CN115995986B - 一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑，包括依次连接的一个带滤波电容的太阳能光伏阵列、一组串并联三角结构的反激升压电路、一个直流‑交流的逆变电路、一个滤波并网电路；所述串并联三角结构的反激升压电路包括电路结构相同的第一反激电路、第二反激电路和/或第三反激电路，第一反激电路与第二反激电路并联后再与第三反激电路串联。第一反激电路与第二反激电路采用交错并联结构，本发明所述串并联三角结构反激升压电路能够阶梯式升高电压，一方面降低了各个器件的电压应力，一方面提高了升压比例；同时此结构可降低变压器的匝比和占空比，提高系统效率和降低控制难度。

Description

一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑。
背景技术
在“碳中和”和“碳达峰”背景下，对于清洁能源的需求日益广泛，光伏能源在这一方面具有极大的优势。故而光伏并网技术中的能源转换设备居于重要的作用，主要使用逆变器来实现太阳能产生的直流电转变为电网同频同相的交流电。反激逆变器结构简单、元器件少、具备电气隔离，在DC/DC变换中得到广泛应用。
同时在光伏系统中，由于组件电压叠加，一串组件电路往往具有600V~1000V左右的直流高电压。当直流电路中出现线缆连接老化、连接器故障、型号不匹配、虚接或当极性相反的两个导体靠得很近，而两根电线之间的绝缘失效时，在高电压的作用下，就很有可能产生直流电弧，产生明火，造成火灾。据统计，80%以上的电站着火是因为直流侧的故障。由此可见，由直流高压引起的电弧火花是光伏火灾的“元凶”。
随着各国对于安全用电要求，对于直流输入侧的电压进行了限制，由于光伏板本身产生的电压等级较低，在不能多组串联的前提下，需要使用高比例升压技术达到并网所需要的要求。同时对于电网较高的国家和地区，也会使用增大占空比来增高电压，但是增大占空比往往会带来器件的烧毁损坏。常规隔离型逆变器采用一个高频变压器来实现升压目的，但是当电压升高比例要求更高的时候，对于安全升压技术提出了一个较为严酷的技术难题。
对于变压器的匝比要求较高的情况，图1是升压变压器的模型，通过绕组的匝比不同（1:N）进行电压的升高，则有输出电压与输入电压的比值为U1/U0=N，N值的加大会产生更多的电路损耗以及控制难度的提高。
因此亟需提供一种新型的反激升压电路拓扑来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑，能够解决现有升压电路变压器匝比较大以及器件损坏的问题，提高系统的效率，降低控制难度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑，包括依次连接的一个带滤波电容的太阳能光伏阵列、一组串并联三角结构的反激升压电路、一个直流-交流的逆变电路、一个滤波并网电路；
所述串并联三角结构的反激升压电路包括电路结构相同的第一反激电路、第二反激电路和/或第三反激电路，均包括一个反激变压器、一个主功率开关管、一个输出整流二极管和一个输出滤波电容；第一反激电路与第二反激电路并联后再与第三反激电路串联。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一反激电路包括第一反激变压器T1、第一主功率开关管Q1、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1；所述第二反激电路包括第二反激变压器T2、第二主功率开关管Q2、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2；
所述第一反激变压器T1和第二反激变压器T2原边绕组的同名端均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容正端，所述第一主功率开关管Q1和第二主功率开关管Q2的源极均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容负端；
所述第一主功率开关管Q1的漏极与所述第一反激变压器T1原边绕组的非同名端相连，所述第二主功率开关管Q2的漏极与所述第二反激变压器T2原边绕组的非同名端相连；
所述第一输出整流二极管D1的阳极与所述第一反激变压器T1副边绕组的非同名端相连，所述第二输出整流二极管D2的阳极与所述第二反激变压器T2副边绕组的非同名端相连；
所述第一输出整流二极管D1的阴极与所述第一输出滤波电容C1的正端相连，所述第二输出整流二极管D2的阴极与所述第二输出滤波电容C2的正端相连；
所述第一反激变压器T1副边绕组的同名端与所述第一输出滤波电容C1的负端相连，所述第二反激变压器T2副边绕组的同名端与所述第二输出滤波电容C2的负端相连。
进一步的，所述第三反激电路包括第三反激变压器T3、第三主功率开关管Q3、第三输出整流二极管D3和第三输出滤波电容C3；
所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的正端均连接在所述第三反激变压器T3原边绕组的同名端，所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的负端均连接在所述第三主功率开关管Q3的源极；所述第三主功率开关管Q3的漏极与所述第三反激变压器T3原边绕组的非同名端相连；
所述第三输出整流二极管D3的阳极与所述第三反激变压器T3副边绕组的非同名端相连，所述第三输出整流二极管D3的阴极与所述第三输出滤波电容C3的正端相连，所述第三反激变压器T3副边绕组的同名端与所述第三输出滤波电容C3的负端相连；
所述第三输出滤波电容C3的正端连接在输出端口的正端，所述第三输出滤波电容C3的负端连接在输出端口的负端。
在本发明一个较佳实施例中，所述直流-交流逆变电路由四个功率开关管S1~S4构成。
在本发明一个较佳实施例中，所述并网电路包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所述串并联三角结构反激升压电路能够阶梯式升高电压，一方面降低了各个器件的电压应力，一方面提高了升压比例；同时此结构可降低变压器的匝比和占空比，提高系统效率和降低控制难度；
（2）所述第一反激电路和第二反激电路采用交错并联结构，将两个独立的单端反激电路的输入输出侧分别并联，这两个独立的单端反激电路的参数完全相同，采用的控制策略也相同，只是将两路的控制信号相互错开半个开关周期，可实现完全相同的功能。在采用相同功率等级的光伏电池以及相同主开关频率的条件下，交错反激式电路相对于单端反激式电路而言，前者的等效开关频率是后者的两倍，其输入输出纹波更小，输入输出滤波器的体积也更小；
（3）本发明所述串并联三角结构反激升压电路，在光伏输出电压较弱和电网电压较高的场景种均可得到有效应用；
（4）本发明所述串并联三角结构反激升压电路，可按照实际情况进行选择设计，对于电网电压较低的国家和地区，可取消第三反激电路，而对于电网电压较高的国家和地区，可使用第三反激电路，此种设计可做到产品一致性，降低批量生产过程的成本。
附图说明
图1是高频变压器原理示意图；
图2是本发明一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑示意图。
附图中各部件的标记如下：10、带滤波电容的太阳能光伏阵列，20、串并联三角结构的反激升压电路，201、第一反激电路，202、第二反激电路，203第三反激电路，30、直流-交流的逆变电路，40、滤波并网电路。
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做出更为清楚明确的界定。
请参阅图2，本发明实施例包括：
一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑，包括一个带滤波电容C的太阳能光伏阵列10、一组串并联三角结构的反激升压电路20、一个直流-交流的逆变电路30、一个滤波并网电路40。所述带滤波电容的太阳能光伏阵列10的输出端通过与其并联的滤波电容C与所述串并联三角结构的反激升压电路20相连，所述串并联三角结构的反激升压电路20的输出端与所述直流-交流的逆变电路30相连，所述直流-交流的逆变电路30的输出端与带滤波电路的并网电路40相连。
所述串并联三角结构的反激升压电路20包括电路结构相同的第一反激电路201、第二反激电路202、第三反激电路203，均包括一个反激变压器、一个主功率开关管、一个输出整流二极管和一个输出滤波电容。第一反激电路201与第二反激电路202并联后再与第三反激电路203串联。假设第一反激电路201与第二反激电路202的变压器匝比为1:N1，第三反激电路203的变压器匝比为1:N2，在串联后可实现整个电路匝比为1:N1✕N2，如此大大提高了变压器升压效果，在提升相同电压的前提下，对于单个变压器的匝比要求就不那么高了，能够降低损耗以及减小控制难度。
所述第一反激电路201包括第一反激变压器T1、第一主功率开关管Q1、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1；所述第二反激电路202包括第二反激变压器T2、第二主功率开关管Q2、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2；所述第三反激电路203包括第三反激变压器T3、第三主功率开关管Q3、第三输出整流二极管D3和第三输出滤波电容C3。
参阅图2，各模块电路的电路元器件及其连接关系如图所示。所述第一反激变压器T1和第二反激变压器T2原边绕组的同名端均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容正端，所述第一主功率开关管Q1和第二主功率开关管Q2的源极均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容负端。
所述第一主功率开关管Q1的漏极与所述第一反激变压器T1原边绕组的非同名端相连，所述第二主功率开关管Q2的漏极与所述第二反激变压器T2原边绕组的非同名端相连。
所述第一输出整流二极管D1的阳极与所述第一反激变压器T1副边绕组的非同名端相连，所述第二输出整流二极管D2的阳极与所述第二反激变压器T2副边绕组的非同名端相连。
所述第一输出整流二极管D1的阴极与所述第一输出滤波电容C1的正端相连，所述第二输出整流二极管D2的阴极与所述第二输出滤波电容C2的正端相连。
所述第一反激变压器T1副边绕组的同名端与所述第一输出滤波电容C1的负端相连，所述第二反激变压器T2副边绕组的同名端与所述第二输出滤波电容C2的负端相连。
所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的正端均连接在所述第三反激变压器T3原边绕组的同名端，所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的负端均连接在所述第三主功率开关管Q3的源极；所述第三主功率开关管Q3的漏极与所述第三反激变压器T3原边绕组的非同名端相连。
所述第三输出整流二极管D3的阳极与所述第三反激变压器T3副边绕组的非同名端相连，所述第三输出整流二极管D3的阴极与所述第三输出滤波电容C3的正端相连，所述第三反激变压器T3副边绕组的同名端与所述第三输出滤波电容C3的负端相连。
所述第三输出滤波电容C3的正端连接在输出端口的正端，所述第三输出滤波电容C3的负端连接在输出端口的负端。
所述直流-交流逆变电路由四个功率开关管S1~S4构成。所述第一功率开关管S1和所述第二功率开关管S2的漏极相连并一起连接在所述第一反激电路201输出端口正端，所述第三功率开关管S3和所述第四功率开关管S4的源极相连并一起连接在所述第一反激电路201输出端口负端。所述第一功率开关管S1的源极和所述第三功率开关管S3的漏极相连，所述第二功率开关管S2的源极和所述第四功率开关管S4的漏极相连。
所述并网电路包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。所述输出滤波电容Cf一端连接在所述第一功率开关管S1的源极和所述第三功率开关管S3的漏极之间，所述输出滤波电容Cf另一端连接在所述第二功率开关管S2的源极和所述第四功率开关管S4的漏极之间。所述电网Grid一端通过所述输出滤波电感Lf连接在所述第一功率开关管S1的源极和所述第三功率开关管S3的漏极之间，所述电网Grid另一端直接连接在所述第二功率开关管S2的源极和所述第四功率开关管S4的漏极之间。
以第一反激电路201为例说明该电路的电路原理：太阳能光伏板产生的直流电流经第一反激电路201，经过第一反激变压器T1的原边绕组，通过控制第一主功率开关管Q1的开断和变压器绕组匝比的选择，可以控制输出电压参数。第一输出整流二极管D1根据输入端的电压情况控制开通关断以此来控制输出电流，再经过第一输出滤波电容C1，将电源输出到直流-交流的逆变电路，将直流电转换为电网的交流电，在流经输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成的滤波电路，提高了电源质量。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种三角结构的串并联反激升压电路拓扑，其特征在于，包括依次连接的一个带滤波电容的太阳能光伏阵列、一组串并联三角结构的反激升压电路、一个直流-交流的逆变电路、一个滤波并网电路；
所述串并联三角结构的反激升压电路包括电路结构相同的第一反激电路、第二反激电路和第三反激电路，均包括一个反激变压器、一个主功率开关管、一个输出整流二极管和一个输出滤波电容；第一反激电路与第二反激电路并联后再与第三反激电路串联；
所述第一反激电路包括第一反激变压器T1、第一主功率开关管Q1、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1；所述第二反激电路包括第二反激变压器T2、第二主功率开关管Q2、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2；
所述第一反激变压器T1和第二反激变压器T2原边绕组的同名端均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容正端，所述第一主功率开关管Q1和第二主功率开关管Q2的源极均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容负端；
所述第一主功率开关管Q1的漏极与所述第一反激变压器T1原边绕组的非同名端相连，所述第二主功率开关管Q2的漏极与所述第二反激变压器T2原边绕组的非同名端相连；
所述第一输出整流二极管D1的阳极与所述第一反激变压器T1副边绕组的非同名端相连，所述第二输出整流二极管D2的阳极与所述第二反激变压器T2副边绕组的非同名端相连；
所述第一输出整流二极管D1的阴极与所述第一输出滤波电容C1的正端相连，所述第二输出整流二极管D2的阴极与所述第二输出滤波电容C2的正端相连；
所述第一反激变压器T1副边绕组的同名端与所述第一输出滤波电容C1的负端相连，所述第二反激变压器T2副边绕组的同名端与所述第二输出滤波电容C2的负端相连；
所述第三反激电路包括第三反激变压器T3、第三主功率开关管Q3、第三输出整流二极管D3和第三输出滤波电容C3；
所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的正端均连接在所述第三反激变压器T3原边绕组的同名端，所述第一输出滤波电容C1和第二输出滤波电容C2的负端均连接在所述第三主功率开关管Q3的源极；所述第三主功率开关管Q3的漏极与所述第三反激变压器T3原边绕组的非同名端相连；
所述第三输出整流二极管D3的阳极与所述第三反激变压器T3副边绕组的非同名端相连，所述第三输出整流二极管D3的阴极与所述第三输出滤波电容C3的正端相连，所述第三反激变压器T3副边绕组的同名端与所述第三输出滤波电容C3的负端相连；
所述第三输出滤波电容C3的正端连接在输出端口的正端，所述第三输出滤波电容C3的负端连接在输出端口的负端。
2.根据权利要求1所述的三角结构的串并联反激升压电路拓扑，其特征在于，所述直流-交流逆变电路由四个功率开关管S1~S4构成。
3.根据权利要求1所述的三角结构的串并联反激升压电路拓扑，其特征在于，所述并网电路包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。
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