CN112994096B - 集成差分功率dmppt功能的正反激式光伏微型并网逆变器 - Google Patents

集成差分功率dmppt功能的正反激式光伏微型并网逆变器 Download PDF

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Abstract

一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器，是由1块具有n个光伏串的电池板、n个输入滤波电容、集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器、极性反转逆变桥依序级联构成。集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器由反激式直流变换器、正激式均压电路两部分构成，当主开关导通时，光伏电池板既对储能式变压器充磁又通过均压电路实现光伏电池串均压，变换器工作在正反激状态；当主开关关断时，储能式变压器向副边释能，变换器工作在反激状态。控制光伏串电压均衡时，可将失配导致的多峰特性转换为单峰特性，提高了光伏电池利用率。这种逆变器具有光伏电池利用率高、电路拓扑简洁、功率开关数量少、成本低等特点。

Description

集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器
技术领域：
本发明涉及光伏发电领域，特别涉及一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器，属于电力电子变换技术。
背景技术：
光伏发电具有清洁无污染、储量丰富等优点，已成为世界各国发展分布式发电系统的重要选择。然而，光伏发电系统常因光伏电池自身缺陷、运行过程中的局部遮挡和灰尘积垢等原因造成光伏电池功率失配问题。光伏电池功率失配不仅导致其输出功率的严重损失(10％-20％)，还将使光伏阵列的输出静态特性曲线呈现多峰值特性，同时失配的光伏电池还可能因为“热斑效应”而损坏。
现有的光伏微型并网逆变器通过在光伏电池串两端并联旁路二极管的方法来解决光伏电池阵列失配问题，该方案可防止产生“热斑效应”，但存在多峰现象且只能实现局部MPPT，光伏电池参数和老化程度在实际中会不同，污垢或房屋等对光伏板的遮挡会使光伏组件光照强度不同，发生局部阴影遮挡，这些都会使光伏组件的输出特性发生组件失配现象，不能实现DMPPT，光伏电池利用率低。
为了提高光伏电池利用率、减少光伏电池功率损失，学者们提出了直流优化模块式、差分功率优化式光伏DMPPT结构，分别如图1、图2所示。直流优化模块分布式结构是由多个直流变换器输出端并联或串联后再与一个共用的逆变器级联构成，具有易扩展、可靠性高等优点，但系统为两级功率变换，变换效率和系统成本均不够理想。差分功率优化分布式结构，光伏电池之间通过多个双向直流变换器连接实现阻抗匹配，大部分功率仅需通过单级逆变，用于处理不匹配功率的双向直流变换器容量小，但随着光伏电池模块数的增加，不匹配的功率需要经过多级功率变换且损耗较大。此外，上述两种DMPPT结构均需多个电流传感器和控制芯片来实现多个光伏电池的MPPT，控制成本高。因此，在解决光伏电池失配导致的功率损失问题的同时，如何减少电流传感器及控制芯片数量、提高变换效率和光伏电池利用率、提高系统集成度、降低系统成本，仍是光伏微型并网逆变器的重要研究方向。
因此，寻求一种集成DMPPT功能、低成本、高光伏电池利用率的光伏微型并网逆变器，是光伏发电领域的研究热点，具有良好的推广应用价值。
发明内容：
本发明的目的是提供一种集成DMPPT功能、低成本、高光伏电池利用率的光伏微型并网逆变器，为光伏微型并网逆变器的进一步推广应用提供一种有效方案。
本发明所采用的技术方案是：一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器，其特征在于：这种逆变器是由1块具有n个光伏串的电池板、n个输入滤波电容、集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器、极性反转逆变桥依序级联构成；其中，所述的n个光伏串为串联结构，并且每个光伏串与1个输入滤波电容并联；所述的集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器由反激式直流变换器、正激式均压电路两部分构成，实现了n个光伏串均压控制和并网电流控制；所述的极性反转逆变桥经滤波电感Lf与电网连接，将集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器输出的正弦双半波电压变换成正弦电压，经滤波电感Lf获得正弦并网电流。本发明所述的具有差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，由n个正激式均压电路和1个反激式直流变换器构成，其中，n个均压电路由n个二极管与n个变压器均压绕组串联而成，二极管阳极与变压器均压绕组同名端相连，阴极与输入滤波电容一端相连，输入滤波电容的另一端与光伏串负极相连；反激式直流变换器主绕组N1同名端与光伏电池板正极相连，主绕组N1异名端与主开关S漏极相连，主开关S源极与n个光伏串负极相连，主绕组N1与均压绕组Ni+2匝比满足n:1；所述的具有差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，其工作原理为当主开关导通时，光伏电池板既对储能式变压器充磁又通过均压电路实现光伏电池串均压，变换器工作在正反激状态；当主开关关断时，储能式变压器向副边释能，变换器工作在反激状态。具有差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，其变压器绕组结构可以具有不同的形式，一种为均压电路与光伏电池串数均为n个，每个均压电路与光伏电池并联；另一种均压电路数、光伏电池串数分别为n-1、n个，每个均压电路顺向串联二极管后与两个串联的光伏电池串并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明实现差分功率优化式DMPPT功能。
二、本发明电路结构简洁，功率器件少。
三、光伏电池均压电路无需额外电流传感器及控制电路，驱动电路简单，系统成本降低。
附图说明
图1为直流优化模块电路结构图。
图2为差分功率优化式电路结构图。
图3为光伏模块采用均压控制VE、旁路二极管BD方案的I-U和P-U曲线图。
图4为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器电路结构图。
图5为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器拓扑实施例1。
图6为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器拓扑实施例2。
图7为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器的控制框图。
图8为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器的原理波形。
图9为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器的电网电压正半周时的区间等效电路1。
图10为集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器的电网电压正半周时的区间等效电路2。
具体实施方式：
下面通过具体实例结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细的描述。以下是本发明所述的多绕组反激式变换电路的第一个实例(n＝3)，如图5所示，说明本发明第一种拓扑实例的具体工作方式。
对于光伏电池模型，学者们已开展了深入的研究，其等效电路模型和不考虑旁路二极管时的数学模型通常被采用，如式(1)所示。
其中，α、ISC0、ID0、q、A、K分别为标幺化光照强度(0≤α≤1)、标准光照下输出短路电流、无光时的饱和电流、电子电荷量、光伏电池理想因数、玻尔兹曼常数。
忽略光伏电池的温度变化和模型中的电阻Rsh、Rs，式(1)可简化为：
光伏电池的输出功率PPV与电压UPV的关系为：
当采用二极管旁路方法来解决光伏电池失配问题时，光伏电池的数学模型为
其中，IS0、x分别为旁路二极管的反向饱电流和理想化系数。
当光伏电池板中的3个电池串电压均衡后，光伏电池板最大功率点电压和最大功率分别为：
根据式6、式7可得采用均压控制(voltage equalization,VE)、旁路二极管(bypass diodes,BD)方案时，光伏模块的I-U和P-U特性曲线如图3所示。与BD方案相比，采用VE方案后，光伏模块的P-U特性曲线从多峰变为单峰，有利于光伏模块的MPPT寻优控制；采用BD方案时，在C点达到光伏模块的最大功率输出，仅为标幺值的1.54倍，而采用VE方案时，光伏模块的最大功率输出为1.9倍的标幺功率，相比于BD方案提升了23.4％的输出功率。当光照度不均匀使BD方案中两个子模块都退出运行时，VE方案提升效率最为明显，因此对光伏串进行均压控制能够显著提高光伏电池利用率。
本发明所提出的一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器通过均压电路控制光伏串电压均衡，提高光伏电池板利用率。图7和图8分别为正反激式光伏微型并网逆变器的控制框图和一个低频周期的关键波形图。图9～10为本发明所提出的逆变器第一实例工作于CCM模式下、低频周期正半周期时，一个高频开关周期内的各模态等效电路图。
开关模态一：主开关S导通，变换器工作在正反激状态，逆变器工作状态如图9所示，此时由于均压绕组与主绕组N1匝比关系为N3:N4:N5:N1＝1:1:1:3，3个光伏电池端电压满足式(8)。
此时储能式变压器原边N1绕组电流线性增加，满足式(9)。
其中，Lm、iLm分别是储能式变压器的励磁电感、励磁电感电流。
开关模态二：主开关关断后，逆变器工作在反激状态，储能式变压器中的能量通过极性反转逆变桥输出，实现功率传递，此时功率传输关系如图10所示。将反激变换器与正激变换器电路有机结合，组成一种兼备两者优点的集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，即在开关管导通和关闭时变压器都能传递能量，因此，正反激式直流变换器提髙了变压器的利用率和变换器的效率，完成光伏串均压控制，同时实现DMPPT功能。
其中，n12为储能式变压器N1与N2绕组匝数之比N1:N2，VCf为正反激式变换器副边绕组N2两端电压。
一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器通过采用多绕组正激式电路结构构成均压电路，实现均压控制，相比于传统的直流优化模块电路和多个二端口直流变换器构成的均压控制电路，电路结构得以简化，减少了主功率器件数量和辅助电路，有效地降低了系统成本；通过反激电路结构实现能量传递，控制储能式变压器副边输出电压正弦规律变化。
其中D为正反激式直流变换器工作在CCM模式下主开关S的导通占空比。
本发明所提出的一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器具有电路拓扑结构简单、功率变换级数少、功率开关管数量少、控制电路简单、系统集成度高、成本低等特点。其综合性能将比传统的光伏电池模块性能更为优越。

Claims (1)

1.一种集成差分功率DMPPT功能的正反激式光伏微型并网逆变器，其特征在于：这种逆变器是由1块具有n个光伏串的电池板、n个输入滤波电容、集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器、极性反转逆变桥依序级联构成；其中，所述n个光伏串为串联结构，并且每个光伏串与1个输入滤波电容并联；所述集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器由反激式直流变换器、正激式均压电路两部分构成，实现了n个光伏串均压控制和并网电流控制；所述极性反转逆变桥经滤波电感L f与电网连接，将集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器输出的正弦双半波电压变换成正弦电压，经滤波电感Lf获得正弦并网电流；
所述集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，由n个正激式均压电路和1个反激式直流变换器构成，其中，每个均压电路由1个二极管与1个变压器均压绕组串联而成，二极管阳极与变压器均压绕组同名端相连，阴极与输入滤波电容一端相连，输入滤波电容的另一端与变压器均压绕组异名端相连；反激式直流变换器中变压器的主绕组N1同名端与光伏电池板正极相连，主绕组N 1异名端与主开关S漏极相连，主开关S源极与n个光伏串负极相连，主绕组N 1与均压绕组Ni+2匝比满足n:1，正反激式变换器的副边绕组 N 2同名端与所述极性反转逆变桥的负极相连，副边绕组 N 2异名端经过二极管与极性反转逆变桥的正极相连；所述集成差分功率DMPPT功能的正反激式直流变换器，其工作原理为当主开关导通时，光伏电池板既对储能式变压器充磁又通过均压电路实现光伏电池串均压，变换器工作在正反激状态；当主开关关断时，储能式变压器向副边释能，变换器工作在反激状态。
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