CN114172400B - 一种带自均衡功能的光伏逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带自均衡功能的光伏逆变器，针对光伏系统由于局部阴影等引起的不匹配问题造成的发电量大幅降低的问题，提出了结合微型逆变器和光伏均衡器两种变换器为一体的带自均衡功能的光伏逆变器。本拓扑仅有4个开关管，相对于现有常用的两级式微型逆变器拓扑，开关数量明显减小；引入了多绕组均衡器，解决了板间不匹配问题，可以有效提升局部阴影等工况下的系统发电量；将均衡器与逆变器通过拓扑融合技术实现一体化拓扑，大幅降低变换器元器件数量，降低体积成本。

Description

一种带自均衡功能的光伏逆变器
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种带自均衡功能的光伏逆变器。
背景技术
通常情况下，光伏系统中会将光伏组件串联连接来获取更高的电压输出。考虑云朵、树木、灰尘等造成的光伏组件局部遮光及电池组件不同程度老化等因素，串联组件会产生电特性不匹配，使得光伏系统发电功率下降明显，发电量损失严重。
为了减小光伏组件串联连接造成的不匹配工况下的发电功率损失，出现了微型逆变器。每个光伏板连接一个独立的变换器，从而改变系统的串联结构，可实现每个光伏板的最大功率点跟踪控制，提升系统发电量。然而，该变换器会处理光伏板产生的全部功率，其产生的损耗与光伏板的功率成正比，通常效率较低。同时，由于微型逆变器成本依然较高，大规模应用受限。
近年来学者提出了光伏均衡器的概念，光伏均衡器采用一个能量变换传输装置将未被遮蔽组件的部分功率转移到被遮蔽组件使其工作点发生改变从而提升系统发电量，用DC-DC变换器来代替光伏组件的反并联二极管，让本应流过二极管的电流流经均衡器，从而可以将光伏组件两端的电压控制在其最大功率点附近而非被旁路二极管钳位于负值。此时，被遮蔽的光伏组件将不再消耗功率而是输出功率，从而大幅提升光伏系统在遮蔽情况下的发电量。它只处理光伏组件之间不匹配的功率，可以减小变换器的功率等级，功率损耗也会相应减小，并且在较小的功率失配或没有失配的情况下，其处理功率非常小甚至为零。但光伏均衡器只能处理差分功率，无法将光伏组件的输出功率传输至后级，因此需要与后级逆变器并联使用，使系统变换器数量增多，系统成本也将相应提升。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种带自均衡功能的光伏逆变器，将光伏均衡器与微型逆变器结合为一个拓扑，该拓扑使用3～4块光伏板作为输入，既能解决每块光伏板带一个微型逆变器的高成本问题，同时也能实现这几块光伏板之间的自均衡从而解决板间不匹配问题。
技术方案
一种带自均衡功能的光伏逆变器，其特征在于包括四个开关管Q1～Q4构成的全桥结构、多绕组变压器T、五个二极管D1～D5、直流母线电容Cdc和输出滤波电感Lo；逆变器的输入端为三个光伏板PV1～PV3、输出为电网；连接关系为：PV1的正极、二极管D1的阴极与N1绕组的非同名端相连；PV1的负极、PV2的正极、二极管D2的阴极与N2绕组的非同名端相连；PV2的负极、PV3的正极、二极管D3的阴极与N3绕组的非同名端相连；PV3的负极、N4绕组的非同名端、开关管Q1的源极与开关管Q2的源极与直流母线电容Cdc的负极相连；开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极与直流母线电容Cdc的正极相连；二极管D1的阳极与N2绕组的同名端相连；二极管D2的阳极与N3绕组的同名端相连；二极管D3的阳极与N4绕组的同名端相连；换相二极管D4的阳极、换相二极管D5的阳极与N1绕组的同名端相连；开关管Q1的漏极、开关管Q3的源极、换相二极管D4的阴极与输出滤波电感Lo的一端相连；输出滤波电感Lo的另一端与电网一端相连；电网另一端与开关管Q2的漏极、开关管Q4的源极与换相二极管D5的阴极相连。
所述多绕组变压器T的匝数比为：N1:N2:N3:N4＝3:1:1:1。
有益效果
本发明提出的一种带自均衡功能的光伏逆变器，针对光伏系统由于局部阴影等引起的不匹配问题造成的发电量大幅降低的问题，提出了结合微型逆变器和光伏均衡器两种变换器为一体的带自均衡功能的光伏逆变器。本拓扑仅有4个开关管，相对于现有常用的两级式微型逆变器拓扑，开关数量明显减小；引入了多绕组均衡器，解决了板间不匹配问题，可以有效提升局部阴影等工况下的系统发电量；将均衡器与逆变器通过拓扑融合技术实现一体化拓扑，大幅降低变换器元器件数量，降低体积成本。
附图说明
图1是提出的一种带自均衡功能的光伏逆变器
图2(a)-2(f)是本发明的工作模态图
图2(a)模态A
图2(b)模态B
图2(c)模态C
图2(d)模态D
图2(e)模态E
图2(f)模态F
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
按照本发明提供的技术方案，所述的带有自均衡功能的光伏逆变器由四个开关管Q1～Q4构成的全桥结构、多绕组变压器T、五个二极管D1～D5、直流母线电容Cdc、输出滤波电感Lo组成。其中变压器T的匝数比在图中所示应为：N1:N2:N3:N4＝3:1:1:1。逆变器的输入端为三个光伏板PV1～PV3、输出为电网(图中用Vgrid交流源表示)。
其中PV1的正极、二极管D1的阴极与N1绕组的非同名端相连；PV1的负极、PV2的正极、二极管D2的阴极与N2绕组的非同名端相连；PV2的负极、PV3的正极、二极管D3的阴极与N3绕组的非同名端相连；PV3的负极、N4绕组的非同名端、开关管Q1的源极与开关管Q2的源极与直流母线电容Cdc的负极相连；开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极与直流母线电容Cdc的正极相连；二极管D1的阳极与N2绕组的同名端相连；二极管D2的阳极与N3绕组的同名端相连；二极管D3的阳极与N4绕组的同名端相连；换相二极管D4的阳极、换相二极管D5的阳极与N1绕组的同名端相连；开关管Q1的漏极、开关管Q3的源极、换相二极管D4的阴极与输出滤波电感Lo的一端相连；输出滤波电感Lo的另一端与电网一端相连；电网另一端与开关管Q2的漏极、开关管Q4的源极与换相二极管D5的阴极相连。
输出电压为正向时，拓扑在该时间内有三个工作模式，分别为模态A、B、C；输出电压为负向时，拓扑在该时间内也有三个工作模式，分别为模态D、E、F。
下面以光伏板PV1发生局部阴影为例，阐述各个模态工作过程。
模态A：开关Q2和Q3接通，而开关Q1和Q4断开，D5导通，D4截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1从三个光伏板PV1～PV3储能，而直流母线Cdc电压施加到滤波电感Lo和交流电压Vgrid输出端，为正向电压。
模态B：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D4和D5都导通。在这种状态期间，变压器初级绕组N1继续从三个光伏板PV1～PV3储能，滤波电感Lo和输出电压端Vgrid一起被短路而续流，输出端Vgrid维持正向电压。
模态C：开关Q3、Q4接通，开关Q1、Q2断开，二极管D4、D5均导通；光伏板PV1～PV3连同变压器初级绕组N1通过二极管D4、D5及开关管Q3、Q4一起向直流母线电容Cdc充电，实现电压泵升；滤波电感Lo和输出电压端Vgrid仍然维持续流状态，输出端Vgrid维持正向电压；同时，由于PV1有局部阴影遮挡，其产生的电压小于绕组N2电压，二极管D1导通，部分功率流向电池板PV1从而改变其工作点，使其输出近似最大功率，避免光伏板被其内部旁路二极管旁路。
模态D：开关Q1和Q4接通，而开关Q2和Q3断开，D4导通，D5截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1从三个光伏板PV1～PV3储能，而直流母线Cdc电压施加到交流电压Vgrid输出端和滤波电感Lo，为负向电压。
模态E：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D4和D5都导通。在这种状态期间，变压器初级绕组N1继续从三个光伏板PV1～PV3储能，滤波电感Lo和输出电压端Vgrid一起被短路而续流，输出端Vgrid维持负向电压。
模态F：开关Q3、Q4接通，Q1、Q2断开，二极管D4、D5均导通；光伏板PV1～PV3连同变压器初级绕组N1通过二极管D4、D5及开关管Q3、Q4一起向直流母线电容Cdc充电，实现电压泵升；滤波电感Lo和输出电压端Vgrid仍然维持续流状态，输出端Vgrid维持负向电压；同时，由于PV1有局部阴影遮挡，其产生的电压小于绕组N2电压，二极管D1导通，部分功率流向电池板PV1从而改变其工作点，使其输出近似最大功率，避免光伏板被其内部旁路二极管旁路。
如图1所示，本发明将光伏均衡器和逆变器通过拓扑融合技术实现一体化拓扑，大幅降低变换器元器件数量，降低体积成本。四个开关管Q1～Q4构成全桥结构，用于控制不同模态切换。多绕组变压器T用于储存能量，并且可以实现能量交换。二极管D4、D5用于换相作用。直流母线电容为Cdc，输出滤波电感为Lo。其中变压器T的匝数比在图中所示应为：N1:N2:N3:N4＝3:1:1:1。
当光伏板功率匹配时，多绕组变压器T的三个次级侧N2～N4及其整流二极管D1～D3不工作，该拓扑工作于逆变器模式，具体以输出正向电压为例介绍。
模态A：开关Q2和Q3接通，而开关Q1和Q4断开，D5导通，D4截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1从三个光伏板PV1～PV3储能，而直流母线Cdc电压施加到滤波电感Lo和交流电压Vgrid输出端，为正向电压。
模态B：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D4和D5都导通。在这种状态期间，变压器初级绕组N1继续从三个光伏板PV1～PV3储能，滤波电感Lo和输出电压端Vgrid一起被短路而续流，输出端Vgrid维持正向电压。
模态C：开关Q3、Q4接通，开关Q1、Q2断开，二极管D4、D5均导通；光伏板PV1～PV3连同变压器初级绕组N1通过二极管D4、D5及Q3、Q4一起向直流母线电容Cdc充电，实现电压泵升；滤波电感Lo和输出电压端Vgrid仍然维持续流状态，输出端Vgrid维持正向电压。
通过调节Q1及Q2的占空比，可以调节直流母线电压Vdc，通过调节Q3和Q4的占空比可以调节输出电压Vgrid为正弦电压。
当光伏板由于局部阴影等问题发生功率不匹配时，该拓扑就将工作于均衡器与逆变器协同工作模式。此时，假设PV1有局部阴影遮挡，其产生的电压小于绕组N2电压，二极管D1导通，部分功率流向电池板PV1从而改变其工作点，使其输出近似最大功率。因此，模态A与模态B与之前只没有变化的，仅模态C增加了二极管D1导通给光伏板PV1充电的工作状态从而实现自均衡。
当光伏板PV2或PV3发生局部阴影时，工作状态类似不再赘述。

Claims (2)

1.一种带自均衡功能的光伏逆变器，其特征在于包括四个开关管Q1～Q4构成的全桥结构、多绕组变压器T、五个二极管D1～D5、直流母线电容Cdc和输出滤波电感Lo；逆变器的输入端为三个光伏板PV1～PV3、输出为电网；连接关系为：PV1的正极、二极管D1的阴极与N1绕组的非同名端相连；PV1的负极、PV2的正极、二极管D2的阴极与N2绕组的非同名端相连；PV2的负极、PV3的正极、二极管D3的阴极与N3绕组的非同名端相连；PV3的负极、N4绕组的非同名端、开关管Q1的源极与开关管Q2的源极与直流母线电容Cdc的负极相连；开关管Q3的漏极、开关管Q4的漏极与直流母线电容Cdc的正极相连；二极管D1的阳极与N2绕组的同名端相连；二极管D2的阳极与N3绕组的同名端相连；二极管D3的阳极与N4绕组的同名端相连；换相二极管D4的阳极、换相二极管D5的阳极与N1绕组的同名端相连；开关管Q1的漏极、开关管Q3的源极、换相二极管D4的阴极与输出滤波电感Lo的一端相连；输出滤波电感Lo的另一端与电网一端相连；电网另一端与开关管Q2的漏极、开关管Q4的源极与换相二极管D5的阴极相连。
2.根据权利要求1所述带自均衡功能的光伏逆变器，其特征在于：所述多绕组变压器T的匝数比为：N1:N2:N3:N4＝3:1:1:1。
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