CN113037086B - 一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器,本发明中的光伏储能逆变器包括包括由Boost电路、高频功率开关管Q1和功率二极管D1构成的变压电路，变压电路的一端连接有光伏组件，变压电路的另一端依次连接有母线电容C1和DC/AC逆变电路，所述Boost电路包括功率电感L1、功率二极管D2和高频功率开关管Q2，高频功率开关管Q1位于光伏组件和功率电感L1之间，功率二极管D1的负极连接在高频功率开关管Q1和功率电感L1之间，正极分别与光伏组件和母线电容C1连接。本发明具有在光伏功率限制状态下可以提高逆变电路的使用可靠性、延长使用寿命、降低了母线电容耐压要求、提高工作效率、减少损耗的特点。

Description

一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器
技术领域
本发明涉及一种光伏储能逆变器，特别是一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器。
背景技术
现有的光伏储能逆变器的结构如图1所示，包括升压电路和DC/AC逆变电路，升压电路和DC/AC逆变电路之间连接有母线电容C1，升压电路上连接有光伏组件，DC/AC逆变电路上连接有电网和负载，升压电路为boost电路，包括功率二极管D2、功率电感L1和高频功率开关管Q2，控制单元通过PWM2对高频功率开关管Q2进行控制，起到升压的作用。当升压电路工作时，母线电容C1上的母线电压会高于输入的光伏组件的电压；不工作时，母线电容C1上的母线电压约为输入的光伏组件电压。
当前由于光伏能量占比越来越高，越来越多的国外的电力公司要求光伏并网逆变器和光伏储能逆变器的发电电量要全部自发自用，就地进行负载消耗，不允许把多余的电量输送到公共电网上，以免造成公共电网谐波变差，输送负载重等问题。这就要求在本地负载比较小的时候，光伏逆变器以及光伏储能逆变器必须能够限制自己的输出功率。但是在这种情况下，光伏组件的功率就不能按最大追踪功率进行输出，需要将功率追踪点追踪到最大功率追踪点的右边(如图2所示)，追到光伏组件开路电压最近。特别是光伏储能逆变器在离网工作的时候，如果外部负载为零，且电池已经充满，这个时候就要求光伏输出功率为零。
由于功率追踪点追踪到了开路电压附近，功率完全限制的时候甚至会直接追踪到开路电压，从而导致母线电压(母线电容C1两端的电压)会非常高，逆变器的所有功率开关管的电压应力都会比较高，影响到逆变器的可靠性和使用寿命。因此，对于需要光伏限功率工作的的光伏储能逆变器，存在可靠性变差、使用寿命大大缩短的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器。本发明具有在光伏功率限制状态下可以提高逆变电路的使用可靠性、延长使用寿命的特点，还具有降低了母线电容耐压要求、提高工作效率、减少损耗的特点。
本发明的技术方案：一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器，包括由Boost电路、高频功率开关管Q1和功率二极管D1构成的变压电路，变压电路的一端连接有光伏组件，变压电路的另一端依次连接有母线电容C1和DC/AC逆变电路，所述Boost电路包括功率电感L1、功率二极管D2和高频功率开关管Q2，高频功率开关管Q1位于光伏组件的正极和功率电感L1之间，功率二极管D1的负极连接在高频功率开关管Q1和功率电感L1之间，功率二极管D1的正极分别与光伏组件的负极和母线电容C1连接；控制单元通过PWM1与高频功率开关Q1连接控制，控制单元通过PWM2与高频功率开关管Q2连接控制；
当UPV>UC1/Dmax时，控制单元控制高频功率开关管Q1高频开和关，高频功率开关管Q2常关，高频功率开关管Q1的PWM1的占空比D＝UC1/UPV；
当UC1/Dmax≥UPV≥UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同步高频开和关，PWM1和PWM2的占空比均为D＝UC1/(UPV+UC1)；
当UPV<UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q2高频开和关，高频功率开关管Q1常开，高频功率开关管Q2的PWM2的占空比D＝1-UPV/UC1；
其中，UPV表示光伏输入电压，UC1表示母线电压，Dmax表示PWM1以及PWM2的最大占空比，Dmin表示PWM1以及PWM2的最小占空比。
前述的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器中，所述DC/AC逆变电路上连接电网和负载，母线电容C1和DC/AC逆变电路之间还通过双向DC/DC电路与电池连接。
前述的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器中，还包括当光伏储能逆变器需要限制输出功率为0时，控制单元控制高频功率开关管Q1长关。
前述的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器中，所述母线电压UC1为市电电压的峰值或电池电压值加上差值ΔU，ΔU为20～50V。
与现有技术相比，本发明设置了变压电路，在控制单元的控制下，可以实现升压和降压的功能，即可以控制母线电容C1上的母线电压比光伏输入电压低或高，不但可以有效降低在光伏逆变器和光伏储能逆变器在被限制功率输出时的母线电容电压和对母线电容的耐压要求，还大大提升高频功率开关管的耐压裕量，延长使用寿命，而且母线电压的降低也可以提高逆变电路和双向DC/DC电路的工作效率，减少损耗；
通过对高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2开闭的控制方法，可以有效解决在输入电压在母线电压附近时由于占空比过小导致的输出电压不稳定问题，而且可以使母线电压一直控制在期望值，可以有效保障母线的稳定控制，提高了使用可靠性。
因此，本发明具有在光伏功率限制状态下可以提高逆变电路的使用可靠性、延长使用寿命的特点，还具有降低了母线电容耐压要求、提高工作效率、减少损耗的特点。
附图说明
图1是现有技术中光伏储能逆变器的结构示意图；
图2是现有技术中功率追踪示意图；
图3是本发明的光伏储能逆变器的结构示意图；
图4是PWM波形示意图；
图5是高频功率开关管Q1开、高频功率开关管Q2关时的电流流向示意图；
图6是高频功率开关管Q1关、高频功率开关管Q2关时的电流流向示意图；
图7是高频功率开关管Q1、高频功率开关管Q2同时开时的电流流向示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：
本发明的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器，如图3所示，包括由Boost电路、高频功率开关管Q1和功率二极管D1构成的变压电路，变压电路的一端连接有光伏组件，变压电路的另一端依次连接有母线电容C1和DC/AC逆变电路，所述Boost电路包括功率电感L1、功率二极管D2和高频功率开关管Q2，高频功率开关管Q1位于光伏组件的正极和功率电感L1之间，高频功率开关管Q1依次与功率电感L1和功率二极管D2串联，功率二极管D2的负极与母线电容C1的一端连接，功率二极管D1的负极连接在高频功率开关管Q1和功率电感L1之间，高频功率开关管Q2的源极连接在功率电感L1和功率二极管D2之间，功率二极管D1的正极、高频功率开关管Q2的漏极均与光伏组件的负极和母线电容C1的另一端连接。控制单元通过PWM1与高频功率开关Q1连接控制，控制单元通过PWM2与高频功率开关管Q2连接控制。所述DC/AC逆变电路上连接电网和负载，母线电容C1和DC/AC逆变电路之间还通过双向DC/DC电路与电池连接。
本发明通过设置的变压电路，在控制单元的控制下，可以实现升压和降压的功能，即可以控制母线电容C1上的母线电压比光伏输入电压低或高，即使光伏输入电压是580V，母线电压也可以根据需要控制到一个比较低的电压，比如360V，不但可以有效降低在光伏逆变器和光伏储能逆变器在被限制功率输出时的母线电容电压以及对母线电容的耐压要求，而且对于逆变电路和双向DC/DC电路，功率开关管的耐压裕量大大提升；进一步，母线电压的降低也可以提高逆变电路和双向DC/DC电路的工作效率。
对于上述的光伏储能逆变器的控制方法，包括判断UPV、UC1/Dmax和UC1(1-Dmin)之间的大小，其中UPV表示光伏输入电压，UC1表示需要控制的母线电压，即变压电路的输出电压，Dmax表示PWM1以及PWM2的最大占空比，Dmin表示PWM1以及PWM2的最小占空比；所述母线电压UC1为市电电压的峰值或电池电压值加上差值ΔU，ΔU为20～50V。
(1)当UPV>UC1/Dmax时，控制单元控制高频功率开关管Q1高频开和关，高频功率开关管Q2常关，高频功率开关管Q1的PWM1的占空比D＝UC1/UPV。该情况下，变压电路处于降压的工作模式，变压电路的输出电压UC1比光伏输入电压UPV低，而且DC/AC逆变电路的功率开关管应力裕量提高，降低了对母线电容C1的耐压要求。
以光伏逆变器为例，高频功率开关管的开关频率一般在20Khz左右，PWM的波形如图4所示。
在该情况下，当高频功率开关管Q1开，高频功率开关管Q2关时，电流流向如图5所示。
当高频功率开关管Q1关，高频功率开关管Q2关时，电流流向如图6所示。
(2)当UC1/Dmax≥UPV≥UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同步高频开和关，PWM1和PWM2的占空比均为D＝UC1/(UPV+UC1)；在该情况下，变压电路的母线电压UC1可调整至比光伏输入电压UPV高或者比光伏输入电压UPV低。即当母线电压UC1和光伏输入电压UPV比较接近的时候，占空比基本在50％附近，不会有占空比超过限值的风险，保证了控制的稳定性。
在该情况下，当高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同时开时，电流流向如图7所示。
当高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同时关时，电流流向如图6所示。
(3)当UPV<UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q2高频开和关，高频功率开关管Q1常开，高频功率开关管Q2的PWM2的占空比D＝1-UPV/UC1。在该情况下，变压电路为升压的工作模式。
在该情况下，当高频功率开关管Q2开，高频功率开关管Q1开时，电流流向如图7所示。
当高频功率开关管Q2关，高频功率开关管Q1开时，电流流向如图5所示。
当光伏输入电压UPV和想要的母线电压UC1电压差值较大，如UPV>UC1/Dmax时和UPV<UC1(1-Dmin)时，高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2只有一个开关管进行高频工作，有效降低了功率开关管的开关损耗，减少了光伏到母线的效率损失，提高了电路效率；而当光伏输入电压和想要控制的母线目标电压值非常接近时，如UC1/Dmax≥UPV≥UC1(1-Dmin)时，采用高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同时高频工作，有效保障母线的稳定控制，可以有效解决由于PWM的最大占空比和最小占空比限制导致的母线电压控制不稳的问题。
(4)当光伏储能逆变器需要限制输出功率为0时，控制单元控制高频功率开关管Q1长关。由于高频功率开关管Q1常关，则光伏功率就无法输入到逆变电路处，且光伏输入电压不会把母线电压抬高，延长使用寿命。

Claims (3)

1.一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器，其特征在于：包括由Boost电路、高频功率开关管Q1和功率二极管D1构成的变压电路，变压电路的一端连接有光伏组件，变压电路的另一端依次连接有母线电容C1和DC/AC逆变电路，所述Boost电路包括功率电感L1、功率二极管D2和高频功率开关管Q2，高频功率开关管Q1位于光伏组件的正极和功率电感L1之间，功率二极管D1的负极连接在高频功率开关管Q1和功率电感L1之间，功率二极管D1的正极分别与光伏组件的负极和母线电容C1连接；控制单元通过PWM1与高频功率开关Q1连接控制，控制单元通过PWM2与高频功率开关管Q2连接控制；
当UPV>UC1/Dmax时，控制单元控制高频功率开关管Q1高频开和关，高频功率开关管Q2常关，高频功率开关管Q1的PWM1的占空比D＝UC1/UPV；
当UC1/Dmax≥UPV≥UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q1和高频功率开关管Q2同步高频开和关，PWM1和PWM2的占空比均为D＝UC1/(UPV+UC1)；
当UPV<UC1(1-Dmin)时，控制单元控制高频功率开关管Q2高频开和关，高频功率开关管Q1常开，高频功率开关管Q2的PWM2的占空比D＝1-UPV/UC1；
其中，UPV表示光伏输入电压，UC1表示母线电压，Dmax表示PWM1以及PWM2的最大占空比，Dmin表示PWM1以及PWM2的最小占空比；
当光伏储能逆变器需要限制输出功率为0时，控制单元控制高频功率开关管Q1长关。
2.根据权利要求1所述的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器，其特征在于：所述DC/AC逆变电路上连接电网和负载，母线电容C1和DC/AC逆变电路之间还通过双向DC/DC电路与电池连接。
3.根据权利要求1所述的一种适合光伏功率限制的光伏储能逆变器，其特征在于：所述母线电压UC1为市电电压的峰值或电池电压值加上差值ΔU，ΔU为20～50V。
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