CN111917305A - 一种高频链结构独立光伏逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频链结构独立光伏逆变器,由高频逆变器、高频整流器、直流滤波器和SPWM逆变器组成,其中高频逆变器和高频整流器组成高频链环节;高频逆变器采用四个结构相同的推挽逆变器组合而成,四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接,高频逆变器输出端与高频整流器的输入端相连接,高频整流器的输出端与直流滤波器相连接,直流滤波器再与SPWM逆变器相连接;本发明高频链结构独立光伏逆变器既具有较高的功率密度和变换效率,又使其中的开关管具有较低的电压、电流应力,提高了逆变器的工作可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频链结构独立光伏逆变器,属于光伏发电技术领域。
背景技术
太阳能清洁环保、普遍存在、储量丰富,它的开发利用是解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。随着日益迫切的节能减排需求,太阳能必将成为最有应用前景的新型能源之一。
离网型独立光伏发电作为太阳能利用的一种重要方式,在高山、海岛、边远地区、农村地区、野外作业、移动办公、远离电网的移动通信基站、航空飞行器及空间站等场合均有广泛的应用。太阳能电池板发出的是低压直流电,但多数应用场合需要220V/50Hz交流电,因此典型的独立光伏发电系统中具有升压和逆变作用的逆变器必不可少。逆变器是太阳能发电系统的核心部件,它将低压直流电转换成220V/50Hz交流电,它的设计对发电系统电能输出质量、稳定性等具有重要影响。
传统的独立光伏发电系统中逆变器一般采用工频变压器隔离升压,具有结构简单,抗冲击能力强等优点,但存在体积大、重量重、转换效率低等缺点。高频链逆变技术采用高频脉冲变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器实现能量传输,可大大减小电源的体积,减轻电源重量,提高设备的安全性,因此该技术成为独立光伏逆变器重要的研究方向之一。
发明内容
本发明的目的在于克服传统独立光伏发电逆变器采用工频变压器隔离升压导致的体积大、重量重、转换效率低等缺点,提供一种高频链结构独立光伏逆变器,采用高频变压器实现电能传输和变换。
一种高频链结构独立光伏逆变器,其特征是包括高频逆变器、高频整流器、直流滤波器和SPWM逆变器四部分,其中高频逆变器和高频整流器组成高频链环节;
所述高频逆变器采用结构相同的推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4组合而成,四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接;
所述高频逆变器输出端与高频整流器的输入端相连接;所述高频整流器的输出端与直流滤波器相连接,所述直流滤波器再与SPWM逆变器相连接;
所述推挽逆变器1由上管Q11、下管Q12、带有中心抽头的高频变压器T1组成,变压器T1的两个初级线圈的匝数分别为N11和N11’,次级线圈匝数为N12;所述推挽逆变器2由上管Q21、下管Q22、带有中心抽头的高频变压器T2组成,变压器T2的两个初级线圈的匝数分别为N21和N21’,次级线圈匝数为N22;所述推挽逆变器3由上管Q31、下管Q32、带有中心抽头的高频变压器T3组成,变压器T3的两个初级线圈的匝数分别为N31和N31’,次级线圈匝数为N32;所述推挽逆变器4由上管Q41、下管Q42、带有中心抽头的高频变压器T4组成,变压器的两个初级线圈的匝数分别为N41和N41’,次级匝数为N42;
所述推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4的上管Q11、Q21、Q31、Q41采用相同的驱动信号进行驱动,下管Q12、Q22、Q32、Q42采用相同的驱动信号进行驱动。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:本发明采用高频逆变器和高频整流器组成的高频链结构实现光伏逆变器的升压与隔离,同时在高频逆变器环节采用了四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接的组合推挽电路设计方案,可以使光伏逆变器在输入电压低、输出功率等级高的情况下,既具有较高的功率密度和变换效率,又使得开关管具有较低的电压、电流应力,提高逆变器的工作可靠性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,在附图中:
图1为高频链结构独立光伏逆变器电路组成图;
图2为高频链结构独立光伏逆变器的结构简图;
图3组合推挽电路;
图4推挽电路工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,一种高频链结构独立光伏逆变器,包括高频逆变器、高频整流器、直流滤波器和SPWM逆变器四部分,其中高频逆变器和高频整流器组成高频链环节;
所述高频逆变器采用结构相同的推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4组合而成,四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接;
所述高频逆变器输出端与高频整流器的输入端相连接;所述高频整流器的输出端与直流滤波器相连接,所述直流滤波器再与SPWM逆变器相连接;
所述推挽逆变器1由上管Q11、下管Q12、带有中心抽头的高频变压器T1组成,变压器T1的两个初级线圈的匝数分别为N11和N11’,次级线圈匝数为N12;所述推挽逆变器2由上管Q21、下管Q22、带有中心抽头的高频变压器T2组成,变压器T2的两个初级线圈的匝数分别为N21和N21’,次级线圈匝数为N22;所述推挽逆变器3由上管Q31、下管Q32、带有中心抽头的高频变压器T3组成,变压器T3的两个初级线圈的匝数分别为N31和N31’,次级线圈匝数为N32;所述推挽逆变器4由上管Q41、下管Q42、带有中心抽头的高频变压器T4组成,变压器的两个初级线圈的匝数分别为N41和N41’,次级匝数为N42;
所述推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4的上管Q11、Q21、Q31、Q41采用相同的驱动信号进行驱动,下管Q12、Q22、Q32、Q42采用相同的驱动信号进行驱动。
为了说明原理,将图1所示的高频链结构独立光伏逆变器的电路用图2所示的结构简图表示,整个电路可以分为前级DC/DC变换和后级DC/AC变换两部分。
前级DC/DC变换由高频链环节与滤波器组成,高频链环节包括高频逆变器高频整流器,起电气隔离与升压作用,先将低压直流经高频逆变器中的开关管斩波为高频低压方波,然后经高频逆变器中的高频变压器变换为高频高压方波交流电,再经整流与滤波,变换为高压直流电。后级DC/AC变换将高压直流经SPWM逆变器环节,变为220V/50Hz正弦波交流电。
在多管逆变器拓扑中,推挽方波逆变器两个开关管被控轮流交替工作,不存在直通的可能,驱动简单,输出电压波形对称,在整个工作周期之内电路输入的功率均可以输出给负载,具有电压输出特性好,电路利用率高,在输入电压很低的情况下,能够维持较大输出功率的优点,因此图2中前级高频逆变器采用推挽电路拓扑。
由于逆变器最终要输出220V正弦交流电,所以前级输出的高压直流电压等级为1.414×220V=312V
为保证重载时输出电压下降后仍能有220V交流输出,高压直流留有15%余量,故高压直流的电压等级取为360V。
鉴于单级推挽电路功率难以超过1kW,输出电压难以达到360V高压,因此采用组合推挽电路方案,即设计四个相同的推挽逆变器1~推挽逆变器4,将四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接的方案进行组合。组合推挽电路如图3所示,四个上管Q11~Q41采用相同的驱动uG1,四个下管Q12~Q42采用相同的驱动uG2。由于每个变压器只需承担总输出功率的1/4,次级只需输出总电压的1/4,这样大大减小了每个开关管承受的电压、电流应力。
因为全桥电路无变压器偏磁问题,输出电压高,适合于大功率场合,所以图2中后级DC/AC变换采用全桥逆变器,采用SPWM控制策略驱动。
图3中四个高频推挽逆变器的工作原理相同,以最上面的推挽逆变器1来分析,它由两个开关管Q11和Q12、一个带有中心抽头的变压器T1组成,变压器T1初级线圈由中心抽头分为N11和N11’两部分,两个开关管的漏极各连接到N11和N11’的一端,直流电源Ui接在变压器中心抽头和两个开关管源极之间,电路工作波形图如图4所示。
图4中,uG1和uG2为在开关管Q11和Q12栅极输入的相差180°的矩形脉冲,用来驱动Q11和Q12交替导通,iN11和iN11’为两个初级绕组中的电流,u12为变压器次级输出的方波电压。
当Q11导通、Q12截止时,输入电压加于初级绕组N11两端,变压器“”端感应电势为正,u12输出正半周;当Q12导通、Q11截止时,输入电压加于N11’两端,变压器“”端感应电势为负,u12输出负半周。设N11=N11’=N1,故u12输出为交流方波电压,幅值大小为:
式中n=N12/N11=N12/N11’=N2/N1为变压器变比。
四个推挽逆变器的次级电压u12~u42叠加之后的输出电压为u2,其幅值大小为:
u2=4nUi (2)
组合推挽电路用初级并联、次级串联的4个变压器T1~T4取代了传统的单变压器,4个推挽电路采用同时序的控制信号,电路结构各自独立,优点如下:(1)单个变压器次级匝数减为单变压器时的1/4,同样输入电压下,由于漏感近似与绕组匝数平方成正比,因此每个变压器漏感较小。(2)次级/初级匝数比降低,低匝数比减小了变压器层间分布电容,较好的解决了初次级耦合的问题,降低了漏感。(3)当输出功率一定时,每个变压器传输功率为单变压器时的1/4,变压器初级峰值电流和开关管的电流都减为1/4。由于变压器初级峰值电流和漏感都比单变压器时小,开关管关断瞬间承受的最大电压就比单变压器时小很多。(4)由于开关管开通时流过的电流和关断时承受的电压都比单变压器时小,所以开关管的导通损耗和关断损耗都将减小。(5)变压器的铜损与电流的有效值平方成正比,因此每个变压器的铜损将减小为单变压器时的1/16,4个串联后总铜损也只有单个时的1/4。低的铜损还可以降低变压器的温升,有效提高效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (2)
1.一种高频链结构独立光伏逆变器,其特征是包括高频逆变器、高频整流器、直流滤波器和SPWM逆变器四部分,其中高频逆变器和高频整流器组成高频链环节;
所述高频逆变器采用结构相同的推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4组合而成,四个推挽逆变器的直流输入端并联连接、交流输出端串联连接;
所述高频逆变器输出端与高频整流器的输入端相连接;所述高频整流器的输出端与直流滤波器相连接,所述直流滤波器再与SPWM逆变器相连接;
所述推挽逆变器1由上管Q11、下管Q12、带有中心抽头的高频变压器T1组成,变压器T1的两个初级线圈的匝数分别为N11和N11’,次级线圈匝数为N12;所述推挽逆变器2由上管Q21、下管Q22、带有中心抽头的高频变压器T2组成,变压器T2的两个初级线圈的匝数分别为N21和N21’,次级线圈匝数为N22;所述推挽逆变器3由上管Q31、下管Q32、带有中心抽头的高频变压器T3组成,变压器T3的两个初级线圈的匝数分别为N31和N31’,次级线圈匝数为N32;所述推挽逆变器4由上管Q41、下管Q42、带有中心抽头的高频变压器T4组成,变压器的两个初级线圈的匝数分别为N41和N41’,次级匝数为N42。
2.根据权利要求1所述的一种高频链结构独立光伏逆变器,其特征是所述推挽逆变器1、推挽逆变器2、推挽逆变器3、推挽逆变器4的上管Q11、Q21、Q31、Q41采用相同的驱动信号进行驱动,下管Q12、Q22、Q32、Q42采用相同的驱动信号进行驱动。
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