CN204858965U

CN204858965U - 一种新型高升压增益光伏逆变器

Info

Publication number: CN204858965U
Application number: CN201520509779.XU
Authority: CN
Inventors: 张庆海; 李洪博; 刘安华; 王和先; 刘英倩; 蔡军; 孔鹏; 鲍景宽; 李豹; 黄国强; 郭亚峰; 张蕊; 王新涛; 顾卫山
Original assignee: Liaocheng Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: Liaocheng Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2025-07-14

Abstract

本实用新型涉及一种新型高升压增益光伏逆变器，包括Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥，光伏阵列、Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥、电网或负载依次连接，将光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相负载供电或并入交流电网。Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪，直流链阻抗网络由两个电感和两个电容构成，两个电感在不同时期的充放电实现了直流链电压的升压功能。本实用新型具有较大的输入电压变化范围且输出交流电压可调，在很小的直通占空比下拥有很大的升压比，调制因子大幅度提高，逆变器电压增益和调制因子成正比，增强了光伏发电系统的调节能力。

Description

一种新型高升压增益光伏逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种新型高升压增益光伏逆变器，属于电力电子变换与智能电网领域。

背景技术

太阳能的利用是缓解全球能源紧缺与环境污染问题的重要途径，光伏发电就是近年来研究的热点之一。采用目前成熟的电力电子变流技术可将太阳能转换成电能，进而实现电压变换与功率控制。

电压源逆变器和电流源逆变器广泛应用于工业生产中，比如分布式能源系统、不间断电源、交流调速系统以及混合动力车等。传统电压源逆变器和电流源逆变器有其固有的弊端。电压源逆变器属于降压型变换器，直通能够损坏逆变器样机。电流源逆变器交流输出电压不能低于直流侧电压，属于升压型变换器，电流源的特性使得系统不能承受开路的影响。在实际应用中，为了达到输出电压的任意可调，在直流侧级联了DC/DC斩波电路构成两级电路，而两级电路使系统复杂、成本高且效率下降明显。

发明内容

在现有技术的基础上，本实用新型公开了一种新型高升压增益光伏逆变器，Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪，直流链阻抗网络由两个电感和两个电容构成，开关管S₇和后级PWM逆变桥直通信号以互补的方式工作，两个电感在不同时期的充放电实现了直流链电压的升压功能。

本实用新型的技术方案为：一种新型高升压增益光伏逆变器，包括Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥，光伏阵列、Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥、电网或负载依次连接，将光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相负载供电或并入交流电网；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_D；直流链阻抗网络由电感L₁、L₂和电容C₁、C₂组成；PWM逆变桥采用三相全桥逆变结构，由六个开关器件S₁~S₆以及它们各自的反并联二极管D_i1~D_i6组成；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_D的一端、电感L₁的一端、开关器件S₁的集电极、二极管D_i1的阴极、开关器件S₃的集电极、二极管D_i3的阴极、开关器件S₅的集电极、二极管D_i5的阴极相连，直流侧储能电容C_D的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、开关器件S₇的发射极、反并联二极管D₇的阳极、电感L₂的一端相连，电感L₁的另一端与开关器件S₇的集电极、反并联二极管D₇的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与电容C₂的一端、开关器件S₂的发射极、二极管D_i2的阳极、开关器件S₄的发射极、二极管D_i4的阳极、开关器件S₆的发射极、二极管D_i6的阳极相连，电容C₂的另一端与电感L₂的另一端相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_i1的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_i2的阴极相连，开关器件S₃的发射极与反并联二极管D_i3的阳极、开关器件S₄的集电极、反并联二极管D_i4的阴极相连，开关器件S₅的发射极与反并联二极管D_i5的阳极、开关器件S₆的集电极、反并联二极管D_i6的阴极相连；由开关器件S₂的集电极、开关器件S₄的集电极、开关器件S₆的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端，并接至电网或负载。

本实用新型的有益效果是：1、光伏发电系统具有较大的输入电压变化范围且输出交流电压可调；2、在很小的直通占空比下拥有很大的升压比，调制因子大幅度提高，增加了直流电压利用率并降低有源元件的电压应力；3、克服了轻载/小电感时，电感电流断续造成的直流链电压不规则跌落给系统造成的影响，可以设计较小容量的直流链电感，增加样机的单位功率密度；4、逆变器电压增益和调制因子成正比，增强了系统的调节能力；5、直流链阻抗网络参数选择相对灵活，流过电感L₂的电流较小，使得电感L₂体积和重量可以设计较小。

附图说明

图1为本实用新型拓扑结构示意图。

图2为直通模式下，本实用新型的等效电路图。

图3为非直通模式下，本实用新型的等效电路图。

图4为几种典型单级逆变电路升压因子与直通占空比关系示意图。

图5为几种典型单级逆变电路电压增益与调制因子关系示意图。

具体实施方式

图1所示为一种新型高升压增益光伏逆变器拓扑结构示意图，包括Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥，光伏阵列、Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥、电网或负载依次连接，将光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相负载供电或并入交流电网；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_D；直流链阻抗网络由电感L₁、L₂和电容C₁、C₂组成；PWM逆变桥采用三相全桥逆变结构，由六个开关器件S₁~S₆以及它们各自的反并联二极管D_i1~D_i6组成；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_D的一端、电感L₁的一端、开关器件S₁的集电极、二极管D_i1的阴极、开关器件S₃的集电极、二极管D_i3的阴极、开关器件S₅的集电极、二极管D_i5的阴极相连，直流侧储能电容C_D的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、开关器件S₇的发射极、反并联二极管D₇的阳极、电感L₂的一端相连，电感L₁的另一端与开关器件S₇的集电极、反并联二极管D₇的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与电容C₂的一端、开关器件S₂的发射极、二极管D_i2的阳极、开关器件S₄的发射极、二极管D_i4的阳极、开关器件S₆的发射极、二极管D_i6的阳极相连，电容C₂的另一端与电感L₂的另一端相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_i1的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_i2的阴极相连，开关器件S₃的发射极与反并联二极管D_i3的阳极、开关器件S₄的集电极、反并联二极管D_i4的阴极相连，开关器件S₅的发射极与反并联二极管D_i5的阳极、开关器件S₆的集电极、反并联二极管D_i6的阴极相连；由开关器件S₂的集电极、开关器件S₄的集电极、开关器件S₆的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端，并接至电网或负载。

Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪。直流链阻抗网络由两个电感和两个电容构成，开关管S₇和后级PWM逆变桥直通信号以互补的方式工作，两个电感在不同时期的充放电实现了直流链电压的升压功能。

为简化分析，首先做如下假设：1、器件均为理想工作状态；2、光伏阵列和Boost升压电路等效为一直流电源U_in。

和传统单级电路相似，本实用新型工作模式分为直通模式和非直通模式。

1、直通模式（S₇关断）：直通模式等效电路图如图2所示。开关管S₇关断后，电感L₁和L₂的电流通过逆变器反并二极管续流，构成了直通状态。此时，回路U_in-L₁-C₁-C₂-L₂和回路L₁-C₁-逆变桥反并二极管同时导通。电感两端电压满足关系式：

（Ⅰ）

式中，u_L1-sh、u_L2-sh分别为直通模式下电感L₁、电感L₂两端电压，U_C1、U_C2分别为电容C₁、电容C₂的电压。

2、非直通模式（S₇导通）：非直通模式等效电路图如图3所示。后级PWM逆变桥和传统电压源逆变器工作没有区别，在直流链部分由于开关S₇的引入而构成升压电路，具体有三个回路导通。分别是U_in-L₁-S₇，S₇-C₁-C₂-L₂以及L₁-PWM逆变桥-C₁。电感两端电压满足关系式有：

（Ⅱ）

式中，u_L1-nonsh、u_L2-nonsh分别为非直通模式下电感L₁、电感L₂两端电压，U_PN为直流链电压最大值。

稳态时，依据电感的伏秒平衡法则，由式（Ⅰ）和式（Ⅱ）可以得到：

（Ⅲ）

式中，D_sh为逆变器直通占空比，1-D_sh为开关器件S₇导通占空比。

由式（Ⅲ）可以得出，本实用新型在占空比很小的情况下能够得到很高的直流链电压升压比。图4所示为几种典型单级逆变电路升压因子与直通占空比关系示意图，分别绘出了Z-源逆变器（ZSI）、开关电感Z-源逆变器（SL-ZSI）、开关电感准Z-源逆变器（SL-qZSI）以及本实用新型（HVRSSI）的直流链电压升压因子B随直通占空比D_sh的变化曲线。其他三种单级逆变电路直流链电压升压比随直通占空比D_sh的增大而增加，其高升压因子出现在占空比D_sh较大的区间，此时调制因子M较小，限制了逆变器调制因子的调节范围。相反，本实用新型升压比B随直通占空比D_sh的增大而下降，在直通占空比较小时拥有很高的升压比，非常适合调制因子M的控制，实现光伏逆变器的性能优化。

图5为几种典型单级逆变电路电压增益与调制因子关系示意图。其他单级电路电压增益G和逆变器调制因子M成反比，升压功能完全靠直流链升压实现，此过程中逆变器调制因子M起反方向调节的作用。而HVRSSI电路电压增益G和逆变器调制因子M成正比，直流链电压调节和逆变器电压调节实现了完美的统一。

Claims

1.一种新型高升压增益光伏逆变器，其特征在于，包括Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥，光伏阵列、Boost升压电路、开关器件S₇及其反并联二极管D₇、直流链阻抗网络、PWM逆变桥、电网或负载依次连接，将光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相负载供电或并入交流电网；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C_D；直流链阻抗网络由电感L₁、L₂和电容C₁、C₂组成；PWM逆变桥采用三相全桥逆变结构，由六个开关器件S₁~S₆以及它们各自的反并联二极管D_i1~D_i6组成；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C_D的一端、电感L₁的一端、开关器件S₁的集电极、二极管D_i1的阴极、开关器件S₃的集电极、二极管D_i3的阴极、开关器件S₅的集电极、二极管D_i5的阴极相连，直流侧储能电容C_D的另一端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、开关器件S₇的发射极、反并联二极管D₇的阳极、电感L₂的一端相连，电感L₁的另一端与开关器件S₇的集电极、反并联二极管D₇的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与电容C₂的一端、开关器件S₂的发射极、二极管D_i2的阳极、开关器件S₄的发射极、二极管D_i4的阳极、开关器件S₆的发射极、二极管D_i6的阳极相连，电容C₂的另一端与电感L₂的另一端相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_i1的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_i2的阴极相连，开关器件S₃的发射极与反并联二极管D_i3的阳极、开关器件S₄的集电极、反并联二极管D_i4的阴极相连，开关器件S₅的发射极与反并联二极管D_i5的阳极、开关器件S₆的集电极、反并联二极管D_i6的阴极相连；由开关器件S₂的集电极、开关器件S₄的集电极、开关器件S₆的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端，并接至电网或负载。