CN105978386A - 直流交流电力转换装置及光伏发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种直流交流电力转换装置及光伏发电系统。该直流交流电力转换装置包括：多个MPPT模块，其输入端与多个光伏组件连接，其输出端依次串联形成MPPT组串并连接低压直流母线；直流升压/降压模块，其一端与低压直流母线相连接，其另一端与高压直流母线连接；直流交流转换模块，其一端与高压直流母线相连接，其另一端与交流负载连接；第一电容和第二电容分别连接于低压直流母线与地线之间以及连接于高压直流母线与地线之间。本发明提供的一种直流交流电力转换装置，简化了电路结构，降低成本。本发明还提供了一种光伏发电系统，采用该直流交流电力转换装置，能同时提供高压直流和低压直流用于储能系统充放电。

Description

直流交流电力转换装置及光伏发电系统
技术领域
本发明涉及直流交流的电力转换技术领域，具体来说，本发明涉及一种直流交流电力转换装置及光伏发电系统。
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。逆变器是其中一种高效的光伏并网方案，每个光伏组件独立连接逆变器，不进行串联，这样就不会产生直流高压。同时，对每个组件进行最大功率点跟踪(MPPT)，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。为了降低逆变器和系统的成本，采用针对多个光伏组件的逆变器，比如2个或者4个组件独立连接逆变器的输入。参考图1，现有的逆变器100的直流升压模块101包括MPPT和升压电路，最常用的拓扑有反激，LCL等，其中的每个电路都需要采用隔离变压器和开关器件，这样对于多组件的逆变器，就需要多个变压器和对应的开关器件，给逆变器增大了体积、重量和成本。
此外，新能源系统中储能功能越来越普及，具备充放电功能的逆变器，能降低系统成本和提高系统可靠性。充放电功能需要既实现将诸如电池的储能设备的直流电转换为交流电，输入电网，又实现从光伏系统和交流电网对储能设备进行充电。为实现这样的功能，逆变器需要能够提供直流输出。由于每个电池的输出电压通常为12V，而采用多个电池串联而形成高压。对于小型的蓄电池系统，通常电压较低，在48V～96V之间，而大型的蓄电池系统，通常电压达到500V以上。常规方式是针对这两种高低电压的电池系统采用不同的充电器。然而最常见的反激升压加工频全桥的逆变器只有交流输出，而采用高压直流母线和高频全桥的逆变器只有高压直流和交流输出。因此希望逆变器能同时提供高压直流和低压直流用于电池充放电，满足不同系统的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直流交流电力转换装置，简化了电路结构，降低成本。本发明还提供了一种光伏发电系统，采用该直流交流电力转换装置，能同时提供高压直流和低压直流用于储能系统充放电。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种直流交流电力转换装置，包括：
多个MPPT模块，其输入端与多个光伏组件连接，其输出端依次串联形成MPPT组串并连接低压直流母线；
直流升压/降压模块，其一端与所述低压直流母线相连接，其另一端与高压直流母线连接；
直流交流转换模块，其一端与所述高压直流母线相连接，其另一端与交流负载连接；
第一电容，连接于所述低压直流母线与地线之间；第二电容，连接于所述高压直流母线与地线之间。
根据本发明的一个实施例，每个所述MPPT模块为BUCK电路，每个BUCK电路的输入端与一个多个光伏组件对应连接。
根据本发明的一个实施例，每个所述MPPT模块为双BUCK电路，其输入端与两个独立的光伏组件连接。
根据本发明的一个实施例，所述直流升压/降压模块是反激电路。
根据本发明的一个实施例，所述直流交流转换模块是单相全桥、单相半桥或者三相全桥。
本发明还提供了一种光伏发电系统，包括前述的直流交流电力转换装置，所述直流交流电力转换装置还包括，
光伏组件接口，与所述MPPT组串连接；
低压直流接口，与所述低压直流母线连接，用于对低压直流负载进行充电或放电；
高压直流接口，与高压直流母线连接，用于对高压直流负载进行充电或放电；
交流接口，与所述直流交流转换模块连接；
控制中心，发送信号到所述MPPT组串、所述直流升压/降压模块、所述直流交流转换模块，使所述光伏发电系统可切换地处于光伏逆变模式、光伏充电模式、电网充电模式、储能系统逆变模式中的一种，其中：
在所述光伏逆变模式下，所述MPPT组串工作，所述直流升压/降压模块处于升压模式，所述直流交流转换模块处于直交流逆变模式；
在所述光伏充电模式下，所述MPPT组串工作，所述直流升压/降压模块处于升压模式，所述直流交流转换模块停止工作；
在电网充电模式下，所述MPPT组串停止工作，所述直流升压/降压模块处于降压模式，所述直流交流转换模块处于直交流整流模式；
在储能系统逆变模式下，所述MPPT组串停止工作，所述直流升压/降压模块处于升压模式，所述直流交流转换模块处于直交流逆变模式。
根据本发明的一个实施例，所述低压直流负载是低压储能系统。
根据本发明的一个实施例，高压直流负载是高压储能系统。
本发明的电力转换装置将多个MPPT串联，通过直流升压/降压模块升压和直流交流转换模块进行交直流转换来实现电力转换功能，从而简化了电路，降低了成本。本发明的光伏发电系统采用该电力转换装置，能同时提供高压直流和低压直流用于储能系统充放电，从而满足了不同系统的需求。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为现有技术的一种逆变器的内部模块结构图；
图2为本发明一个实施例的电力转换装置的内部模块结构图；
图3为本发明一个实施例的电力转换装置的电路结构简图；
图4为本发明一个实施例的电力转换装置的MPPT组串的电路结构图；
图5为本发明一个实施例的光伏发电系统的模块结构图；
图6为本发明一个实施例的光伏发电系统的模块结构图；
图7a一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图；
图7b一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图；
图7c一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图；
图7d一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图2为本发明一个实施例的电力转换装置的内部模块结构图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。如图2所示，一种直流交流电力转换装置200包括多个MPPT模块201、低压直流母线203、直流升压/降压模块204、高压直流母线205以及直流交流转换模块206。在本实施例中采用了4个MPPT模块201，其输入端与4个光伏组件210连接，其输出端依次串联形成MPPT组串202并连接低压直流母线203。直流升压/降压模块204的一端与低压直流母线203相连接，另一端与高压直流母线205连接。直流交流转换模块206的一端与高压直流母线205连接，直流交流转换模块205的另一端与交流负载(图未示)连接。第一电容207连接于低压直流母线203与地线之间；第二电容208连接于高压直流母线205与地线之间。
本实施例的直流交流电力转换装置200可以实现MPPT和升高电压的功能，根据实际的输出电压要求选用不同数量的MPPT模块。本实施例中采用4个MPPT模块201串联，输出电压可以达到48～96V。为了实现交流电，需要提高电压。对于获得220V～277V的交流电压，直流输入电压达500V以上，而对于110～127V的交流电压，通常直流输入电压在300V左右。这样从48-96V到高压直流的升压比只有从12-24V升压的情况的1/4。这样能大大提高直流升压/降压模块204的效率。相对于现有技术中的每个直流升压模块都包括MPPT和升压电路的结构，每个升压电路都包含了变压器和开关组件的结构，本实施例提供的电力转换装置200采用MPPT组串202接入直流升压/降压模块204的方式减少了变压器和开关组件的数量，电路元件也能大幅简化，降低成本。
图3为本发明一个实施例的电力转换装置的电路结构图。图3是依据图2的实施例的内部模块结构图的一个具体电路结构。如图所示，在本实施例中MPPT组串202中的每个MPPT模块为BUCK电路，MPPT组串202中具有4个BUCK电路，其输入端与4个光伏组件210对应连接。4个BUCK电路的输出端相互串联，并连接低压直流母线203。这里的直流升压/降压模块204采用的是直流升压电路。低压直流母线203的电压可以是由直流升压/降压模块204控制到固定的电压，可以是48-96V，特别是12V的整数倍，便于将低压直流母线203连接到低压直流负载(图未示)供使用。
直流升压/降压模块204可以是反激电路，将低压直流母线203的电压升高到高压直流母线205的电压。高压直流母线的电压值适合于经过直流交流转换模块206而产生需要的交流电。比如对于220V～277V的交流电，高压直流母线的电压约为500V；而对于110～127V的交流电，高压直流母线的电压约为300V。较佳地，如图3所示，直流交流转换模块206是单相全桥。可以理解的，直流交流转换模块206还可以是单相半桥或者三相全桥。
图4为本发明一个实施例的电力转换装置的MPPT组串的电路结构图。如图所示，MPPT组串202中的每个MPPT模块为双BUCK电路，双BUCK电路包含上下两个支路，其上支路与下支路分别与两个独立的光伏组件201连接。可以理解的，图4中的MPPT组串202的电路结构图同样适用于图4中的直流交流电力转换装置200。
下面简要介绍下双BUCK电路结构，参考图4下方的一个双BUCK电路来描述。其中，下支路包括：第一输入电容Cin1、第一开关管Q1和第一二极管D1。第一输入电容Cin1并联于第一正输入端PV1+和第一负输入端PV1-之间，该第一负输入端PV1-接地。第一开关管Q1可为NMOS管，其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Drive1相连接。第一二极管D1的正极端与该第一负输入端PV1-相连接，其负极端与该第一开关管Q1的源极端相连接。上支路包括：第二输入电容Cin2、第二开关管Q2和第二二极管D2。第二输入电容Cin2并联于第二正输入端PV2+和第二负输入端PV2-之间，该第二正输入端PV2+与该电力转换电路300的正输出端OUT+相连接。第二开关管Q2可以为NMOS管，其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Drive2相连接。第二二极管D2的正极端与该第二开关管Q2的漏极端相连接，其负极端与该第二正输入端PV2+相连接。另外，该MPPT组串还包括：电感L和输出电容Cout1。电感L的一端与该第一开关管Q1的源极端相连接，其另一端与该第二开关管Q2的漏极端相连接。输出电容Cout1并联于该第一负输入端PV1-和第二正输入端PV2+之间。
由此可见，下支路的第一正输入端PV1+和上支路的第二负输入端PV2-仅通过1个电感L连接。和图3相比，在本实施例的双BUCK中只有一个电感L，而不是两个电感L。另外，输出电容也只有1个输出电容Cout1。同图3的单BUCK结构比较，可进一步简化电路，降低成本。
图5为本发明一个实施例的光伏发电系统的模块结构图。光伏发电系统500包括上述提供的电力转换装置200。如图所示，电力转换装置200具有光伏组件接口501、低压直流接口502、高压直流接口503和交流接口504。其中，光伏组件接口501用于与光伏组件210连接，低压直流接口502可以与低压直流负载505连接，高压直流接口503可以与高压直流负载503连接，交流接口504与交流负载507连接。
图6为本发明一个实施例的光伏发电系统的模块结构图。图7a一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图。图7b一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图。图7c一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图。图7d一个实施例的光伏发电系统在光伏逆变模式下的示意图。
如图6所示，一种光伏发电系统500，采用前述的直流交流电力转换装置200。直流交流电力转换装置200包括MPPT串组202、低压直流母线203、直流升压/降压模块204、高压直流母线205以及直流交流转换模块206。MPPT组串202连接低压直流母线203，直流升压/降压模块204的一端与低压直流母线203相连接，直流升压/降压模块204的另一端与高压直流母线205连接。直流交流转换模块206的一端与高压直流母线205连接。直流交流电力转换装置200还包括光伏组件接口202、低压直流接口502、高压直流接口503、交流接口504和控制中心508。光伏组件接口501与MPPT组串202连接。低压直流接口502与低压直流母线203连接，低压直流接口502用于对低压直流负载505进行充电或放电。高压直流接口503与高压直流母线205连接，高压直流接口503用于对高压直流负载506进行充电或放电。控制中心504发送信号到MPPT组串202、直流升压/降压模块204、直流交流转换模块206使直流交流电力转换装置200可切换地处于光伏逆变模式、光伏充电模式、电网充电模式、储能系统逆变模式中的一种。
在光伏逆变模式下，如图7a所示，MPPT组串202工作，直流升压/降压模块204处于升压模式，直流交流转换模块206处于直交流逆变模式。低压直流接口502和高压直流接口503连接的低压直流负载505和高压直流负载不工作。直流交流转换模块206向交流接口504输出交流电。
在光伏充电模式下，参考图7b，MPPT组串202工作，直流升压/降压模块204处于升压模式，直流交流转换模块206停止工作。光伏发电系统500通过低压直流接口502对低压直流负载505进行充电，通过高压直流接口503对高压直流负载506进行充电。
在电网充电模式下，MPPT组串202停止工作，直流升压/降压模块204处于降压模式，直流交流转换模块206处于直交流整流模式。外部电网与交流接口504连接，通过低压直流接口502对低压直流负载505进行充电，通过高压直流接口503对高压直流负载506进行充电。
在储能系统逆变模式下，MPPT组串202停止工作，直流升压/降压模块204处于升压模式，直流交流转换模块206处于直交流逆变模式。高压直流负载506通过直流交流转换模块206放电到交流接口504输出。低压直流负载505通过直流升压/降压模块204升压，并经直流交流转换模块206放电到交流接口504输出。
较佳地，低压直流负载505是低压储能系统。
较佳地，高压直流负载506是高压储能系统。
本发明描述的光伏发电系统500采用直流交流电力转换装置200，能同时提供高压直流和低压直流用于储能系统充放电，从而满足了不同系统的需求。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流交流电力转换装置(200)，包括：
多个MPPT模块(201)，其输入端与多个光伏组件(210)连接，其输出端依次串联形成MPPT组串并连接低压直流母线(202)；
直流升压/降压模块(204)，其一端与所述低压直流母线(203)相连接，其另一端与高压直流母线(205)连接；
直流交流转换模块(206)，其一端与所述高压直流母线(205)相连接，其另一端与交流负载连接；
第一电容(207)，连接于所述低压直流母线(203)与地线之间；
第二电容(208)，连接于所述高压直流母线(205)与地线之间。
2.根据权利要求1所述的直流交流电力转换装置(200)，其特征在于，每个所述MPPT模块(201)为BUCK电路，每个BUCK电路的输入端与一个光伏组件(210)对应连接。
3.根据权利要求1所述的直流交流电力转换装置(200)，其特征在于，每个所述MPPT模块(201)为双BUCK电路，其输入端与两个独立的光伏组件(210)连接。
4.根据权利要求1所述的直流交流电力转换装置(200)，其特征在于，所述直流升压/降压模块(204)是反激电路。
5.根据权利要求1所述的直流交流电力转换装置(200)，其特征在于，所述直流交流转换模块(206)是单相全桥、单相半桥或者三相全桥中的任一种。
6.一种光伏发电系统(500)，包括权利要求1至5任一所述的直流交流电力转换装置(200)，其特征在于，所述直流交流电力转换装置(200)还包括，
光伏组件接口(501)，与所述MPPT组串(202)连接；
低压直流接口(502)，与所述低压直流母线(203)连接，用于对低压直流负载(505)进行充电或放电；
高压直流接口(503)，与高压直流母线(205)连接，用于对高压直流负载(506)进行充电或放电；
交流接口(504)，与所述直流交流转换模块(206)连接；
控制中心(508)，发送信号到所述MPPT组串(202)、所述直流升压/降压模块(204)、所述直流交流转换模块(206)使所述光伏发电系统(500)可切换地处于光伏逆变模式、光伏充电模式、电网充电模式、储能系统逆变模式中的一种，其中：
在所述光伏逆变模式下，所述MPPT组串工作，所述直流升压/降压模块(203)处于升压模式，所述直流交流转换模块(205)处于直交流逆变模式；
在所述光伏充电模式下，所述MPPT组串工作，所述直流升压/降压模块(203)处于升压模式，所述直流交流转换模块(205)停止工作；
在电网充电模式下，所述MPPT组串停止工作，所述直流升压/降压模块(203)处于降压模式，所述直流交流转换模块(205)处于直交流整流模式；
在储能系统逆变模式下，所述MPPT组串(202)停止工作，所述直流升压/降压模块(203)处于升压模式，所述直流交流转换模块(205)处于直交流逆变模式。
7.根据权利要求6所述的一种光伏发电系统(500)，其特征在于，所述低压直流负载(505)是低压储能系统。
8.根据权利要求6所述的一种光伏发电系统(500)，其特征在于，所述高压直流负载(506)是高压储能系统。
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