CN106230288A - 一种多路mppt微型逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种多路mppt微型逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路MPPT微型逆变器及其控制方法，方法包括对每路电气隔离的直流光伏模块分别进行功率提取和最大功率点追踪，获得每路在最大功率点下的功率输出；对所获得每路的功率输出中电压进行升压，及将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；将所得的总功率输出中直流逆变为交流，及对逆变所得交流滤波后并入电网。微型逆变器包括：多路DC/DC转换模块、多路变压模块、DC/AC逆变模块及EMC滤波模块；以及所述每个DC/DC模块还包括过流保护电路。本发明可实时有效的跟踪多路各自最大功率点，消除了因输入多路造成逆变部分支路过多的缺陷，降低产品成本，提高了整机效率。

Description

一种多路MPPT微型逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种多路MPPT微型逆变器及其控制方法，属于逆变器的技术领域。
背景技术
太阳能作为最清洁的可再生能源将成为支撑未来全球经济增长的最佳能源。全球光伏发电量以每年高达46.7%的比例增长。到2010年底总装机容量高达45GW。随着全球煤炭/石油等资源的枯竭和核电站风险的增加加速了各国政府推进光伏发应用的步伐。预计2020年全球太阳能总装机容量将达980GW，中国总装机容量将超过20GW。
然而目前光伏电站的成本仍然高于其他形式电站的成本，多国政府不得不靠补体来推动光伏产业发展。因此提高光伏电站的转换效率、采用新技术大幅降低光伏电站综合成本是最终促成光伏发电进入商业化的唯一途径。
微型逆变器可以提高太阳能电站20%以上的发电效率。虽然它可以大大的提高太阳能电站的发电效率，可是目前市场上的微型逆变器的成本太高。和传统的小型逆变器相比，微型逆变器的成本要高3倍以上，由此它大大增加太阳能电站的建站成本。所以到目前为止，微型逆变器的技术还很难得到推广。
一个光伏并网发电系统主要有二个部分组成即太阳能电池组件和太阳能控制逆变器及并网设备。如图1所示。
评价一个光伏并网发电系统最主要的参数就是光电转换效率。由于半导体光电池的特性其转换效率往往都比较低。再考虑到使用环境和气候的影响，使得目前我们通常使用的光伏电池效率在10～15%左右。
一个高效的并能自动跟踪光伏电池最大功率的逆变器可以使光伏电池发挥最大的效用。逆变器有两个基本功能：一方面是为完成DC/AC转换的电流连接到电网，另一方面是找出最佳的操作点以优化太阳能光伏系统的效率。对于特定的太阳光辐射、温度及电池类型，太阳能光伏系统都相应有唯一的最佳电压及电流，从而使光伏系统产生最大的能量。如果光伏系统在非最佳电压及电流水平下运行，系统的效率就非常低，白白浪费采集太阳能的良机。
然而传统的太阳能光伏系统都是由许多紧密相连的太阳能电池板组成。这些电池板先分组串联，再将不同的串联电池组并联起来形成电池阵列。由太阳能电池板阵列产生的直流电会流到位于电池板侧旁的逆变器。在这样串联/并联的电池组件中任何一个电池板发生故障就会导致整个电池组失效。此外，当有局部阴影或杂物等遮蔽电池组时，这种情况也会发生。
为了解决上述问题，目前太阳能电池板都集成了旁路二极管，从而使电流可以绕过被遮蔽的失效电池板部份。启动二极管后，它们可将电流重新路由，即改道绕过失效电池串上。这样一来，不仅浪费了受遮蔽电池板的供电潜能，而且会降低整个电池组的总电压。基于选取电池板最佳操作点的原则，逆变器必须决定是应该优化受影响电池串的电压，还是应该优化其他没受影响电池组所产生的能量。在大多数的情况下，逆变器都会选择优化没有影响的电池组，并相应地降低受影响电池组所产生的能量，甚至是完全关闭受影响电池组。所导致的结果是，太阳能光伏系统只要出现10%的遮蔽，便会使太阳能发电量下降一半。
再有，为了获得较高的直流-交流逆变效率，传统并网逆变器不得不以缩小输入端直流适配接入电压允许波动范围为代价，放弃对因光照变化所致的超限直流输入（电压低于或高于允许波动范围）的逆变，如此方案进一步“丢弃”了大约10-30%左右本可以利用的有效光伏资源。
为解决上述问题，一种微型逆变器技术得到了发展。微型逆变器技术即在每块太阳能电池板(组件）上都加装微型逆变器使得系统可以适应不断变化的负荷和天气条件，从而能够为单块电池板和整个系统提供最佳转换效率。微型逆变器架构还可简化布线，这也意味着更低的安装成本。
可是，影响光伏系统的关键因素是可靠性、成本和效率。目前的微型逆变器技术很难全面地平衡这几个关键因素。由于对体积和成本的抠刻要求，很多复杂的逆变计算电路就无法在微型逆变器中实现，因此目前的微型逆变器的转换效率要大大低于传统的逆变器。同时逆变器在现行的光伏系统中又是可靠性最低的组件，它们一般只能使用10年左右，而电池板则可保证使用25年。把目前的微型逆变器技术整合到光伏组件板将会降低光伏组件的寿命。
另外，还存在一个微型逆变器虽然只控制一块电池组件，但是一个逆变器所需要的功能如MPPT,DC/DC和AC/DC转换都必须要具备，如图2所示，一个MPPT控制器需要连接多个光伏电池组件，因此目前的微型逆变器的成本是大大高于集中逆变器。
以及，对于一个多路MPPT逆变器来说，其所要控制的每块太阳能电池板的性能是不一样的，即它们的最大功率点是不同的，而且每块电池板的最大功率点的漂移也不可能同步。如果不能实时和精确的控制每个MPPT的工作状态，每个MPPT的输出电压就会因不同而无法直接汇流，如图3所示。如果采用非直接汇流方案，那么不仅逆变器的成本会增加而且由于多出一级直流变换，其转换效率也会降低。因此如何实时，精确的控制和协调几路MPPT控制是多路MPPT微型逆变器成功的关键。
因此，目前微型逆变器存在因太阳能电池板性能不同，光照不同造成的多块太阳能电池板最大功率点不同，而造成不能实时有效的跟踪多路各自最大功率点的问题，且每块光伏电池板单独连接微型逆变器，造成体积及成本增加问题。以上这些因素严重的制约了微型逆变器的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种多路MPPT微型逆变器及其控制方法，解决微型逆变器因太阳能电池板性能不同，光照不同造成的多块太阳能电池板最大功率点不同，而造成不能实时有效的跟踪多路各自最大功率点的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多路MPPT微型逆变器的控制方法，包括：
对每路电气隔离的直流光伏模块分别进行功率提取和最大功率点追踪，获得每路在最大功率点下的功率输出；
对所获得每路的功率输出中的电压升压，及将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；
将所得的总功率输出中直流逆变为交流，及对逆变所得交流滤波后并入电网。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述方法还包括对所获得每路的功率输出进行过流保护。
本发明还提出一种多路MPPT微型逆变器，包括：
多路DC/DC转换模块，其中每路DC/DC转换模块用于对所连接的直流光伏模块进行功率提取和最大功率点跟踪，获取每路在最大功率点下的功率输出；
多路变压模块，其中每路变压模块用于对连接的DC/DC转换模块所获得每路的功率输出中电压升压，并且将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；
DC/AC逆变模块，用于将所得的总功率输出中直流逆变为交流；
EMC滤波模块，用于对DC/AC逆变模块所得交流进行EMC滤波后并入电网。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个DC/DC模块还包括过流保护电路。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述DC/AC逆变模块包括依次连接的整流电路、LC滤波电路及后级mos电路。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
（1）本发明提供的多路MPPT微型逆变器及其控制方法，采用并-串联的多路MPPT功能的输出汇流的方法，输入采用并联方式，确保了各路直流输入模块独立追踪最大功率点，通过各自的DC/DC转换模块及变压器原边并联，副边串联的结构，使原本并联的各路直流输入模块的能量汇聚于一点，进行DC/AC逆变模块的逆变并网。解决了因某块太阳能电池板异常而造成整体不能使用的问题，且有效的解决了因太阳能电池板性能不同，光照不同造成的多块太阳能电池板最大功率点不同，而造成不能实时有效的跟踪多路各自最大功率点的问题，以及有效的解决了单纯使用多个独立微型逆变器，造成有多个DC/AC部分的缺陷，减小了DC/AC元器件成本的同时，又通过变压器把并网所需的总电流独立的分配给各自的太阳能电池板。
（2）本发明还可以能够有效解决目前微型逆变器面临的众多问题：解决了因每块光伏电池板单独连接微型逆变器，造成体积及成本增加的问题；解决了目前多路MPPT逆变器因太阳能电池板性能不一样，造成的不能实时和精确的控制每个MPPT工作状态的问题。
因此，本发明不仅能显著提高太阳能电池发电效率，极大的降低成本，提高可靠性，而且使得每路直流输入模块的能量汇聚于同一点，确保了DC/AC逆变并网可靠性的同时，消除了因输入多路造成逆变部分支路过多的缺陷，降低了产品成本，提高了整机效率。
附图说明
图1为现有技术中典型光伏系统模块示意图。
图2为现有技术中采用单路MPPT的微型逆变器模块示意图。
图3为现有技术中采用多路MPPT的微型逆变器模块示意图。
图4为本发明提供的微型逆变器的电路结构图。
图5为本发明中过流保护的电路结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
本发明设计了一种多路MPPT微型逆变器的控制方法，包括：
对每路电气隔离的直流光伏模块分别进行功率提取和最大功率点追踪，获得每路在最大功率点下的功率输出；
对所获得每路的功率输出中电压升压，及将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；
将所得的总功率输出中直流逆变为交流，及对逆变所得交流滤波后并入电网。
上述方法中，优选地还包括对每路进行过流保护, 使得微型逆变器在工作在正常状态下，每路所产生的信号不会达到过流保护阀值；微型逆变器工作在非正常状态下，每路会产生保护信号。该控制方法在确保微型逆变器的电路正常工作的前提下，提高了效率，降低因采集保护信号而造成的能量损耗。
本发明控制方法的原理是：采用各路同时输出汇流的方法，对输入采用并联方式，确保了各路直流输入可以独立追踪最大功率点，通过各路进行电压升压和汇聚处理后，将多路直流电压的能量汇聚于一点，进行逆变并网。可以有效克服因某块太阳能电池板异常而造成整体不能使用的问题，且有效的解决了因直流光伏模块如太阳能电池板的性能不同，光照不同造成的多块太阳能电池板最大功率点不同，而造成不能实时有效的跟踪多路各自最大功率点的问题，以及有效的解决了单纯使用多个独立微型逆变器，造成有多个DC/AC部分的缺陷，减小了DC/AC元器件成本的同时，又通过变压器把并网所需的总电流独立的分配给各自的太阳能电池板。
在此基础上，本发明还提出一种多路MPPT微型逆变器，该逆变器可以利用上述控制方法进行控制。所述逆变器具体包括：多路DC/DC转换模块，其中每路DC/DC转换模块用于对所连接的直流光伏模块进行功率提取和最大功率点跟踪，获取每路在最大功率点下的功率输出；多路变压模块，其中每路变压模块用于对连接的DC/DC转换模块所获得每路的功率输出中电压进行升压，并且将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；DC/AC逆变模块，用于将所得的总功率输出中直流逆变为交流；EMC滤波模块，用于对DC/AC逆变模块所得交流进行EMC滤波后并入电网。
具体地，所述逆变器的电路结构，如图4所示，该逆变器包括4路DC/DC转换模块、4路变压模块、1个DC/AC逆变模块及1个EMC滤波模块。其中，4路变压模块分别为变压器Tx1，Tx2，Tx3，Tx4；每个DC/DC转换模块包括输入端和两个输出端m、n，并且采用4个前级MOS管形成移相全桥电路，采用4个前级MOS管中两两分别连接形成移相全桥电路，以实现MPPT功能。第一个DC/DC转换模块的输入端连接直流光伏模块，本实施例中直流光伏模块采用太阳能电池板，第一个DC/DC转换模块的输入端连接第一个太阳能电池板，且经移相全桥电路后由两个输出端m1、n1分别连接至对应的变压器Tx1的原边；同样的，第二个DC/DC转换模块的输入端连接第二太阳能电池板，且经移相全桥电路电路后两个输出端m2、n2分别连接至对应的变压器Tx2的原边；第三个DC/DC转换模块的输入端连接第三太阳能电池板，且经移相全桥电路后两个输出端m3、n3分别连接至对应的变压模器Tx3的原边；直至第四个DC/DC转换模块的输入端连接第四太阳能电池板，且经移相全桥电路电路后两个输出端m4、n4分别连接至对应的变压器Tx4的原边。以实现利用所述每个DC/DC转换模块对每个太阳能电池板进行功率提取和最大功率点跟踪，获取每路在最大功率点下的功率输出。
以及，所述逆变器还可以包括多路过流保护电路。每路过流保护模块的电路结构如图5所示，其与DC/DC转换模块及变压模块配合。其中本实施例过流保护电路采用三路绕组的结构，即每路变压模块包括绕组A和绕组B、绕组D，而过流保护电路包括电解电容C和保护电路。具体地，在主功率电路的同一支路中，串联了变压器绕组A和绕组B，绕组A接线端1与太阳能光伏板的负端相连，太阳能光伏板的正端分别连接电解电容C的正极和DC/DC转换模块中的前级mos管的第一端；绕组A的接线端2与绕组B的接线端3相连并接于电解电容C的负极，绕组B的接线端4相连于对应DC/DC转换模块中的前级mos管的第二端；D绕组的接线端5和6连接至保护电路进行过流保护。电路中，绕组A的接线端1与绕组B的接线端4为同名端，电路工作在正常状态下，变压器副边的绕组D产生信号不会达到过流保护阀值；电路工作在非正常状态下，变压器副边的绕组D会产生保护信号。此种结构，在确保电路正常工作的前提下，提高了效率，降低因采集保护信号而造成的能量损耗。
对于所述每个变压模块的副边，电路将每个变压模块的副边之间串联后接入DC/AC逆变模块中的输入端p、q；所述DC/AC逆变模块将q、p输入端的电压电流逆变成标准正弦波后输出；所述EMC滤波模块对所述正弦波进行EMC滤波后并入电网。
所述DC/AC逆变模块优选地，可以包括依次连接的整流电路、LC滤波电路及后级mos电路，其中整流电路由二极管连接后形成整流桥，对电压电流进行整流处理；所述LC滤波电路由电感和电容连接，以形成馒头正弦波，实现滤波作用；所述后级mos电路由4个后级MOS管连接后进行锁相并网，通过后级mos进行过零点锁相，整形成标准正弦波后输出。
该逆变器的原理是：当多块电气性能隔离的太阳能光伏板作为直流光伏模块分别连接至逆变器各个独立的输入部分，多路独立的DC/DC转换模块利用MPPT功能实时跟踪每个输入模块的最大功率点，并产生出各自的并网功率，连接至各自变压模块的原边，此时多路太阳能光伏板输入模块上的功率仍然是独立的，而多个变压模块副边串联，把多路原本独立的并网功率汇聚成一个总并网功率，再通过单个DC/AC逆变模块逆变成交流后并入电网。
所述太阳能光伏板的直流通过DC/DC转换模块利用MPPT功能进行最大功率点追踪，通过变压模块原边并联，副边串联的结构，使直流输入模块的能量汇聚于一点，然后进行DC/AC逆变模块的逆变并网。此设计方式，应用多路变压器及其原副边特性，确保了输入与输出的电气隔离的同时，还保障了每路变压模块原边连接的直流输入模块的独立性，使得每路太阳能光伏板输入模块都能追踪最大功率点，同时每路变压模块副边串联，使得每路直流输入模块能量汇聚于同一点，确保了DC/AC逆变并网的可靠性，消除了因输入多路造成逆变部分支路过多的缺陷，降低了产品成本，提高了整机效率。
为了验证本发明能够有效解决多块太阳能电池板最大功率点不同，而造成不能实时有效的跟踪多路各自最大功率点和因输入多路造成逆变部分支路过多的缺陷的的问题，而提出一验证例。
本验证例以一个四路MPPT微型逆变器为例，其输入端为四个250W太阳能电池板、4路变压器、4路具备过流保护的DC/DC转换器、DC/AC逆变器和EMC滤波器。当四块太阳能电池板性能及光照等条件相同的情况下，每块太阳能电池板均产生250W功率，四路MPPT控制器分别跟踪到最大功率点250W，四路变压器的原副边均产生相同的电压电流，通过变压器的副边使功率汇聚于后输入一个DC/AC逆变器中，进行并网逆变。
假设当第一块太阳能电池板因性能或光照条件的变化，造成功率的下降至100W，其他三块仍保持在250W，应用本发明可确保四路MPPT控制器仍然工作在最大功率点，此时第一路MPPT控制器实时追踪至最大功率点100W，其他三路仍然保持在最大功率点250W，反映在第一路变压器原边电压值降低，电流值不变，其他三路变压器原边电压和电流值不变，四路变压器副边串联的总电流不变，由于第一路原边电压降低，使得该路变压器副边电压降低，造成总电压值降低，总输出功率为850W。最后将总输出功率为850W输入一个DC/AC逆变器中进行并网逆变。
当第一块太阳能电池板恢复正常，功率回升至250W时，此时第一路MPPT控制器实时追踪至最大功率点250W，其他三路仍然保持在最大功率点250W，反映在第一路变压器原边电压值回升，电流值不变，其他三路变压器原边电压和电流值不变，四颗变压器副边串联的总电流不变，由于第一路原边电压回升，使得该路变压器副边电压回升，造成总电压值回升，总输出功率恢复至1000W。最后将总输出功率为1000W输入一个DC/AC逆变器中进行并网逆变。
本发明的技术特点不仅适用于一路太阳能电池板功率的变化，任意四块太阳能电池板功率变化的情况同样适用。以及，本发明不仅适用于输入端为光伏电池板，同时可适用于其他要求多路独立直流输入，汇聚于一点输出的应用。
综上，本发明提供的一种多路MPPT光伏微型逆变器及其控制方法，该方法可使一个微型逆变器同时对多个光伏电池板进行最大功率点跟踪并进行直流交流转换，然后内部汇流输出可以直接并网的交流电。从而可以在保持微型逆变器的高发电效率的特性下降低微型逆变器的成本。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种多路MPPT微型逆变器的控制方法，其特征在于，包括：
对每路电气隔离的直流光伏模块分别进行功率提取和最大功率点追踪，获得每路在最大功率点下的功率输出；
对所获得每路功率输出中的电压升压，及将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；
将所得的总功率输出逆变为交流，及对逆变所得交流滤波后并入电网。
2.根据权利要求1所述多路MPPT微型逆变器的控制方法，其特征在于：所述方法还包括对所获得每路的功率输出进行过流保护。
3.一种多路MPPT微型逆变器，其特征在于，包括：
多路DC/DC转换模块，其中每路DC/DC转换模块用于对所连接的直流光伏模块进行功率提取和最大功率点跟踪，获取每路在最大功率点下的功率输出；
多路变压模块，其中每路变压模块用于对连接的DC/DC转换模块所获得每路的功率输出中的电压升压，并且将升压后的每路功率输出汇总至一个总功率输出；
DC/AC逆变模块，用于将所得的总功率输出逆变为交流；
EMC滤波模块，用于对DC/AC逆变模块所得交流进行EMC滤波后并入电网。
4.根据权利要求3所述多路MPPT微型逆变器，其特征在于：所述每个DC/DC转换模块还包括过流保护电路。
5.根据权利要求3所述多路MPPT微型逆变器，其特征在于：所述DC/AC逆变模块包括依次连接的整流电路、LC滤波电路及后级mos电路。
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