CN204947919U - 一种新型并联谐振零电压光伏发电装置 - Google Patents

一种新型并联谐振零电压光伏发电装置 Download PDF

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寇行顺
朱世盘
张程程
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刁维晓
秦福宁
王文俊
侯昆明
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蔡春凤
宋庆伟
王立峰
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Abstract

本实用新型公开了一种新型并联谐振零电压光伏发电装置，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载。通过在Boost升压电路与PWM逆变桥之间添加辅助谐振电路，使直流侧储能电容电压周期性地归零，实现PWM逆变桥开关器件在零电压条件下完成切换，而且辅助谐振电路中的开关器件也可以实现零电压开通和零电流关断，有利于开关器件损耗的减小和提高开关频率，提高了光伏发电的效率；在高开关频率时，可以把装置中谐振电感的体积作的更小，有利于装置的小型化，进而适用于高开关频率的场合。

Description

一种新型并联谐振零电压光伏发电装置
技术领域
本实用新型涉及一种新型并联谐振零电压光伏发电装置，属于新能源发电与智能电网领域。
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。
传统的谐振直流环节逆变器虽然结构简单，控制容易，但存在着开关电压应力高于直流电源电压、谐振电感损耗较大以及由离散脉宽调制引起的谐波等问题。准并联谐振直流环节逆变器虽然克服了传统谐振直流环节逆变器的缺点，但是需要在电感电流中预先设定一个或几个和辅助开关控制有关的阈值，谐振的发生才能达到预期的工作过程，而这些阈值通常情况下与负载电流有关，这就给电路在全负载范围内的实现带来了困难。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种新型并联谐振零电压光伏发电装置，通过在Boost升压电路与PWM逆变桥之间添加辅助谐振电路，实现了PWM逆变桥开关器件的软开关动作，同时，辅助谐振电路的开关器件也为软开关动作，有利于开关器件损耗的减小和提高开关频率，提高了光伏发电的效率。
本实用新型的技术方案为：一种新型并联谐振零电压光伏发电装置，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载，光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相阻感性负载供电；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C1；辅助谐振电路包括谐振电容Cr1和Cr2、谐振电感Lr、辅助二极管Da3和Da4、辅助开关器件Sa1和Sa2及其反并联二极管Da1和Da2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变电路，包括六个开关器件S1~S6以及它们各自的反并联二极管和并联缓冲电容，开关器件S1、S3、S5的集电极相连，作为PWM逆变桥的输入正端，开关器件S2、S4、S6的发射极相连，作为PWM逆变桥的输入负端；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C1的一端、谐振电容Cr1的一端、辅助二极管Da4的阴极、辅助开关器件Sa1的集电极、反并联二极管Da1的阴极相连，谐振电容Cr1的另一端与辅助二极管Da4的阳极、辅助开关器件Sa2的发射极、反并联二极管Da2的阳极相连，辅助开关器件Sa1的发射极与反并联二极管Da1的阳极、谐振电感Lr的一端、谐振电容Cr2的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，谐振电感Lr的另一端与辅助开关器件Sa2的集电极、反并联二极管Da2的阴极、辅助二极管Da3的阴极相连，辅助二极管Da3的阳极与直流侧储能电容C1的另一端、Boost升压电路开关器件S0的发射极、光伏阵列输出负极、谐振电容Cr2的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极相连，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连，由S2、S4、S6的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端；PWM逆变桥的a、b、c三个输出端分别和三相阻感性负载的a相、b相、c相连接。
本实用新型的有益效果：1、直流侧储能电容电压周期性地形成零电压凹槽，使PWM逆变桥的开关器件在电压为零时完成切换，实现零电压开关，有利于开关损耗的减小和提高开关频率，提高了光伏发电的效率；2、在高开关频率时，可以把装置中谐振电感的体积作的更小，有利于装置的小型化，进而适用于高开关频率的场合；3、拓扑结构中只有2个辅助开关器件，控制相对简单；无源辅助元件只有1个谐振电感，2个谐振电容和2个辅助二极管，硬件成本较低。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型等效电路图。
图3为本实用新型的特征工作波形图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述，但不限于此。
图1所示为一种新型并联谐振零电压光伏发电装置结构示意图，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载，光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相阻感性负载供电；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C1；辅助谐振电路包括谐振电容Cr1和Cr2、谐振电感Lr、辅助二极管Da3和Da4、辅助开关器件Sa1和Sa2及其反并联二极管Da1和Da2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变电路，包括六个开关器件S1~S6以及它们各自的反并联二极管和并联缓冲电容，开关器件S1、S3、S5的集电极相连，作为PWM逆变桥的输入正端，开关器件S2、S4、S6的发射极相连，作为PWM逆变桥的输入负端；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C1的一端、谐振电容Cr1的一端、辅助二极管Da4的阴极、辅助开关器件Sa1的集电极、反并联二极管Da1的阴极相连，谐振电容Cr1的另一端与辅助二极管Da4的阳极、辅助开关器件Sa2的发射极、反并联二极管Da2的阳极相连，辅助开关器件Sa1的发射极与反并联二极管Da1的阳极、谐振电感Lr的一端、谐振电容Cr2的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，谐振电感Lr的另一端与辅助开关器件Sa2的集电极、反并联二极管Da2的阴极、辅助二极管Da3的阴极相连，辅助二极管Da3的阳极与直流侧储能电容C1的另一端、Boost升压电路开关器件S0的发射极、光伏阵列输出负极、谐振电容Cr2的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极相连，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连，由S2、S4、S6的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端；PWM逆变桥的a、b、c三个输出端分别和三相阻感性负载的a相、b相、c相连接。
Boost升压电路实现最大功率跟踪；通过在Boost升压电路与PWM逆变桥之间添加辅助谐振电路，实现了PWM逆变桥开关器件的软开关动作，同时，辅助谐振电路的开关器件也为软开关动作，有利于开关器件损耗的减小和提高开关频率，提高了光伏发电的效率。
为简化分析，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E；3、负载电感远大于谐振电感，PWM逆变桥开关状态过渡瞬间的负载电流可以认为是恒流源I0，其数值取决于各相电流的瞬时值及PWM逆变桥6个开关器件的开关状态；4、PWM逆变桥的6个主开关器件等效为Sinv，主开关器件反并联的续流二极管等效为Dinv，当Sinv导通时，表示桥臂瞬间短路。
在上述假设基础上，可得图2所示本实用新型的等效电路图，Sinv、Dinv和I0组成了PWM逆变桥的等效电路。作为初始条件，设电容Cr1和Cr2的电压uCr1和uCr2都等于E，Cr1比Cr2的电容值大。负荷电流I0以图2所示方向流过，各部分的电流电压都以图2所示的方向为正。
本实用新型在一个开关周期内可以分为9个工作模式，特征工作波形如图3所示，横轴为时间轴，纵轴为时间对应的波形的值。在图3中，等效开关器件Sinv导通表示桥臂处于短路状态，其开关状态用Sinv表示。下面结合图2和图3分别对各个工作模式进行介绍。
工作模式1（t～t0）：初始状态，负载电流经过辅助开关器件Sa1，此时Sa1处于开通状态，电路工作在稳态。
工作模式2（t0～t1）：在t0时刻，给辅助开关器件Sa2触发信号，使其导通。在谐振电感Lr的作用下，降低了流过辅助开关器件Sa2的电流的上升率，所以Sa2实现了零电流开通。Sa2开通后，辅助谐振电路开始工作，Lr和Cr1开始谐振，Cr1放电，Lr被充电，uCr1逐渐减小，iLr逐渐增大。当uCr1减小到零时，本工作模式结束。
工作模式3（t1～t2）：在t1时刻，关断辅助开关器件Sa1，在谐振电容Cr1的作用下，降低了Sa1关断瞬间端电压的上升率，所以Sa1实现了零电压关断。Sa1关断以后，二极管Da4导通，uCr1被箝位于零，Lr和Cr2开始谐振，Lr和Cr2都向电源放电，iLr和uCr2都逐渐减小，当uCr2减小到零时，直流电源不向负载传输电能，二极管Dinv导通，负载电流将通过反并联二极管Dinv续流，此时本工作模式结束。
工作模式4（t2～t3）：二极管Dinv导通以后，uCr2被箝位于零，此时，Lr承受的电压值等于E，Lr继续向电源放电，iLr线性减小。当iLr减小到零时，本工作模式结束。在本工作模式的t2时刻，直流电压开始出现零电压凹槽，所以PWM逆变桥的主开关器件可以完成零电压动作。本工作模式中，直流电源不向负载传输电能，负载电流通过桥臂上的反并联二极管Dinv续流。
工作模式5（t3～t4）：在t3时刻，二极管Da2导通，Lr和Cr1开始谐振，Lr和Cr1都被充电，iLr开始反向增大，uCr1逐渐增大，流过二极管Dinv的电流逐渐减小。在t4时刻，iLr增大到与负载电流I0相等，二极管Dinv自然关断，本工作模式结束。本工作模式中，在二极管Da2导通的时候，关断Sa2，则Sa2实现了零电流关断，直流电源不向负载传输电能，负载电流通过桥臂上的反并联二极管Dinv所在支路和Cr1、Da2、Lr所在的谐振支路续流。
工作模式6（t4～t5）：为了使谐振电感Lr储存足够的能量，以便在工作模式7的谐振过程中使uCr2增大到电源电压E，在本工作模式中必须使桥臂瞬间短路，在t4时刻，使等效开关器件Sinv导通，Sinv实现了零电压开通。Lr和Cr1继续谐振，iLr继续反向增大，uCr1也继续增大，Sinv开始导通，在t5时刻，uCr1增大到E，iLr增大到反向最大值，关断Sinv，此时桥臂恢复正常状态，本工作模式结束。本工作模式中，等效开关器件Sinv实现了零电压关断，直流电源不向负载传输电能，负载电流通过Cr1、Da2、Lr所在的谐振支路续流。
工作模式7（t5～t6）：uCr1增大到E以后，二极管Da3导通，Lr和Cr1之间停止谐振，Lr和Cr2开始谐振，Lr放电，Cr2被充电，iLr逐渐减小，uCr2逐渐增大。在t6时刻，uCr2增大到E，本工作模式结束。
工作模式8（t6～t7）：uCr2增大到E以后，Lr和Cr2之间停止谐振，二极管Da1导通，Lr开始向电源放电，Lr承受的电压值等于E，iLr线性减小，当iLr减小到与负载电流I0相等时，二极管Da1自然关断，本工作模式结束。在二极管Da1导通的时候，开通Sa1，则Sa1实现了零电压开通。
工作模式9（t7～t8）：Da1关断以后，流过Sa1的电流开始逐渐增大，iLr继续线性减小，Lr开始向负载放电，当iLr减小到零时，本工作模式结束。然后电路返回工作模式1，开始下一个开关周期的工作。

Claims (1)

1.一种新型并联谐振零电压光伏发电装置，其特征在于，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载，光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载依次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为三相阻感性负载供电；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C1；辅助谐振电路包括谐振电容Cr1和Cr2、谐振电感Lr、辅助二极管Da3和Da4、辅助开关器件Sa1和Sa2及其反并联二极管Da1和Da2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变电路，包括六个开关器件S1~S6以及它们各自的反并联二极管和并联缓冲电容，开关器件S1、S3、S5的集电极相连，作为PWM逆变桥的输入正端，开关器件S2、S4、S6的发射极相连，作为PWM逆变桥的输入负端；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C1的一端、谐振电容Cr1的一端、辅助二极管Da4的阴极、辅助开关器件Sa1的集电极、反并联二极管Da1的阴极相连，谐振电容Cr1的另一端与辅助二极管Da4的阳极、辅助开关器件Sa2的发射极、反并联二极管Da2的阳极相连，辅助开关器件Sa1的发射极与反并联二极管Da1的阳极、谐振电感Lr的一端、谐振电容Cr2的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，谐振电感Lr的另一端与辅助开关器件Sa2的集电极、反并联二极管Da2的阴极、辅助二极管Da3的阴极相连，辅助二极管Da3的阳极与直流侧储能电容C1的另一端、Boost升压电路开关器件S0的发射极、光伏阵列输出负极、谐振电容Cr2的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极相连，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连，由S2、S4、S6的集电极分别引出PWM逆变桥的a、b、c三个输出端；PWM逆变桥的a、b、c三个输出端分别和三相阻感性负载的a相、b相、c相连接。
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CN108377096A (zh) * 2018-04-19 2018-08-07 佛山市小沙江科技有限公司 一种焊接电源控制方法
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