CN109004675B - 一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源，设置高频变压器、开关控制电路、输入端绕组选择电路、电压检测电路和滞环比较电路，所述高频变压器的输入端为双绕组，输出端为单绕组，输入端绕组同名端分别接到光伏阵列输出端正极和直流母线侧正极；所述开关控制电路包括绕组相应的开关管、脉冲调制器及驱动电路；所述输入端绕组选择电路包括继电器、误差放大器，绕组切换信号输入继电器的控制端，实现切换选择绕组，所述电压检测电路采用电阻分压的方式获取直流母线电压，经光电耦合器输入到滞环比较电路；所述滞环比较电路，通过比较所述电压检测电路的输出信号和滞环参考信号的大小产生对输入端绕组的绕组切换信号。

Description

一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源

技术领域

本发明属于光伏逆变器辅助电源技术领域，尤其涉及一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源。

背景技术

在两级式光伏并网逆变器中，由于需要考虑孤岛效应，所以辅助电源必须脱离电网，因此其能量必须直接或间接地来源于光伏阵列，然而光伏阵列的输出电压范围较宽，并且不稳定，因此辅助电源的设计较为困难。若直接从光伏阵列取电，由于光伏阵列输出电压的变化范围很宽，很难满足一般电源的要求；若直接从直流母线侧取电，在上电初期，母线电压还未建立时，电压偏低，辅助电源不能正常工作或辅助电源输出电压不稳定，影响系统的安全，并且从母线侧取电需要辅助电源有较高的启动电压，这就使得，当光伏阵列的输出电压较低时，系统不工作，浪费了光伏阵列在低功率下所产生的电量。当系统即将停机时，整个系统同时断电，不能保证系统安全、可靠地退出工作。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足，提供一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源，增加了系统启动和停机时的稳定性与可靠性，增加了对光伏阵列的利用时间，达到提升两级式光伏并网逆变器整体效率的目的。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源，用于为两级式光伏并网逆变器提供辅助电源，两级式光伏并网逆变器包括光伏阵列，设置高频变压器、开关控制电路、输入端绕组选择电路、电压检测电路和滞环比较电路，

所述高频变压器的输入端为双绕组，分别记为绕组N_a和绕组N_b，输出端为单绕组，记为绕组N_c，且N_a:N_c＞N_b:N_c，输入端绕组同名端分别接到光伏阵列输出端正极和所述两级式光伏并网逆变器的直流母线侧正极；

所述开关控制电路包括开关管s_a和s_b、脉冲调制器及驱动电路，开关管s_a和s_b的漏极分别和高频变压器的绕组N_a、绕组N_b相连，源极和光伏阵列负极相连，栅极分别和相应的脉冲调制器及驱动电路相连；

所述输入端绕组选择电路包括继电器、误差放大器，绕组切换信号K输入继电器的控制端，实现切换选择N_a绕组或N_b绕组，继电器输出通道分别和开关管s_a和s_b相应的脉冲调制器及驱动电路相连，继电器的输入端为误差放大器的输出，误差放大器的反向输入端为辅助电源的输出信号，所述误差放大器的同相输入端为误差参考信号V_ref-out；

所述电压检测电路采用电阻分压的方式获取两级式光伏并网逆变器直流母线电压，经光电耦合器输入到滞环比较电路；

所述滞环比较电路，通过比较所述电压检测电路的输出信号和滞环参考信号U_ref的大小产生对输入端绕组的绕组切换信号K。

而且，当K＝1时，选择绕组N_a绕组，当K＝0时，选择绕组N_b。

而且，当光伏阵列工作在较低功率情况下，两级式光伏并网逆变器的直流母线电压V_dc较低，此时滞环比较器输出的绕组切换信号K＝1，选择绕组N_a为输入绕组，所述辅助电源输出电压

其中D为开关管的占空比，V_PV为光伏阵列的输入电压，当辅助电源输出直到光伏阵列的输出电压达到工作的启动电压时，两级式光伏并网逆变器的直流母线电压开始上升并且稳定在上限阈值U₂，通过滞环比较器的作用，绕组切换信号K＝0，切换绕组N_b。

而且，当选择绕组N_b为输入绕组，满足输出电压

当电压检测电路检测到两级式光伏并网逆变器的直流母线电压V_dc低于下限阈值U₁时，切换绕组N_a。

而且，设两级式光伏并网逆变器母线电压有下限阈值U₁和上限阈值U₂，绕组切换信号K的相应阈值电压分别为U'₁和U'₂，U'₁为U₁对应绕组切换信号K处的电压值，U'₂为U₂对应绕组切换信号K处的电压值。

本发明的有益效果是：

1、增加系统启动和停机时的稳定性与可靠性；

2、由于输入有两个绕组，所以增加了辅助电源的输入电压范围；

3、能自适应的切换辅助电源的输入绕组，增加了整个系统的鲁棒性；

4、由于增加对光伏阵列输出电能的利用时段，所以增加了光伏逆变器总的发电量。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的两级式光伏并网逆变器结构图。

图2为本发明实施例的辅助电源切换结构示意图。

图3为本发明实施例的辅助电源输入绕组选择控制电路示意图。

图4为本发明实施例的滞环比较器的电压传输特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

本发明实施例所涉及的光伏逆变器结构如附图1所示，是一种两级式光伏逆变器，包括依次连接的光伏阵列101、升压电路102、直流母线电容103、三相逆变桥104、LCL滤波器105、变压器106、EMI滤波器107。具体实施时，本发明技术方案也可用于其他两级式光伏逆变器结构。

所述升压电路102包括电容C_PV、电感L、开关管S₁、开关管S₂，电容C_PV并连在光伏阵列101两端，电感L与电容C_PV的正极和开关管S₁的漏极相连，开关管S₁的源极和电容C_PV的负极相连，开关管S₂的漏极和开关管S₁的漏极相连，即开关管S₁的漏极连接在电感L和开关管S₂的漏极之间。

所述直流母线电容103包括电容C_dc，电容C_dc的正极和开关管S₂的源极相连，电容C_dc的负极和开关管S₁的源极相连。

所述三相逆变桥104包括开关管S₃、开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆、开关管S₇、开关管S₈，开关管S₃的漏极分别和开关管S₅、开关管S₇的漏极相连，开关管S₃的源极和开关管S₄的漏极相连(连接点记为a)，开关管S₅的源极和开关管S₆的漏极相连(连接点记为b)，开关管S₇的源极和开关管S₈的漏极相连(连接点记为c)，开关管S₄的源极分别和开关管S₆、开关管S₈的源极相连。

所述LCL滤波器105包括三个单相滤波器，每个单相滤波器分别包括逆变侧电感L₁、网侧电感L₂和滤波电容C，三个逆变侧电感L₁分别和开关管S₃、开关管S₅、开关管S₇的源极相连，每相中网侧电感L₂串接在相应逆变侧电感L₁和变压器106之间，各滤波电容C的负极相连，各滤波电容C的正极分别和相应逆变侧电感L₁相连。

EMI滤波器107的输入端和变压器106相连，EMI滤波器107的输出端和电网相连，包括连接电网的A、B、C三相。

该两级式光伏逆变器的母线电压设定为650V，启动电压为150V，光伏阵列的最大功率点电压为U_mpp＝341V，根据该两级式光伏逆变器本发明公开一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源，至少包括：高频变压器201、开关控制电路202、输入端绕组选择电路203、电压检测电路301和滞环比较电路302。其中，辅助电源切换结构部分包括高频变压器201、开关控制电路202、输入端绕组选择电路203，如图2；输入绕组选择控制电路包括电压检测电路301和滞环比较电路302，如图3。

所述高频变压器的输入端为双绕组，分别记为绕组N_a和绕组N_b，输出端为单绕组，记为绕组N_c，且N_a:N_c＞N_b:N_c，输入端绕组同名端分别接到光伏阵列输出端正极和所述两级式逆变器的直流母线侧正极。

实施例中，所述高频变压器201如图2所示，其输入端为双绕组，N_a端和N_b端为输入端的正极，N₀为输入端的负极，滤波电容C_a、C_b的正极分别与N_a绕组和N_b绕组相连，滤波电容C_a、C_b的负极与N₀端相连，高频变压器201的输出端为单绕组N_c，与二极管D₁的正极相连，二极管D₁的负极为所述辅助电源的正极V_o+，滤波电容C₀的正极与自适应切换绕组的宽输入辅助电源的正极V_o+相连，滤波电容C₀的负极与自适应切换绕组的宽输入辅助电源的负极V_o-相连，所述高频变压器201输入端绕组N_a、N_b的同名端分别接到光伏阵列101的输出端正极和所述直流母线电容103中电容C_dc的正极，异名端分别和开关控制电路202中开关管S_a、S_b的漏极相连。根据需求，辅助电源输出电压V_o需要110V的直流电，输入输出电压和绕组的关系式为

其中，V_dc为光伏阵列的母线电压，即两级式光伏并网逆变器的直流母线电压；V_PV为光伏阵列的输入电压。

实施例中，为保证光伏阵列101的输出电压在150V时，逆变器能启动工作，取N_a:N_c＝15:11；同时为保证直流母线103作为供电电源时，辅助电源的输出也为110V，取N_b:N_c＝65:11。

所述开关控制电路包括开关管s_a和s_b，其漏极分别和所述高频变压器的两输入绕组相连，源极和所述光伏阵列负极相连，栅极分别和脉冲调制器及驱动电路相连。

实施例中，所述开关控制电路202如图2所示，包括开关管s_a和s_b，以及与分别相应连接的脉冲调制器及驱动电路。开关管s_a、s_b的漏极分别和所述高频变压器201的两输入端绕组N_a、N_b相连，源极和所述光伏阵列101负极相连，栅极分别和相应脉冲调制器及驱动电路相连。

所述输入端绕组选择电路包括继电器、误差放大器，绕组切换信号K控制继电器，达到切换信号通道的目的，继电器输出通道分别和所述脉冲调制器及驱动相连，继电器的输入端为误差放大器的输出，误差放大器的反向输入端为辅助电源的输出信号，所述误差放大器的同相输入端为误差参考信号。

实施例中，输入端绕组选择电路203如图2所示，包括继电器KV、误差放大器EA，继电器KV和误差放大器EA相连。滞环比较电路302输出的绕组切换信号K控制继电器KV，达到切换信号通道的目的，继电器KV的两路输出通道分别和开关控制电路202中相应脉冲调制器及驱动电路相连，继电器KV的输入端为误差放大器EA的输出，误差放大器EA的反向输入端为辅助电源输出端电容C_o两端的电压信号V_o+(正极)、V_o-(负极)，所述误差放大器EA的同相输入端为给定的误差参考信号V_ref-out，其中误差参考信号V_ref-out由可调电阻R_a和固定电阻R_b对电源U_E分压得到，调节可调电阻R_a的阻值，可调节本发明所提供辅助电源(反激电源)的输出电压。电源U_E是为自适应切换绕组的宽输入辅助电源提供有源的外接电源。

所述电压检测电路采用电阻分压的方式获取所述两级式光伏逆变器直流母线电压，其输入端分别和所述两级式光伏逆变器的母线电压的正极、负极相连，将输出电压送到光电耦合器的输入端。

实施例中，所述电压检测电路301如图3采用电阻分压的方式获取所述两级式光伏逆变器直流母线电压，电压检测电路301包括电阻R₁、电阻R₂、光电耦合器PC、电阻R₃、电阻R₄，电阻R₁和电阻R₂串联，电阻R₁另一端和所述直流母线电容103的正极相连，电阻R₂的另一端和直流母线电容103的负极相连，将电阻R₂两端的电压作为输出电压送到光电耦合器PC的输入端，光电耦合器PC的输出电源端通过电阻R₃与电源U_E相连，光电耦合器PC的输出信号端通过电阻R₄接地。实施例中根据母线电压的大小取R₁＝52.3kΩ，R₂＝122.3Ω。

所述滞环比较电路通过比较所述电压检测电路的输出信号和滞环参考信号的大小产生对输入端绕组的控制信号，即绕组切换信号K。当K＝1时，选择N_a绕组；当K＝0时，选择N_b绕组。该绕组切换信号K和所述继电器的控制端相连。其阈值电压分别为：

分别对应母线电压的下限阈值U₁和上限阈值U₂。即U'₁和U'₂分别为U₁和U₂对应绕组切换信号K处的电压值。

下限阈值U₁为所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源的输入由母线电压切换到光伏阵列时，母线电压的阈值电压；上限阈值U₂为所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源的输入由光伏阵列切换到母线电压时，母线电压的阈值电压。

实施例中，所述滞环比较电路302如图3所示，滞环比较电路302包括电压比较器VC、电阻R₅、电阻R₆、电阻R₇、电阻R₈和电阻R₉。电压比较器VC的同相输入端和电阻R₅相连，电阻R₅的另一端接入参考信号U_ref，滞环参考信号U_ref可由电阻对电源U_E分压得到，为了满足所需的U₁和U₂，电阻R₅、R₈以及U_ref需要根据公式

合理选取，电压比较器VC的反向输入端和电阻R₆相连，电阻R₆的另一端和光电耦合器PC的输出相连，电阻R₈并连在电压比较器VC的同相输入端和输出端；电压比较器VC的输出端接电阻R₇，并且通过连接电阻R₉，和电源U_E相连，其中U_E为电压比较器VC的供电电源，利用所述电压检测电路301的输出信号和滞环参考信号U_ref产生对所述辅助电源输入端绕组的绕组切换信号K。

滞环比较电路302的滞环电压传输特性如图4所示，当K＝1时，选择N_a绕组；当K＝0时，选择N_b绕组。该绕组切换信号K和所述继电器的控制端相连，其阈值电压分别为：

所述一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源可在以下两种情形下运行：

情形一，选择N_a绕组为输入，具体包括：

当光伏阵列工作在较低功率(低于一般光伏逆变器刚启动时的输入电压)情况下，由于其母线电压V_dc较低(低于逆变器正常工作时的母线电压)，此时滞环比较器302输出的绕组切换信号K＝1，选择N_a绕组为输入绕组，所述辅助电源输出电压：

其中D为开关管S_a的占空比，当所述辅助电源输出稳定后，为所述光伏逆变器的控制器供电，待光伏逆变器的控制系统检测到光伏阵列的输出电压达到其工作的启动电压150V时，控制升压电路102工作，此时所述光伏逆变器的直流母线电容103电压开始上升并且稳定在上限阈值U₂＝650V，通过滞环比较器302的作用，绕组切换信号K＝0，辅助电源切换绕组为N_b，此时所述辅助电源便转换工作方式为情形二。

情形二，选择N_b绕组为输入，具体包括：

当电压检测电路301检测到所述光伏逆变器的直流母线电容103电压达到上限阈值U₂＝650V时，所述辅助电源工作在情形二，此时选择N_b为输入绕组，满足其输出电压：

D'为开关管S_b的占空比；当电压检测电路301检测到所述光伏逆变器的直流母线电容103电压低于下限阈值U₁＝600V时，所述辅助电源转换工作方式为情形一，此时由于光伏阵列的输出功率过低，不能满足所述光伏逆变器前级电路(即升压电路102)升压要求，所以需要光伏逆变器停止工作，因为所述辅助电源仍在正常工作，因此可以继续给所述光伏逆变器的控制器和电子开关供电，保证所述光伏逆变器正常有序退出工作状态。

以上所述为本发明的一种实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种自适应切换绕组的宽输入辅助电源，用于为两级式光伏并网逆变器提供辅助电源，两级式光伏并网逆变器包括光伏阵列，其特征在于：设置高频变压器、开关控制电路、输入端绕组选择电路、电压检测电路和滞环比较电路，

所述高频变压器的输入端为双绕组，分别记为绕组N_a和绕组N_b，输出端为单绕组，记为绕组N_c，且N_a:N_c＞N_b:N_c，输入端绕组同名端分别接到光伏阵列输出端正极和所述两级式光伏并网逆变器的直流母线侧正极；

所述开关控制电路包括开关管s_a和s_b、脉冲调制器及驱动电路，开关管s_a和s_b的漏极分别和高频变压器的绕组N_a、绕组N_b异名端相连，源极和光伏阵列负极相连，栅极分别和相应的脉冲调制器及驱动电路相连；

所述输入端绕组选择电路包括继电器、误差放大器，绕组切换信号K输入继电器的控制端，实现切换选择N_a绕组或N_b绕组，继电器输出通道分别和开关管s_a和s_b相应的脉冲调制器及驱动电路相连，继电器的输入端为误差放大器的输出，误差放大器的反向输入端为辅助电源的输出信号，所述误差放大器的同相输入端为误差参考信号V_ref-out；

所述电压检测电路采用电阻分压的方式获取两级式光伏并网逆变器直流母线电压，经光电耦合器输入到滞环比较电路；

所述滞环比较电路，通过比较所述电压检测电路的输出信号和滞环参考信号U_ref的大小产生对输入端绕组的绕组切换信号K。

2.根据权利要求1所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源，其特征在于：当K＝1时，选择绕组N_a绕组，当K＝0时，选择绕组N_b。

3.根据权利要求2所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源，其特征在于：当光伏阵列工作在较低功率情况下，两级式光伏并网逆变器的直流母线电压V_dc较低，此时滞环比较器输出的绕组切换信号K＝1，选择绕组N_a为输入绕组，所述辅助电源输出电压

其中D为开关管的占空比，V_PV为光伏阵列的输入电压，当辅助电源输出直到光伏阵列的输出电压达到工作的启动电压时，两级式光伏并网逆变器的直流母线电压开始上升并且稳定在上限阈值U₂，通过滞环比较器的作用，绕组切换信号K＝0，切换绕组N_b。

4.根据权利要求3所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源，其特征在于：当选择绕组N_b为输入绕组，N_b的同名端接到直流母线侧正极，输入电压为直流母线电压V_dc，输出电压

当电压检测电路检测到两级式光伏并网逆变器的直流母线电压V_dc低于下限阈值U₁时，切换绕组N_a。

5.根据权利要求2或3或4所述自适应切换绕组的宽输入辅助电源，其特征在于：设两级式光伏并网逆变器母线电压有下限阈值U₁和上限阈值U₂，绕组切换信号K的相应阈值电压分别为U′₁和U′₂，U′₁为U₁对应绕组切换信号K处的电压值，U′₂为U₂对应绕组切换信号K处的电压值。

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