CN108123633B - 一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器。该逆变器主电路拓扑包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、滤波电容、工频极性反转逆变桥、滤波电感、电网及纹波抑制单元。本发明在逆变器输入侧加入了由辅助开关管、辅助电感、辅助二极管和解耦电容构成的纹波抑制单元，实现了并网侧引起的直流电源端低频功率纹波的抑制，并通过允许解耦电容具有较高电压等级与大范围电压波动，使系统避免采用寿命短、体积大的电解电容，延长光伏并网逆变器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器，属于隔离、微型、光伏并网逆变器，其利用增加的纹波抑制单元来解耦交流输出侧引起的功率脉动。
背景技术
由于全球能源危机和环境污染等问题，光伏发电以其清洁、可持续等一系列优点，受到了人们关注，促使光伏产业得到了迅速发展。光伏电池板通过采用最大功率点跟踪来产生相对恒定的直流功率，而并网侧输出功率含有的两倍电网频率的功率脉动，引起输入功率与瞬时输出功率的不平衡，若不解耦该功率脉动，将影响光伏板最大功率点跟踪。通常在直流侧并联大容量的电解电容来平滑输入功率是最简单的方法，但电解电容的寿命很短，远低于太阳能光伏板的寿命，已成为制约光伏发电系统使用年限的瓶颈，且增加了维护成本。在电路中并联谐振频率为两倍电网频率的LC谐振支路，也能够抑制功率纹波，同时减小了电容值，但是该方法所需的电感感值和电容容值依然较大，一定程度上降低系统功率密度。总而言之，采用无源器件来抑制逆变器并网侧引起的输入侧功率纹波的方法，存在着体积大、可靠性低、效率受限等不足。为了提高逆变器的功率密度和效率，并使光伏并网逆变器具有与光伏电池板相匹配的使用寿命，提出一些能够抑制输入侧功率纹波的新拓扑方案和控制策略，且系统中无电解电容，具有极高的价值。
发明内容
本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器，避免采用电解电容，抑制了直流输入侧低频功率纹波。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、滤波电容、工频极性反转逆变桥、滤波电感及电网；其中直流电源的正极、输入电容的一端和隔离变压器原边绕组的同名端相连接，隔离变压器原边绕组的异名端接原边开关管的集电极，原边开关管的发射极、输入电容的另一端和直流电源的负极相连接；工频极性反转逆变桥包括四个开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥的正输入端，第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连构成工频极性反转逆变桥的负输入端，第一开关管的发射极和第三开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥的正输出端，第二开关管的发射极和第四开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥的负输出端，隔离变压器副边绕组的异名端和副边二极管的阳极相连接，副边二极管的阴极、滤波电容的一端和工频极性反转逆变桥的正输入端相连接，工频极性反转逆变桥的负输入端、滤波电容的另一端和隔离变压器副边绕组的同名端相连接，工频极性反转逆变桥的正输出端接滤波电感的一端，滤波电感的另一端接电网的一端，电网的另一端接工频极性反转逆变桥的负输出端；其特征在于：
还包括纹波抑制单元；其中纹波抑制单元包括一个解耦电容、两个辅助开关管、辅助电感和一个辅助二极管，第一辅助开关管的集电极接隔离变压器原边绕组的同名端，第一辅助开关管的发射极、辅助电感的一端和辅助二极管的阴极相连接，辅助二极管的阳极、解耦电容的一端和第二辅助开关管的发射极相连接，第二辅助开关管的集电极接隔离变压器原边绕组的异名端，解耦电容的另一端、辅助电感的另一端和直流电源的负极相连接。
有益效果：
本发明披露了一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器，其解耦了并网侧引起的输入侧低频脉动功率，保证了逆变器的长使用寿命。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过在反激变换器原边加入纹波抑制单元来处理并网侧脉动功率带来的功率纹波，并使解耦电容具有较高电压等级和较大电压波动，减小了解耦电容容量，从而系统中的电容均可采用容值小、可靠性高的薄膜电容来替代容量大、可靠性低的电解电容，保证并网逆变器的使用寿命能够与光伏板相匹配。
附图说明
附图1是本发明的一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器主电路图。
附图2是本发明的一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器进一步等效电路图。
附图3～附图4是本发明的一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器两种主要工作波形示意图。
附图5～附图10是本发明的一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器的各开关模态示意图。
附图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、辅助电感电流、解耦电容电压、并网电流及电网电压的仿真波形。
上述附图中的主要符号名称：Vin、电源电压。Cin、输入电容。Sp、原边开关管。Sx1、Sx2、为辅助开关管。Dx1、辅助二极管。Cx、解耦电容。Lx、辅助电感。T、隔离变压器。n1、n2、隔离变压器绕组。Lm、隔离变压器激磁电感。Ds、副边二极管。Cf、滤波电容。S1～S4、均为开关管。Lf、滤波电感。vx、解耦电容电压。vgrid、电网电压。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
附图1是一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器主电路。由直流电源Vin、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边二极管4、滤波电容5、工频极性反转逆变桥6、滤波电感7、电网Grid及纹波抑制单元8组成。Sp是原边开关管，Cin是输入电容，Sx1、Sx2是辅助开关管，Dx1是辅助二极管，Cx是解耦电容，Lx是辅助电感，T是隔离变压器，Ds是副边二极管，Cf是滤波电容，Lf是滤波电感，S1～S4是开关管。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1等效为附图2所示的电路。
下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图3～附图10叙述本发明的具体工作原理，其中只对反激变换器工作模态进行分析，而工频极性反转逆变桥的工作原理不再赘述。由于直流电源提供的输入功率保持恒定，而并网侧功率含有两倍频电网频率的功率脉动，根据输入功率Pin与瞬时输出功率po的大小，可以将电路的工作模式分为两种：当Pin＞po时，电路工作于模式1状态，附图3给出了此模态下的关键波形图；否则电路工作于模式2状态，此模态下的关键波形图如附图4所示。由附图3和附图4可知，逆变器工作于模式1或者模式2时，一个开关周期Ts均有4种开关模态，模式1时：[t10-t11]、[t11-t12]、[t12-t13]、[t13-t14]，模式2时：[t20-t21]、[t21-t22]、[t22-t23]、[t23-t24]。下面以电网电压处于正半周期时为例，对各开关模态的工作情况进行具体分析；当电网电压处于负半周期时，其工作情况与正半周期时类似，不再赘述。
在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②隔离变压器原副边匝比为：n1∶n2＝1∶n。
模式1下时，具体工作情况：
1.开关模态1[t10-t11][对应于附图5]
t10时刻，原边开关管Sp开通，变压器激磁电感Lm开始储能，原边电流ip从零开始线性上升。t11时刻，电流ip上升至电流基准ip_ref，即变压器激磁电感中储存的能量等于并网所需的瞬时能量，立即关断开关管Sp，该模态结束，此阶段中，ii＝ip。
可以得出原边电流基准ip_ref为：
其中，Ts为开关周期，Iin为输入电流，ω为电网电压角频率，Pin为输入功率。
2.开关模态2[t11-t12][对应于附图6]
t11时刻，副边二极管Ds导通，变压器激磁电感向电网传递能量。同时，辅助开关管Sx1开通，辅助电感Lx承受电源电压，其电流iLx由零线性上升至电流参考值iLx_ref，此阶段中，ii＝iLx。模态1和模态2下电流ii的高频分量流过输入电容Cin，所以输入电流Iin为一直流量。电流参考值iLx_ref：
3.开关模态3[t12-t13][对应于附图7]
t12时刻，关断辅助开关管Sx1，解耦电容上电压反向加在辅助电感上，电流iLx由参考值iLx_ref快速线性下降到零，此模态结束。
无论是在开关模态2还是模态3，当变压器激磁电感储存的能量全部释放结束，副边二极管Ds停止工作。
4.开关模态4[t13-t14][对应于附图8]
t13时刻，辅助电感Lx和变压器激磁电感均处于断续状态，滤波电容Cf和滤波电感Lf维持电网所需的能量。
模式2下时，具体工作情况：
1.开关模态1[t20-t21][对应于附图9]
t20时刻，开通辅助开关管Sx2，变压器激磁电感承受解耦电容电压与直流电源电压之和，原边电流ip由零线性上升，因此Sx2和Sp均实现零电流开通。当ip上升至参考值ip_2时，关断辅助开关管Sx，此模态结束。
2.开关模态2[t21-t22][对应于附图5]
t21时刻，开通原边开关管Sp，由于变压器激磁电感承受直流电源电压而继续储能，当原边电流ip上升至原边电流参考值ip_ref时，关断原边开关管Sp，此模态结束。
可以得到模式2电流基准ip_2表达式：
3.开关模态3[t22-t23][对应于附图10]
此阶段，隔离变压器激磁电感储存的能量向电网传递，副边电流is由参考值ip_ref/n线性下降到零。
4.开关模态4[t23-t24][对应于附图8]
此模态工作过程与模式1下的开关模态4一致，直到此开关周期结束。
图11是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流Iin、辅助电感电流iLx、解耦电容电压vx、并网电流igrid及电网电压vgrid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明能够有效抑制并网侧带来的直流输入端低频功率纹波。
从以上的描述可以得知，本发明提出的一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器具有以下几方面的优点：
1)增加的纹波抑制单元实现了并网侧脉动功率引起的直流电源端低频功率纹波的抑制。
2)逆变器中的电容均不需要采用容量大、可靠性低的电解电容，而通过采用容值小、长寿命的薄膜电容，实现了大幅度提高光伏并网逆变器使用寿命的目的，且逆变器效率高。
Claims (1)
1.一种无电解电容纹波抑制的高效率光伏并网逆变器，包括直流电源、输入电容(1)、原边开关管(2)、隔离变压器(3)、副边二极管(4)、滤波电容(5)、工频极性反转逆变桥(6)、滤波电感(7)及电网；其中直流电源的正极、输入电容(1)的一端和隔离变压器(3)原边绕组的同名端相连接，隔离变压器(3)原边绕组的异名端接原边开关管(2)的集电极，原边开关管(2)的发射极、输入电容(1)的另一端和直流电源的负极相连接；工频极性反转逆变桥(6)包括四个开关管，第一开关管的集电极和第二开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥(6)的正输入端，第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连构成工频极性反转逆变桥(6)的负输入端，第一开关管的发射极和第三开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥(6)的正输出端，第二开关管的发射极和第四开关管的集电极相连构成工频极性反转逆变桥(6)的负输出端，隔离变压器(3)副边绕组的异名端和副边二极管(4)的阳极相连接，副边二极管(4)的阴极、滤波电容(5)的一端和工频极性反转逆变桥(6)的正输入端相连接，工频极性反转逆变桥(6)的负输入端、滤波电容(5)的另一端和隔离变压器(3)副边绕组的同名端相连接，工频极性反转逆变桥(6)的正输出端接滤波电感(7)的一端，滤波电感(7)的另一端接电网的一端，电网的另一端接工频极性反转逆变桥(6)的负输出端；其特征在于：
还包括纹波抑制单元(8)；其中纹波抑制单元(8)包括一个解耦电容、两个辅助开关管、辅助电感和一个辅助二极管，第一辅助开关管的集电极接隔离变压器(3)原边绕组的同名端，第一辅助开关管的发射极、辅助电感的一端和辅助二极管的阴极相连接，辅助二极管的阳极、解耦电容的一端和第二辅助开关管的发射极相连接，第二辅助开关管的集电极接隔离变压器(3)原边绕组的异名端，解耦电容的另一端、辅助电感的另一端和直流电源的负极相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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