CN105743384B - 光伏并网发电微型逆变器 - Google Patents

光伏并网发电微型逆变器 Download PDF

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Abstract

光伏并网发电微型逆变器，涉及逆变器。设有电源Vin、串联电感L1、耦合电感L2P和L2S、第一电容C1、第二电容C2、滤波电感L0、滤波电容C0、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4。采用正弦电压跟踪法输出交流电压，即通过控制占空比大小有规律的变化，输出按照正弦规律变化的电压，从而达到将直流逆变为交流的目的。结构简单、可靠性高。通过改变开关管的占空比和耦合电感的匝比N可以实现不同的电压增益，结合正弦波形跟踪调制方法，可实现任意电压幅值的逆变电压输出。可以减少纹波电流。

Description

光伏并网发电微型逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器，尤其是涉及一种微网系统中的光伏并网发电微型逆变器。
背景技术
在能源的日益枯竭以及生态环境恶化的问题下，寻求新能源并对其加以利用越来越重要。太阳能取之不尽、用之不竭，并且无害，不会污染环境，所以如何利用太阳能成为了全世界研究的重点。光伏并网发电是目前人们使用太阳能的重要方式，但传统集中式光伏并网系统存在可靠性低、MPPT效率不高、系统可扩展性不强等劣势，发展分布式光伏并网系统成为解决这一问题彻底方案，而其中的微型逆变器又是该系统的关键技术。
传统的电压式全桥逆变器整体电路的体积较大，成本高，在输入电压较低和变化范围较大的场合，通常需要在其前级加入DC/DC升压电路，增加了系统的复杂性；并且不允许同一桥臂的两个开关同时导通，插入死区可以避免直通问题，但会引起输出谐波电压的增大。因此，研究可靠性高、成本低、效率高的新型逆变器具有非常重要的意义，也是目前逆变技术发展的重要方向之一。
中国专利CN202385026U公开一种光伏微型逆变器，包含晶硅电池组件接口(1)、交错反激DC/DC升压电路(2)、DC/AC工频换向电路(3)、滤波器电路(4)和微处理器电路(5)，晶硅电池组件接口、交错反激DC/DC升压电路、DC/AC工频换向电路和滤波器电路依次连接，并共同连接微处理器电路。
中国专利CN103888013A公开一种基于高频交流降压理论的微型逆变器及其数字控制装置，包括输入电源Uin，正弦调制高频逆变器、能量缓冲电感、高频变压器、不控桥式整流器、π型滤波器、工频开关逆变器。控制装置包括电压传感器、电流传感器以及DSP数字控制器。其中，正弦调制高频逆变器和工频开关逆变器都是由四个电力MOSFET构成；高频变压器的原边和副边都为单绕组结构；不控桥式整流器由四个快恢复二极管构成；π型滤波器由两个电容C1、C2和一个电感LG，互相连接成π形状。
中国专利CN103441693A公开一种并网型光伏发电微型逆变器及其控制方法。逆变器包括第一电容、第一电压传感器、第一驱动模块、第一反激变换器、第二反激变换器、第二电压传感器、第三电压传感器、MPU控制器、第二驱动模块、第一逆变桥、第二逆变桥、第二电容、电流传感器、滤波器和第四电压传感器。
发明内容
本发明的目的在于针对传统逆变器成本高、可靠性低和结构复杂等缺点，提供结构简单、可靠性高，可减少纹波电流、具有高升压比的一种微网系统中光伏并网发电微型逆变器。
本发明设有电源Vin、串联电感L1、耦合电感L2P和L2S、第一电容C1、第二电容C2、滤波电感L0、滤波电容C0、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4；
串联电感L1与电源Vin串联；耦合电感初级L2P与第二开关管S2、耦合电感次级L2S串联后与第一电容C1并联，耦合电感初级L2P的同名端与串联电感L1的一端相连，第二开关管S2的漏极与耦合电感初级L2P的异名端相连，第二开关管S2的源极与耦合电感次级L2S的同名端相连；
第二电容C2的一端连接耦合电感次级L2S的同名端和第二开关管S2的源极，第二电容C2的另一端连接电源Vin的负极；
第一开关管S1的一端连接耦合电感次级L2S的异名端和第一电容C1的一端，第一开关管S1的另一端连接第二电容C2的一端和电源Vin的负极；
第三开关管S3和第四开关管S4串联后与电源Vin并联，第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连；
负载电阻V0与滤波电容C0并联后与滤波电感L0相连，滤波电感L0的另一端与第二电容C2的一端相连，负载电阻V0的另一端与第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连。
本发明采用了正弦电压跟踪法输出交流电压，即通过控制占空比大小有规律的变化，输出按照正弦规律变化的电压，从而达到将直流逆变为交流的目的。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供一种结构简单、可靠性高的用于光伏并网发电的准Z源逆变器拓扑电路。通过改变开关管的占空比和耦合电感的匝比N可以实现不同的电压增益，结合正弦波形跟踪调制方法，理论上可以实现任意电压幅值的逆变电压输出。相比于传统的电压源逆变器有结构简单、可靠性高的优点，并且可以减少纹波电流。本发明适用于微网系统中的光伏分布式系统。
附图说明
图1为本发明实施例中微网系统中用于光伏分布式发电的微型逆变器电路图。
图2为本发明实施例中开关管的控制策略。
图3为本发明实施例中等效工作模态一电路图。
图4为本发明实施例中等效工作模态二电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的阐述。
图1为本发明提供的一种微网系统中用于光伏分布式发电的微型逆变器电路拓扑，它包括：电源Vin、串联电感L1、耦合电感L2P和L2S、第一电容C1、第二电容C2、滤波电感L0、滤波电容C0、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4；
串联电感L1与电源Vin串联；耦合电感初级L2P与第二开关管S2、耦合电感次级L2S串联后与第一电容C1并联，耦合电感初级L2P的同名端与串联电感L1的一端相连，第二开关管S2的漏极与耦合电感初级L2P的异名端相连，第二开关管S2的源极与耦合电感次级L2S的同名端相连；第二电容C2的一端连接耦合电感次级L2S的同名端和第二开关管S2的源极，第二电容C2的另一端连接电源Vin的负极；第一开关管S1的一端连接耦合电感次级L2S的异名端和第一电容C1的一端，第一开关管S1的另一端连接第二电容C2的一端和电源Vin的负极；第三开关管S3和第四开关管S4串联后与电源Vin并联，第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连；负载电阻V0与滤波电容C0并联后与滤波电感L0相连，滤波电感L0的另一端与第二电容C2的一端相连，负载电阻V0的另一端与第三开关管S3的源极和第四开关管S4的漏极相连。
下面简要介绍该变换器的控制策略和基本原理：通过第一开关管S1和第二开关管S2的互补导通，实现输出交流电压的功能。由于输出电压和输入电压用占空比来表示不是线性关系，为了得到正弦的输出电压，占空比不能用正弦方式来改变。因此使用根据输出电压与输入电压的关系推导出的占空比变化曲线作为参考信号，与三角波进行比较，当参考信号大于三角波时，S1开通，否则，S1关断，S2的栅极信号与S1的栅极信号互补。为了输出完整正弦波，在输出电压周期的正半周将S3开通，S4截止，在输出电压的负半周将S3截止，S4开通，以实现输出电压的正向和负向都可以实现任意电压增益。控制策略如图2所示。
工作时，当S3开通，S4截止时，负载的电压相当于第二电容C2和电源Vin的电压差；当S3截止，S4开通时，负载的电压相当于电容第二C2的电压。因此，先将第三开关管S3、第四开关管S4和负载去掉，不影响分析，此时逆变器有两个等效工作模态，(1)第一开关管S1导通，第二开关管S2截止；(2)第一开关管S1截止，第二开关管S2导通。在一个周期中，两个工作模态互补。等效电路分别如图3和4所示。
等效工作模态一(t0-t1)：S1导通，S2截止，整个电路构成两个回路。电流由电源Vin流经串联电感L1、第一电容C1和第一开关管S1，最终流回电源Vin，构成回路一。电流由第二电容C2流经耦合电感次级L2S，并通过第一开关管S1流回第二电容C2，构成回路二。在回路一中，电源Vin和串联电感L1对第一电容C1反向充电。在回路二中，由第二电容C2对耦合电感次级L2S进行充电。
等效工作模态二(t1-t0’)：S1截止，S2导通，整个电路构成两个回路。电流由电源Vin流经串联电感L1、耦合电感初级L2P、第二开关管S2和第二电容C2，最终流回电源Vin，构成回路三。由耦合电感初级L2P、第二开关管S2、耦合电感次级L2S和第一电容C1构成回路四。在回路三中，流过耦合电感初级L2P的电流对第二电容C2充电。在回路四中，耦合电感初级L2P和耦合电感次级L2S对第一电容C1充电。
在工作模态一时，根据KVL可列如下方程：
UL2S＝UC2 (1)
-Vin+UL1–UC1＝0 (2)
在工作模态二时，根据KVL可列如下方程：
-Vin–(-UL1)–(-UL2P)+UC2＝0 (3)
UL2P+UL2S+UC1＝0 (4)
在一个开关周期中，S1导通时间为T1，S2导通时间为T2，占空比D0＝T1/T，根据UL2P:UL2S＝N以及电感L1和耦合电感次级L2S的伏秒平衡可得：
则负载的输出电压为：
设输出电压vo＝Vsinwt，当N取1时，可得：
从式(6)和(7)可以看出升压比与匝比N和占空比D0有关，调节匝比N和占空比D0可以实现不同的升压比，以式(8)和(9)所表示的波形作为参考信号，与三角载波交截产生SPWM控制信号来控制开关管的开通与关断。
综上所述，本发明提供的一种微网系统中用于光伏分布式发电的微型逆变器，通过改变开关管的导通占空比和耦合电感的匝比N可以实现不同的电压增益。使用改进型控制方式，得到正弦输出电压，理论上可以实现任意电压幅值的逆变电压输出。相比于传统的电压源逆变器有结构简单、可靠性高的优点，并且可以减少纹波电流。本发明是一种使用于微网系统中的微型逆变器，并且是该系统的关键技术。该逆变器与光伏面板连接，所构成的分布式并网系统解决了集中式并网系统中存在的可靠性差、MPPT跟踪效率低以及系统可扩展性差的问题。本发明所述的一种微网系统中用于光伏分布式发电的微型逆变器是一种准Z源逆变器，含有耦合电感，通过改变开关管的占空比和耦合电感的匝比可以实现不同的电压增益，结合正弦波形跟踪调制方法，理论上可以实现任意电压幅值的逆变电压输出。相比于传统的电压源逆变器有结构简单、可靠性高的优点，并且可以减少纹波电流。本发明适用于微网系统中光伏分布式发电的场合。

Claims (2)

1.光伏并网发电微型逆变器，其特征在于，它包括：电源Vin、第一电感L1、一对耦合电感L2P和L2S、第一电容C1、第二电容C2、第三滤波电感L0、第三滤波电容C0、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4；
第一电感L1一端与电源Vin正极以及第三开关管S3的漏极相连；耦合电感L2P初级的同名端与第一电感L1的另一端以及第一电容C1的一端相连，第二开关管S2的漏极与耦合电感L2P初级的异名端相连，第二开关管S2的源极与耦合电感L2S次级的同名端、第二电容C2的一端以及滤波电感Lo的一端相连，耦合电感L2s次级的异名端与第一电容C1的另一端以及第一开关管S1的漏级相连；第二电容C2的另一端连接电源Vin的负极、第一开关管S1的源极以及第四开关管S4的源极；滤波电感Lo的另一端与负载电阻和滤波电容Co的一端相连，第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极、负载电阻的另一端以及滤波电容Co的另一端相连。
2.光伏并网发电微型逆变器的调控方法，其特征在于，采用如权利要求1所述光伏并网发电微型逆变器，利用正弦电压跟踪法输出交流电压，即通过控制占空比大小的变化，输出正弦规律变化的电压，将直流逆变为交流。
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