CN205304678U - 一种用于电机驱动的光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电机驱动的光伏发电系统，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机；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逆变桥实现DC/AC变换。通过在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振电路，使直流链电压周期性地归零，可以实现PWM逆变桥主开关器件的零电压开关，而且辅助开关器件也可以实现零电压开关。此外，其辅助谐振电路只有一个辅助开关器件，所以该逆变器控制相对简单，硬件成本低。

Description

一种用于电机驱动的光伏发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于电机驱动的光伏发电系统，属于分布式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。对直流电压较高的负载供电，蓄电池电压一般较低，满足不了其供电需求。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。

为了实现电机控制系统的高功率密度和高性能运行，必须提高逆变器的工作频率以提高功率变换器的效率。用于交流电机驱动的谐振直流环节软开关逆变器以其结构简单、控制方便而受到研究者的关注。从早期的谐振直流环节逆变器、有源箝位谐振直流环节逆变器，发展到各种并联谐振直流环节逆变器。并联谐振直流环节逆变器具有电感元件在并联支路，可以减少电感损耗、各元件电压应力低、各开关元件均工作于软开关状态下、电路具有良好的脉宽调制应用能力等优点，是目前谐振直流环节逆变器拓扑研究发展的主流。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供了一种用于电机驱动的光伏发电系统，通过在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振电路，使直流链电压周期性地归零，可以实现PWM逆变桥主开关器件的零电压开关，而且辅助开关器件也可以实现零电压开关。此外，其辅助谐振电路只有一个辅助开关器件，所以该逆变器控制相对简单，硬件成本低。

本实用新型的技术方案为：一种用于电机驱动的光伏发电系统，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机；光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机顺次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为交流电机供电；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VD₀、直流侧储能电容C₁；辅助谐振电路包括谐振电容C_x、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及S_a1的反并联二极管VD_a1、辅助二极管VD_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，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VD₀的阳极相连，Boost升压电路二极管VD₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管VD_a1的阴极、谐振电容C_x的一端、辅助二极管VD_a2的阴极相连，谐振电容C_x的另一端与谐振电感L_r的一端、辅助二极管VD_a2的阳极相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管VD_a1的阳极、PWM逆变桥的输入正端相连，PWM逆变桥的输入负端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、直流侧储能电容C₁的另一端相连；PWM逆变桥中，S₁的发射极与S₂的集电极相连，S₃的发射极与S₄的集电极相连，S₅的发射极与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三个输出端分别接至交流电机，驱动交流电机运转。

本实用新型的有益效果为：1、辅助谐振电路为PWM逆变桥开关器件提供零电压开关条件，只有1个辅助开关器件，无源辅助元件只有1个谐振电感，1个谐振电容和1个辅助二极管，有利于实现装置的小型化，轻量化和控制简单化；2、六个主开关器件在直流链零电压凹槽内完成切换以后，不需要控制辅助开关器件，直流母线电压可以自然回升到电源电压，控制更简单；3、主开关器件和辅助开关器件都可以实现零电压开关，承受电压不超过直流电压；4、主开关器件在直流链零电压凹槽内切换时，不需要设置死区，通过桥臂短路使谐振电感存储足够的能量，保证主开关器件完成切换后，直流链电压可以回升到电源电压；5、直流侧没串联分压电容，因此无中性点电位的变化问题。

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；i_Lr为流过L_r的电流，u_Cx、u_Cr分别为电容C_x、C_r两端的电压。

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，一种用于电机驱动的光伏发电系统结构示意图，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机；光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机顺次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为交流电机供电；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VD₀、直流侧储能电容C₁；辅助谐振电路包括谐振电容C_x、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及S_a1的反并联二极管VD_a1、辅助二极管VD_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，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VD₀的阳极相连，Boost升压电路二极管VD₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管VD_a1的阴极、谐振电容C_x的一端、辅助二极管VD_a2的阴极相连，谐振电容C_x的另一端与谐振电感L_r的一端、辅助二极管VD_a2的阳极相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管VD_a1的阳极、PWM逆变桥的输入正端相连，PWM逆变桥的输入负端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、直流侧储能电容C₁的另一端相连；PWM逆变桥中，S₁的发射极与S₂的集电极相连，S₃的发射极与S₄的集电极相连，S₅的发射极与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三个输出端分别接至交流电机，驱动交流电机运转。

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逆变桥实现DC/AC变换。

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、Boost升压电路、等效为一直流电压源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S_inv，主开关器件反并联的续流二极管等效为VD_inv；5、PWM逆变桥的6个缓冲电容等效为C_r。

在上述五点假设基础上，可得图2所示本实用新型的等效电路图，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6个工作模式，电路的特征工作波形如图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，电源通过辅助开关器件S_a1向负载传输电能，此时S_a1处于开通状态，电路工作在稳态，同时在S_a1、L_r、VD_a2组成的回路中，有恒定的环流流过，设流过L_r的电流值为－I_L0，本工作模式的持续时间为T₁。

工作模式2(t₀～t₁)：在t₀时刻，关断辅助开关器件S_a1，在电容C_r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，辅助谐振电路开始工作，L_r和C_r开始谐振，L_r放电，向电源回馈能量；C_r也放电，同时向电源和负载回馈能量。随着C_r放电，直流链电压逐渐下降，在t₁时刻，直流链电压下降到零，即u_Cr＝0时，本工作模式结束。

工作模式3(t₁～t₂)：在t₁时刻，直流链电压下降到零，直流电源不向负载传输电能，二极管VD_inv导通，负载电流将通过二极管VD_inv续流，同时直流电源E、辅助二极管VD_a2、谐振电感L_r和二极管VD_inv处于同一回路中，L_r承受电压为E，L_r放电，向电源回馈能量，流过L_r的电流线性减小，在t₂时刻，当i_Lr＝0时，本工作模式结束。因为本工作模式中直流链电压为零，所以在本工作模式中开通S_inv，则S_inv实现了零电压开通。

工作模式4(t₂～t₃)：从t₂时刻开始，L_r和C_x开始谐振，L_r和C_x被充电，i_Lr和u_Cx逐渐正向增大，因为电流开始流过等效开关器件S_inv，所以桥臂处于短路状态。在t₃时刻，当i_Lr正向增大到设定值I_L3时，本工作模式结束。为了使谐振电感L_r储存足够的能量，以便在工作模式5的谐振过程中使直流链电压回升到电源电压E，所以在本工作模式中必须使桥臂瞬间短路。因为辅助开关器件S_a1已经关断，所以桥臂短路不会损坏直流电源。本工作模式中直流链电压为零，直流电源不向负载传输电能，所以负载电流通过二极管VD_inv续流。

工作模式5(t₃～t₄)：在t₃时刻，当i_Lr正向增大到设定值I_L3时，关断等效开关器件S_inv，因为此时直流链电压仍为零，所以S_inv实现了零电压关断。等效开关S_inv关断以后，桥臂恢复正常状态，相当于桥臂上的主开关器件在直流链电压为零的期间内完成了零电压切换。S_inv关断以后，L_r、C_r和C_x开始谐振。因为C_x的电容值远大于C_r的电容值，且C_r和C_x串联，为简化分析，回路的总电容值近似为C_r，在工作本模式中，可以认为u_Cx是近似不变的，u_Cx≈u_Cx(t₃)通过L_r和C_r的谐振使直流链电压回升。在谐振过程中，L_r和C_r都被充电，i_Lr和u_Cr逐渐增大，当u_Cr增大到E－u_Cx(t₃)时，i_Lr增加到最大值，然后u_Cr继续增大，i_Lr开始减小，在t₄时刻，i_Lr减小到I_L4，u_Cr增大到直流电源电压E时，本工作模式结束。

工作模式6(t₄～t₅)：本工作模式分为两个阶段，第一阶段t₄～t_z期间内，在t₄时刻，u_Cr增大到E，二极管VD_a1导通，u_Cr被箝位于E，然后L_r和C_x开始谐振，L_r放电，C_x被充电，i_Lr开始从I_L4逐渐减小，u_Cx继续增大。当i_Lr减小到与负载电流I₀相等时，二极管VD_a1自然截止，然后电流开始流过S_a1。在二极管VD_a1导通的时候，即i_Lr减小到I₀之前，开通辅助开关S_a1，则S_a1实现了零电压开通。在t_z时刻，当i_Lr减小到零，u_Cr增大到最大值时，第一阶段结束，然后本工作模式进人到第二阶段，从t_z时刻开始，L_r和C_x继续谐振，C_x放电，L_r被反向充电，i_Lr开始反向增大，u_Cx开始减小。在t₅时刻，u_Cx减小到零，i_Lr反向增大到I_L0时，C_x并联的辅助二极管VD_a2导通，u_Cx被箝位于零，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)

1.一种用于电机驱动的光伏发电系统，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、交流电机；光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、交流电机顺次连接，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为交流电机供电；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VD₀、直流侧储能电容C₁；辅助谐振电路包括谐振电容C_x、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及S_a1的反并联二极管VD_a1、辅助二极管VD_a2；PWM逆变桥采用三相全桥逆变器结构，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VD₀的阳极相连，Boost升压电路二极管VD₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、辅助开关器件S_a1的集电极、反并联二极管VD_a1的阴极、谐振电容C_x的一端、辅助二极管VD_a2的阴极相连，谐振电容C_x的另一端与谐振电感L_r的一端、辅助二极管VD_a2的阳极相连，谐振电感L_r的另一端与辅助开关器件S_a1的发射极、反并联二极管VD_a1的阳极、PWM逆变桥的输入正端相连，PWM逆变桥的输入负端与光伏阵列输出负极、Boost升压电路开关器件S₀的发射极、直流侧储能电容C₁的另一端相连；PWM逆变桥中，S₁的发射极与S₂的集电极相连，S₃的发射极与S₄的集电极相连，S₅的发射极与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三个输出端分别接至交流电机，驱动交流电机运转。