变器中的MPPT功能也可以由解耦电路完成。可以将其视为两级电路，光伏组件输出的功率先经过DC级的功率解耦，再经过逆变器输出到电网。通过DC变换器，可以将解耦电容上的平均电压和电压纹波加大，从而减小电容容值，除解耦外，DC变换器还能用于实现MPPT功能。
单级反激逆变器变换法，所用元件少，电容电压较低，各开关管电压应力小，但解耦电路与光伏组件不隔离，在控制方法的设计上需要考虑减少解耦电路对光伏组件输出特性的影响，所以控制较复杂。基于单级反激逆变器开发出的解耦技术大都是在光伏组件输出侧的解耦。在传统单级式反激逆变器原边加入解耦电路，结合控制方法，既能完成传统光伏并网逆变器的功能，还能减小解耦电容所需的容值。基于该方法的解耦电路控制方法都比较简单，但存在二次充磁的问题，即光伏组件输出的能量先存储在解耦电容中，再输出至电网，解耦电容上处理了光伏组件输出的全部能量，会降低逆变器效率。
多级逆变器解耦法，通过一级DC/DC将直流母线电压升高，从而使降低电容更加方便，但母线高电压以及电压纹波会引起的逆变器输出电流的畸变，所以在逆变器的控制方法上需要进行修正，以减小影响。在多级微型逆变器中，可以将解耦电容并联在DC母线上。DC母线上电压可以很高，也允许较大的纹波，使减小解耦电容容值更为方便。使用该方法时，母线前后两个不同的电路分别控制输入功率和输出功率，若功率不平衡将会使电容电压无限升高造成永久性破坏，所以两个电路在功率控制上需要很好的同步，以保证能量守恒和稳定的母线电压。
三端口解耦法，解耦电路与光伏组件隔离，在解耦电容上的大电压纹波不会影响光伏组件的输出特性，利用变压器变比使电容电压及电压纹波有很大的提高，电容更小，但电路中开关管的电压应力也进一步增大，会引起损耗增加，且考虑到隔离的因素，副边开关管的控制也会比较复杂。三端口解耦方法中，三个端口分别用来处理的MPPT，完成DC/AC的逆变，实现功率解耦。反激变压器需要增加一个绕组用于接入解耦电路。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相光伏并网微逆变器，以克服目前现有技术存在的上述不足。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种单相光伏并网微逆变器，包括光伏组件，所述光伏组件上连接有解耦电路，所述解耦电路的输出端连接有反激逆变器，所述反激逆变器上连接有后级全桥电路，所述后级全桥电路的输出端和市供电网连接。
进一步的，所述解耦电路包括电容器C1，电容器C1的正极端和阻流二极管D1的正极端连接，所述阻流二极管D1的负极端和所述电容器C1的负极端还分别并联连接有开关Q1、开关Q2和开关Q3，所述开关Q1还串联连接有电感，所述开关Q2串联连接有解耦电容Cd，所述开关Q3和所述反激逆变器串联连接，所述开关Q1和所述电感之间和续流二极管D2的正极端连接，所述反激逆变器和所述开关Q3之间和续流二极管D3的正极端连接，所述续流二极管D2和所述续流二极管D3的负极端连接在所述开关Q2和所述解耦电容Cd之间。
进一步的，所述后级全桥电路包括和所述反激逆变器连接的续流二极管D4，所述续流二极管D4的负极端和电容C2的正极端以及开关Qa1和开关Qa3连接，所述电容C2的负极端和开关Qa2和开关Qa4连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2串联连接，所述开关Qa3和所述开关Qa4串联连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2之间以及所述开关Qa3和所述开关Qa4之间还并联连接有电感L1和电容C1，所述电感L1和电容C1的输出端和市供电网连接。
本发明的有益效果为：可使每个光伏组件都工作在最大功率点处，抗局部阴影能力强；每个反激逆变器都与单个光伏组件集成在一起，即插即用，安装方便，系统扩展简便；反激逆变器占用空间较小，分布式安装便于配置，能安装于不同方向和角度，可充分利用空间；单个光伏组件的失效不会对整个系统的性能造成影响，系统的冗余度高、可靠性高。
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，下面描述中的附图仅仅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是根据本发明实施例的单相光伏并网微逆变器电路结构示意图；
图2是根据本发明实施例的充电模式和放电模式的第一阶段示意图；
图3是根据本发明实施例的充电模式的第二阶段示意图；
图4是根据本发明实施例的充电模式的第三阶段示意图；
图5是根据本发明实施例的充电模式的第四阶段示意图；
图6是根据本发明实施例的放电模式的第二阶段示意图；
图7是根据本发明实施例的放电模式的第三阶段示意图；
图8是根据本发明实施例的放电模式的第四阶段示意图；
图9是根据本发明实施例的峰值电流基准示意图；
图10是根据本发明实施例的各开关管脉冲及电流参考波形图。
图中：
1、光伏组件；2、解耦电路；3、反激逆变器；4、后级全桥电路；5、市供电网。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的设计思路：在微型逆变器系统中，在一定的温度和光照条件下，光伏组件根据最大功率跟踪输出恒定的功率：
PPV＝VPV×IPV
其中VPV和IPV分别为光伏组件的输出直流电压和电流。
当反激逆变器以单位功率因数运行时，注入电网的正弦电流和电网电压同相位，设正弦交流电流和电压分别为：
则逆变器的瞬时输出功率为：
其中ω为电网的角频率。
在理想无损耗的情况下，瞬时输出功率中的直流分量即其平均值是恒定的，且等于光伏组件的输出功率：
Pa＝VaIa＝PPV
瞬时输出功率中的交流分量即两倍工频的功率脉动就是需要处理的解耦功率：
pc＝PPV cos(2wt)
选择电容作为解耦元件，如果当pPV大于pa时，pc为正，超出的这部分功率存储在解耦电容中；而当pPV小于pa时，pc为负，解耦电容放电以补充输出所需要的功率。
在一定的功率和电网频率下，解耦电容的容值大小与电容电压平均值及电压纹波有关。通过增加电容电压平均值和电容电压纹波能够显著减小电容值，从而使薄膜电容取代电解电容成为可能，避免了电解电容对整个反激逆变器寿命的影响。
如图1所示，本发明提出了一种单相光伏并网微逆变器，包括光伏组件1，所述光伏组件1上连接有解耦电路2，所述解耦电路2的输出端连接有反激逆变器3，所述反激逆变器3上连接有后级全桥电路4，所述后级全桥电路4的输出端和市供电网5连接。
进一步的，所述解耦电路包括电容器C1，电容器C1的正极端和阻流二极管D1的正极端连接，所述阻流二极管D1的负极端和所述电容器C1的负极端还分别并联连接有开关Q1、开关Q2和开关Q3，所述开关Q1还串联连接有电感，所述开关Q2串联连接有解耦电容Cd，所述开关Q3和所述反激逆变器3串联连接，所述开关Q1和所述电感之间和续流二极管D2的正极端连接，所述反激逆变器和所述开关Q3之间和续流二极管D3的正极端连接，所述续流二极管D2和所述续流二极管D3的负极端连接在所述开关Q2和所述解耦电容Cd之间。
进一步的，所述后级全桥电路包括和所述反激逆变器3连接的续流二极管D4，所述续流二极管D4的负极端和电容C2的正极端以及开关Qa1和开关Qa3连接，所述电容C2的负极端和开关Qa2和开关Qa4连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2串联连接，所述开关Qa3和所述开关Qa4串联连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2之间以及所述开关Qa3和所述开关Qa4之间还并联连接有电感L1和电容C1，所述电感L1和电容C1的输出端和市供电网5连接。
根据反激逆变器的输入功率即光伏组件的输出功率PPV与微型逆变器的输出功率pa的大小不同，解耦电路分为两种工作模式具体工作原理如下：
当PPV大于pa时，解耦电路工作于充电模式，由解耦电容储存多余的能量；当PPV小于pa时，解耦电路工作于放电模式，由解耦电容释放其存储的电场能，用于补充光伏组件的功率不足，满足电网的瞬时功率需求。
充电模式的工作过程可以分为四个阶段：
如图2所示，第一阶段，主开关管Q3导通，反激变压器原边充磁，储存能量。
如图3所示，第二阶段，主开关管Q3关断，开关管Q1导通，光伏组件向解耦电路中的电感储存能量，此时反激变压器储存的能量传递到副边。同时，变压器原边漏感能量经由续流二极管D3注入到解耦电容，由于漏感储能较小，所以漏感能量回收过程较短，很快过渡到下一阶段。
如图4所示，第三阶段，开关管Q1继续导通，光伏组件继续向解耦电路中的电感储存能量。
如图5所示，第四阶段，开关管Q1关断，电感L储存的磁能经由续流二极管D2注入到解耦电容Cd。
当PPV小于pa时，解耦电路工作于放电模式，由解耦电容释放其存储的电场能，用于补充光伏组件的功率不足，满足电网的瞬时功率需求。
放电模式的工作过程也可以分为四个阶段：
继续参照图2，第一阶段，主开关管Q3导通，反激变压器原边充磁，储存能量。
如图6所示，第二阶段，开关管Q2导通，此时主开关管Q3继续保持导通，解耦电容经过两个开关管Q2和Q3放电，解耦电容储存的电场能变为反激变压器原边励磁电感磁能，使变压器储存的磁能继续增加。
如图7所示，第三阶段，开关管Q2和Q3关断，变压器储存的磁能释放到副边。同时，变压器原边漏感能量经由续流二极管D3注入到解耦电容，进行漏感能量回收。
如图8所示，第四阶段，漏感能量回收完毕，续流二极管D3关断，变压器储存的磁能继续向副边传递。
具体的解耦电路的控制方法包括：
当PPV大于pa时，解耦电路工作于充电模式，将光伏组件输出的剩余能量通过控制解耦电路给解耦电容Cd充电，使电容电压始终高于输入电压。主开关管Q3工作于SPWM模式，反激变换器输出并网所需的功率，考虑到由后级全桥电路进行工频调制，所以其调制波电流应为正弦馒头波：
im＝k1|sin(ωt)|
式中Ts为Q3的开关周期；Lm为反激变换器的励磁电感；
光伏组件输出的剩余能量给解耦电容Cd充电，解耦电路中电感L的充电电流峰值基准为：
其中
式中L为解耦电感的电感值；Vc为解耦电容瞬时电压；
当PPV小于pa时，光伏组件的输出功率不足以满足并网所需功率，解耦电路工作于放电模式，由解耦电容释放其存储的电场能，用于补充光伏组件的功率不足。
主开关管Q3仍然工作于SPWM模式，其调制波电流和充电模式的波形完全一致，可以避免由于调制波频繁切换造成的并网电流波形畸变：
im＝k1|sin(ωt)|
由于光伏组件输出的能量不足以满足并网所需功率，此时解耦电容放电，其放电电流峰值基准为：
其中
解耦电路工作于充电或放电模式时，峰值电流基准如图9所示，各个开关管相应脉冲及电流参考波形如图10所示。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，可使每个光伏组件都工作在最大功率点处，抗局部阴影能力强；每个反激逆变器都与单个光伏组件集成在一起，即插即用，安装方便，系统扩展简便；反激逆变器占用空间较小，分布式安装便于配置，能安装于不同方向和角度，可充分利用空间；单个光伏组件的失效不会对整个系统的性能造成影响，系统的冗余度高、可靠性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种单相光伏并网微逆变器，其特征在于，包括光伏组件(1)，所述光伏组件(1)上连接有解耦电路(2)，所述解耦电路(2)的输出端连接有反激逆变器(3)，所述反激逆变器(3)上连接有后级全桥电路(4)，所述后级全桥电路(4)的输出端和市供电网(5)连接，所述解耦电路包括电容器C1，电容器C1的正极端和阻流二极管D1的正极端连接，所述阻流二极管D1的负极端和所述电容器C1的负极端还分别并联连接有开关Q1、开关Q2和开关Q3，所述开关Q1还串联连接有电感，所述开关Q2串联连接有解耦电容Cd，所述开关Q3和所述反激逆变器(3)串联连接，所述开关Q1和所述电感之间和续流二极管D2的正极端连接，所述反激逆变器和所述开关Q3之间和续流二极管D3的正极端连接，所述续流二极管D2和所述续流二极管D3的负极端连接在所述开关Q2和所述解耦电容Cd之间。
2.根据权利要求1所述的单相光伏并网微逆变器，其特征在于，所述后级全桥电路包括和所述反激逆变器(3)连接的续流二极管D4，所述续流二极管D4的负极端和电容C2的正极端以及开关Qa1和开关Qa3连接，所述电容C2的负极端和开关Qa2和开关Qa4连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2串联连接，所述开关Qa3和所述开关Qa4串联连接，所述开关Qa1和所述开关Qa2之间以及所述开关Qa3和所述开关Qa4之间还并联连接有电感L1和电容C1，所述电感L1和电容C1的输出端和市供电网(5)连接。
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CN102522766A (zh) * 2011-11-04 2012-06-27 浙江大学 一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器及其控制方法
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