CN117728685A - 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑 - Google Patents

基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN117728685A
CN117728685A CN202311707191.0A CN202311707191A CN117728685A CN 117728685 A CN117728685 A CN 117728685A CN 202311707191 A CN202311707191 A CN 202311707191A CN 117728685 A CN117728685 A CN 117728685A
Authority
CN
China
Prior art keywords
diode
voltage
photovoltaic
inductance
equalizer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311707191.0A
Other languages
English (en)
Inventor
赵犇
崔浩然
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202311707191.0A priority Critical patent/CN117728685A/zh
Publication of CN117728685A publication Critical patent/CN117728685A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，涉及光伏发电领域。本发明解决了光伏系统因局部阴影等引起的不匹配问题，从而导致发电量大幅下降的难题。提出了基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，结合了微型逆变器和光伏均衡器两种变换器。相比目前常用的两级式微型逆变器拓扑，这一拓扑仅涉及4个开关管，从而明显减小了开关的数量。引入多绕组均衡器解决了光伏板之间的不匹配问题，有效提高了在局部阴影等工况下系统的发电量。将均衡器与逆变器通过拓扑融合技术实现一体化拓扑，大幅降低了变换器元器件的数量，减小了系统损耗，提高了系统效率，并降低了体积成本。

Description

基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑
技术领域
本发明属于光伏发电领域，具体涉及一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑。
背景技术
一般而言，光伏系统通常采用串联连接光伏组件，以获得更高的电压输出。然而，考虑到云朵、树木、灰尘等因素可能导致光伏组件局部遮光以及电池组件在不同程度上的老化，串联组件可能出现电特性不匹配的现象。这种不匹配现象会显著降低光伏系统的发电功率，进而导致发电量的严重损失。
为了降低光伏组件串联连接导致的不匹配工况下的发电功率损失，出现了微型逆变器。每个光伏组件连接一个独立的逆变器，改变系统的串联结构，实现每块光伏组件的最大功率点跟踪控制，从而提高系统的发电量。然而，这些逆变器需要处理光伏组件产生的全部功率，其损耗与光伏组件的功率成正比。与此同时，由于微型逆变器的成本仍然相对较高，大规模应用受到限制。
为了克服上述全功率变换结构的不足，学者们近年来提出了光伏均衡器的理念。光伏均衡器采用一种能量变换传输装置，将未被遮蔽组件的部分功率转移到被遮蔽组件，改变其工作点，从而提高系统的发电量。该装置使用DC-DC变换器替代光伏组件的反并联二极管，使电流流经均衡器，将光伏组件两端的电压控制在最大功率点附近，而非被旁路二极管钳位于负值。这样，被遮蔽的光伏组件不再消耗功率，而是输出功率，从而显著提高光伏系统在遮蔽情况下的发电量。光伏均衡器只处理光伏组件之间的不匹配功率，可以降低变换器的功率等级，相应地减小功率损耗。在较小的功率失配或没有失配的情况下，光伏均衡器处理的功率非常小，甚至为零。然而，它只能处理不匹配功率，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，导致系统变换器数量增加，系统成本相应增加。
基于多绕组均衡器与逆变器的一体化拓扑成为了有效的解决方案，基于多绕组反激变换器的均衡器与逆变器一体化拓扑即是其中的代表。然而，由于多绕组反激变换器需要保证变压器副边电压大于被遮蔽光伏板电压，才能实现均衡能量的传输。由于变压器原边电压为直流母线电压和输入电压的差值，在母线电压变化较大的情况下，变压器副边电压不能始终保持大于被遮蔽光伏板电压，导致基于多绕组反激均衡器的一体化拓扑工作范围受限。
基于多绕组正激变换器的均衡器拓扑，其变压器原边电压为光伏板组串输入电压，变压器副边感电压可以始终保证大于被遮蔽光伏板电压，因而能够始终向被遮蔽光伏板传递能量，实现均衡功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，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功率均衡从而解决板间不匹配问题。
实现本发明目的的技术方案为：所述的基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑由四个开关管Q1～Q4构成的全桥结构、多绕组变压器T、八个二极管D1～D8、直流母线电容Cdc、电感L1～L3、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)。
本发明解决了光伏系统因局部阴影等引起的不匹配问题，从而导致发电量大幅下降的难题。提出了基于多绕组正激变换器的均衡器与逆变器一体化拓扑，结合了微型逆变器和光伏均衡器两种变换器。相比目前常用的两级式微型逆变器拓扑，这一拓扑仅涉及4个开关管，从而明显减小了开关的数量。引入多绕组均衡器解决了光伏板之间的不匹配问题，有效提高了在局部阴影等工况下系统的发电量。将均衡器与逆变器通过拓扑融合技术实现一体化拓扑，大幅降低了变换器元器件的数量，减小了系统损耗，提高了系统效率，并降低了体积成本；使用多绕组正激变换器，解决了基于多绕组反激变换器的一体化拓扑受到母线电压变化而影响工作范围的问题。
附图说明
图1是提出的基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑；
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；
图3拓扑的主要波形；
具体实施方式
本发明提出了一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，包括如下步骤：
步骤1，模态A：开关Q2和Q3接通，而开关Q1和Q4断开，D8导通，D7截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1两端的电压为上正下负，变压器次级绕组N2两端的电压也为上正下负，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，二极管D4关断，电感L1的电流逐渐增长，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。此时，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。
步骤2，模态B：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D7和D8都导通。在这种状态期间，均衡器继续维持模态A的状态。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。
步骤3，模态C：开关Q3、Q4接通，开关Q1、Q2断开，二极管D7、D8均导通；光伏板PV1～PV3通过二极管D7、D8及开关管Q3、Q4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，电感L1通过二极管D4续流，二极管D1关断，电感L1的电流逐渐下降。
步骤4，模态D：开关Q1和Q4接通，而开关Q2和Q3断开，D7导通，D8截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1两端的电压为上正下负，变压器次级绕组N2两端的电压也为上正下负，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，二极管D4关断，电感L1的电流逐渐增长，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。此时，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。
步骤5，模态E：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D7和D8都导通。在这种状态期间，均衡器继续维持模态A的状态。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。
步骤6，模态F：开关Q3、Q4接通，Q1、Q2断开，二极管D7、D8均导通；光伏板PV1～PV3通过二极管D7、D8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，电感L1通过二极管D4续流，二极管D1关断，电感L1的电流逐渐下降。
下面结合附图和具体的实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明将基于多绕组正激变换器的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构成的全桥结构、多绕组变压器T、八个二极管D1～D8、直流母线电容Cdc、电感L1～L3、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)。
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和续流二极管D4～D6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，D8导通，D7截止。在这种状态期间，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，如图2(a)所示。
模态B：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D7和D8都导通。在这种状态期间，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，如图2(b)所示。
模态C：开关Q3、Q4接通，开关Q1、Q2断开，二极管D7、D8均导通；光伏板PV1～PV3通过二极管D7、D8及Q3、Q4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，如图2(c)所示。
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，二极管D4关断，电感L1的电流逐渐增长，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，模态C增加了电感L1通过二极管D4续流。该拓扑一个周期内的主要波形如图3所示。
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 (4)

1.一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，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、八个二极管D1～D8、直流母线电容Cdc、电感L1～L3、输出滤波电感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。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)。
2.一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，其特征在于：所述的PV1的正极、电感L1的左端与N1绕组的同名端相连；PV1的负极、PV2的正极、二极管D4的阳极、电感L2的左端与N2绕组的非同名端相连；PV2的负极、PV3的正极、二极管D5的阳极、电感L3的左端与N3绕组的非同名端相连；PV3的负极、二极管D6的阳极、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的阴极、二极管D4的阴极与电感L1的右端相连；二极管D2的阴极、二极管D5的阴极与电感L2的右端相连；二极管D3的阴极、二极管D6的阴极与电感L3的右端相连；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D7的阳极、换相二极管D8的阳极与N1绕组的非同名端相连；开关管Q1的漏极、开关管Q3的源极、换相二极管D7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D8的阴极相连。
3.一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，其特征在于：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。
4.根据权利要求3所述的一种基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑，其特征在于：以光伏板PV1发生局部阴影为例：
(4-1)模态A：开关Q2和Q3接通，而开关Q1和Q4断开，D8导通，D7截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1两端的电压为上正下负，变压器次级绕组N2两端的电压也为上正下负，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，二极管D4关断，电感L1的电流逐渐增长，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。此时，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。
(4-2)模态B：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D7和D8都导通。在这种状态期间，均衡器继续维持模态A的状态。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。
(4-3)模态C：开关Q3、Q4接通，开关Q1、Q2断开，二极管D7、D8均导通；光伏板PV1～PV3通过二极管D7、D8及开关管Q3、Q4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，电感L1通过二极管D4续流，二极管D1关断，电感L1的电流逐渐下降。
(4-4)模态D：开关Q1和Q4接通，而开关Q2和Q3断开，D7导通，D8截止。在这种状态期间，变压器初级绕组N1两端的电压为上正下负，变压器次级绕组N2两端的电压也为上正下负，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，二极管D4关断，电感L1的电流逐渐增长，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。此时，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。
(4-5)模态E：开关Q3断开，Q1接通，而Q2保持导通，D7和D8都导通。在这种状态期间，均衡器继续维持模态A的状态。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。
(4-6)模态F：开关Q3、Q4接通，Q1、Q2断开，二极管D7、D8均导通；光伏板PV1～PV3通过二极管D7、D8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，电感L1通过二极管D4续流，二极管D1关断，电感L1的电流逐渐下降。
CN202311707191.0A 2023-12-13 2023-12-13 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑 Pending CN117728685A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311707191.0A CN117728685A (zh) 2023-12-13 2023-12-13 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311707191.0A CN117728685A (zh) 2023-12-13 2023-12-13 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117728685A true CN117728685A (zh) 2024-03-19

Family

ID=90209983

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311707191.0A Pending CN117728685A (zh) 2023-12-13 2023-12-13 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117728685A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119002379A (zh) * 2024-10-23 2024-11-22 福力加特(南通)新能源科技有限公司 一种太阳能分布式发电协同控制系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119002379A (zh) * 2024-10-23 2024-11-22 福力加特(南通)新能源科技有限公司 一种太阳能分布式发电协同控制系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100433525C (zh) 一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器
CN102904454B (zh) 光伏发电系统中高效隔离直流变换器系统
CN103259433B (zh) 基于正激变换器的高频隔离式三电平逆变器
CN107733221B (zh) 一种多单元耦合电感开关电容网络高增益直流变换器
CN112072942A (zh) 一种改进型开关耦合电感准z源逆变器
CN105048490A (zh) 低电流应力的光伏微逆变器及其数字控制装置
CN211183828U (zh) 一种改进型cmvr-ii可升压逆变器
WO2017028776A1 (zh) 高电压增益的五电平逆变器拓扑电路
CN105262361B (zh) 一种两级式非隔离光伏并网逆变器及其控制方法
CN119210180B (zh) 实现高频隔离功率因数校正的单级交直流变换器
CN110504833A (zh) 一种基于有源网络的高增益升压变换器
CN117728685A (zh) 基于多绕组正激变换器的光伏均衡器与逆变器一体化拓扑
TW202207581A (zh) 具有雙模式控制之電力變換裝置
CN106452153A (zh) 一种变拓扑Trans‑Z源逆变器
CN113708408A (zh) 自适应光照条件的多输出模式单相光伏逆变器及控制方法
CN105553273B (zh) 适用于中高压直流并网的级联dc/dc变换器及其控制方法
CN204696953U (zh) 一种适用于光伏发电的z源逆变器
CN108736707B (zh) 一种具有开关电感结构的boost变换器
CN107359803B (zh) 正激式高频隔离三电平逆变器
CN108429452B (zh) 一种光伏系统用二次型多自举dc-dc变换器
CN212367153U (zh) 一种改进型开关耦合电感准z源逆变器
CN212367152U (zh) 一种集成开关电容电路的单极可升压逆变器
CN114172400B (zh) 一种带自均衡功能的光伏逆变器
CN212137549U (zh) 实现±400v母线输入电压的llc谐振转换器
CN106160539B (zh) 一种采用交叠双电源供电的两级逆变器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination