CN204948016U - 一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置，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单元，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。本实用新型可减小开关损耗、提高开关频率，输出的线电压和相电流得到很好地控制，电流波形为光滑的正弦波，提高了光伏发电的效率。

Description

一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置，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存在2个明显的缺点：开关器件的电压应力大；电压过零点与逆变器开关策略难以同步。近些年，研究人员提出了许多改进的谐振直流环节逆变器的拓扑结构，包括有源钳位谐振直流环节逆变器、并联谐振直流环节逆变器，推动了谐振直流环节逆变器的发展，但是仍然需要进一步完善。

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，提供了一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置，通过在Boost升压电路与PWM逆变桥之间添加辅助谐振单元，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，而且辅助谐振单元中的开关器件也可以实现零电压开通和零电流关断。

本实用新型的技术方案为：一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置，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；辅助谐振电路包括电解电容C_F1和C_F2，均压电阻R₁和R₂，谐振电容C_r1和C_r2，谐振电感L_r，辅助开关器件S_a1和S_a2及其反并联二极管D_a1和D_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器，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、辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管D_a1的阳极、辅助开关器件S_a2的集电极、反并联二极管D_a2的阴极、谐振电容C_r1和C_r2各自一端、PWM逆变桥的输入正端相连，直流侧储能电容C₁的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、谐振电容C_r2的另一端、电解电容C_F2的负极、PWM逆变桥的输入负端相连，均压电阻R₁与电解电容C_F1并联连接，均压电阻R₂与电解电容C_F2并联连接，电解电容C_F1的正极与辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管D_a1的阴极、谐振电容C_r1的另一端相连，电解电容C_F1的负极与电解电容C_F2的正极、谐振电感L_r的一端相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a2的发射极、反并联二极管D_a2的阳极相连；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；2、拓扑结构中只有2个辅助开关器件，控制相对简单，而且这2个辅助开关器件可以分别实现零电压开关和零电流开关，承受的电压不超过直流侧储能电容电压；3、电路中的二极管实现了软性关断，克服了反向恢复问题；4、PWM逆变桥的开关器件操作均为零电压开关，克服了电磁干扰问题，提高了运行效率。

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。

如图1所示为一种采用零电压开关辅助谐振的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；辅助谐振电路包括电解电容C_F1和C_F2，均压电阻R₁和R₂，谐振电容C_r1和C_r2，谐振电感L_r，辅助开关器件S_a1和S_a2及其反并联二极管D_a1和D_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器，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、辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管D_a1的阳极、辅助开关器件S_a2的集电极、反并联二极管D_a2的阴极、谐振电容C_r1和C_r2各自一端、PWM逆变桥的输入正端相连，直流侧储能电容C₁的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、谐振电容C_r2的另一端、电解电容C_F2的负极、PWM逆变桥的输入负端相连，均压电阻R₁与电解电容C_F1并联连接，均压电阻R₂与电解电容C_F2并联连接，电解电容C_F1的正极与辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管D_a1的阴极、谐振电容C_r1的另一端相连，电解电容C_F1的负极与电解电容C_F2的正极、谐振电感L_r的一端相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a2的发射极、反并联二极管D_a2的阳极相连；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；辅助谐振电路为PWM逆变桥开关器件提供零电压开关条件；PWM逆变桥的开关器件在直流侧储能电容电压凹槽期间关断或开通，功率器件开关时无电压和电流的重叠，从而降低了开关损耗。

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；4、PWM逆变桥开关状态过渡瞬间，某一相桥臂中处于关断状态的开关器件等效为S_inv，该开关器件反并联的续流二极管等效为D_inv，与该开关器件并联的负载电流支路等效为恒流源I₀所在的支路。

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，S_inv、D_inv和I₀组成了PWM逆变桥的单相等效电路。作为初始条件设电容C_r1的电压u_Cr1等于0，电容C_r2的电压u_Cr2等于E，C_r1和C_r2比C_F1、C_F2的电容值小很多。为使C_F1、C_F2承受的电压相等，均压电阻R₁和R₂为大阻值小功率的电阻。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。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，直流电流i₁分为两部分电流i₂和i₃，i₂流向负载，i₃经过S_a1的反并联二极管D_a1流向电解电容C_F1，此时S_a1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S_a2触发信号，使其导通。在谐振电感L_r的作用下，降低了流过辅助开关器件S_a2的电流的上升率，所以S_a2实现了零电流开通。S_a2开通后，谐振电感L_r承受的电压值为E/2，L_r被充电，流过L_r的电流i_Lr线性增大，同时流过续流二极管D_a1的电流以同样的速率线性减小，在t₁时刻，当i_Lr线性增大到与电流i₃的电流值I_b1相同时，二极管D_a1自然关断，工作模式2结束。

工作模式3（t₁～t₂）：从t₁时刻开始，L_r继续被充电，i_Lr继续线性增大，同时流过辅助开关S_a1的电流从零开始线性增大。在t₂时刻，当i_Lr增大到设定值I_b2时，工作模式3结束。

工作模式4（t₂～t₃）：在t₂时刻，关断辅助开关S_a1，在其并联谐振电容C_r1的作用下，降低了S_a1关断瞬间端电压的上升率，所以S_a1实现了零电压关断。S_a1关断以后，L_r、C_r1和C_r2开始谐振，C_r2放电，L_r和C_r1被充电，i_Lr继续增大，C_r2的端电压从E逐渐减小，C_r1的端电压从零逐渐增大。C_r2的端电压减小到E/2时，i_Lr增加到最大值，然后L_r开始放电，i_Lr开始减小。在t₃时刻，当C_r2的端电压减小到零时，二极管D_inv开始导通，工作模式4结束。

工作模式5（t₃～t₄）：在t₃时刻，谐振电感承受的电压值为-E/2，谐振电流i_Lr开始从电流值I_b2线性减小，当线性减小到与直流电流i₁的电流值I_d相等时，工作模式5结束。因为在本工作模式中，续流二极管D_inv导通，所以在本工作模式中开通PWM逆变桥等效功率开关器件S_inv为零电压开通。

工作模式6（t₄～t₅）：i_Lr继续线性减小，同时流过S_inv的电流从零开始线性增大，在t₅时刻，当i_Lr线性减小到零时，工作模式6结束。

工作模式7（t₅～t₆）：在t₅时刻，谐振电感承受的电压值仍然是-E/2，i_Lr开始反向线性增大，二极管D_a2导通，当i_Lr反向增大到设定值I_b3时，工作模式7结束。因为在本工作模式中D_a2导通，所以在本工作模式中关断辅助开关S_a2为零电流关断。

工作模式8（t₆～t₇）：在t₆时刻，关断PWM逆变桥等效功率开关器件S_inv，为零电压关断。S_inv关断以后，L_r、C_r1和C_r2开始谐振，C_r1放电，L_r和C_r2被充电，i_Lr继续反向增大。C_r1的端电压从E逐渐减小，C_r2的端电压从零逐渐增大。C_r1的端电压减小到E/2时，i_Lr反向增加到最大值，然后L_r开始放电，i_Lr开始减小。在t₇时刻，当C_r1的端电压减小到零时，工作模式8结束。

工作模式9（t₇～t₈）：在t₇时刻，开通辅助开关S_a1，因为此时C_r1的端电压减小到零，所以S_a1为零电压开通。S_a1开通后，i_Lr开始线性减小，流过S_a1的电流开始线性增大，当i_Lr线性减小到零时，工作模式9结束。

Claims (1)

1.一种采用零电压开关辅助谐振的光伏发电装置，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；辅助谐振电路包括电解电容C_F1和C_F2，均压电阻R₁和R₂，谐振电容C_r1和C_r2，谐振电感L_r，辅助开关器件S_a1和S_a2及其反并联二极管D_a1和D_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器，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、辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管D_a1的阳极、辅助开关器件S_a2的集电极、反并联二极管D_a2的阴极、谐振电容C_r1和C_r2各自一端、PWM逆变桥的输入正端相连，直流侧储能电容C₁的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、谐振电容C_r2的另一端、电解电容C_F2的负极、PWM逆变桥的输入负端相连，均压电阻R₁与电解电容C_F1并联连接，均压电阻R₂与电解电容C_F2并联连接，电解电容C_F1的正极与辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管D_a1的阴极、谐振电容C_r1的另一端相连，电解电容C_F1的负极与电解电容C_F2的正极、谐振电感L_r的一端相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a2的发射极、反并联二极管D_a2的阳极相连；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。