CN205754197U - 带有低能耗辅助电路的光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带有低能耗辅助电路的光伏发电系统，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、三相阻感性负载。在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振电路，使直流母线电压周期性地归零，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关断和零电流开通；此外，其辅助谐振电路只有一个辅助开关器件，控制简单；辅助开关器件和谐振元件都位于直流母线的并联支路上，有利于降低辅助谐振电路的能耗，从而提高光伏发电系统的效率。

Description

带有低能耗辅助电路的光伏发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种带有低能耗辅助电路的光伏发电系统，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。

近些年，并联谐振直流环节逆变器受到了广泛的重视，研究人员提出了多种并联谐振直流环节逆变器的拓扑结构，推动了并联谐振直流环节逆变器的发展，但是仍然需要进一步完善，包括两方面：1、辅助谐振电路中辅助开关器件的个数较多，不利于降低硬件成本和简化控制方式；2、辅助谐振电路中有1个辅助开关器件串接在直流母线上，其导通损耗将严重影响逆变器效率提高。

发明内容

本实用新型发明了带有低能耗辅助电路的光伏发电系统，在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振电路，使直流母线电压周期性地归零，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关断和零电流开通；此外，其辅助谐振电路只有一个辅助开关器件，控制简单；辅助开关器件和谐振元件都位于直流母线的并联支路上，有利于降低辅助谐振电路的能耗，从而提高光伏发电系统的效率。

本实用新型的技术方案为：带有低能耗辅助电路的光伏发电系统，包括光伏阵列、Boost升压电路、辅助谐振电路、PWM逆变桥、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、三相阻感性负载顺次连接，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VD₀、直流侧储能电容C_d；辅助谐振电路包括电感L_d、电容C₁和C₂、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及其反并联二极管VD_a1；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C_d的一端、电感L_d的一端相连，电感L_d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、谐振电感L_r的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，辅助开关器件S_a1的集电极与反并联二极管VD_a1的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与谐振电感L_r的另一端、电容C₂的一端相连，电容C₂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、直流侧储能电容C_d的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；PWM逆变桥中，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，由开关器件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三个输出端均接至三相阻感性负载。

本实用新型的有益效果为：1、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；2、辅助谐振电路只有1个辅助开关器件，硬件成本低、控制简单；3、辅助谐振电路中的元件都没有串接在直流母线上，有利于降低辅助谐振电路的能耗和提高光伏发电系统的效率；4、当电路工作于稳态，辅助谐振电路不工作时，因为辅助电路中的两个大电容的稳态电压之和高于电源电压，所以没有稳态电流流过辅助谐振电路，更有利于降低辅助谐振电路的能耗；5、PWM逆变桥的六个开关器件操作均为零电压开关，辅助开关器件实现了零电压关断和零电流开通。

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_C1、u_C2分别为电容C_x、C₁、C₂两端的电压。

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，带有低能耗辅助电路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、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、三相阻感性负载顺次连接，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VD₀、直流侧储能电容C_d；辅助谐振电路包括电感L_d、电容C₁和C₂、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及其反并联二极管VD_a1；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C_d的一端、电感L_d的一端相连，电感L_d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、谐振电感L_r的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，辅助开关器件S_a1的集电极与反并联二极管VD_a1的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与谐振电感L_r的另一端、电容C₂的一端相连，电容C₂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、直流侧储能电容C_d的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；PWM逆变桥中，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，由开关器件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三个输出端均接至三相阻感性负载。

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，当S_inv导通时，表示桥臂瞬间短路；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7个工作模式。下面结合图2对各个工作模式进行介绍。

工作模式1(t～t₀)：初始状态，电路工作于稳态，直流供电电源向负载传输电能，辅助开关器件S_a1处于关断状态，电容C₁和C₂的端电压u_C1和u_C2可以看成是不变的，其中E＝u_C2＞u_C1，u_C1+u_C2＞E，VD_a1处于截止状态，没有稳态电流流过辅助谐振电路。

工作模式2(t₀～t₁)：在t₀时刻，开通辅助开关器件S_a1，在谐振电感L_r的作用下，降低了流过辅助开关器件S_a1的电流的上升率，所以S_a1实现了零电流开通。S_a1开通后，C_r的端电 压u_Cr从E增大到u_C1+u_C2，同时谐振电感L_r承受的电压值为u_C1，L_r被充电，流过L_r的电流i_Lr线性增大。在t₁时刻，当i_Lr线性增大到电流值I_b1时，工作模式2结束。在工作模式2中，S_a1开通瞬间，由于C_r的端电压u_Cr从E增大到u_C1+u_C2，此时会有冲击电流流过S_a1，但是因为E＝u_C2，u_C1比E小很多，可以近似认为E≈u_C1+u_C2，冲击电流约等于零，而且实际线路中存在杂散电感，也可以在一定程度上抑制较小的冲击电流，所以在忽略冲击电流的前提下，近似认为S_a1实现了零电流开通。

工作模式3(t₁～t₂)：在t₁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，L_r和C_r开始谐振，C_r放电，L_r被充电，i_Lr继续增大，C_r的端电压从u_C1+u_C2逐渐减小。C_r的端电压减小到u_C2时，i_Lr增加到最大值，然后L_r开始放电，i_Lr开始减小。在t₂时刻，当C_r的端电压减小到零时，二极管VD_inv开始导通，工作模式3结束。

工作模式4(t₂～t₃)：设i_Lr(t₂)＝I_L2，在t₂时刻，直流母线电压下降到零，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，L_r承受电压值为u_C2，L_r放电，向电容C₂回馈能量，流过L_r的电流线性减小，在t₃时刻，当i_Lr＝0时，工作模式4结束.在二极管VD_inv导通期间，开通S_inv，则S_inv实现了零电压开通。

工作模式5(t₃～t₄)：在t₃时刻，谐振电感L_r承受的电压值仍然是u_C2，i_Lr开始反向线性增大，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t₄时刻，当i_Lr反向增大到设定值I_b2时，工作模式5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6的谐振过程中使直流母线电压回升到u_C1+u_C2，所以在工作本模式中必须使桥臂瞬间短路。因为图2中的大电感L_d可以在短时间内有效抑制短路电流的变化，所以短时间的桥臂短路不会损坏直流供电电源。本工作模式中直流母线电压为零，负载电流通过二极管VD_inv续流。

工作模式6(t₄～t₅)：在t₄时刻，当i_Lr反向增大到设定值I_b2时，关断S_inv，因为此时直流母线电压仍为零，所以S_inv实现了零电压关断。等效开关器件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母线电压为零的期间内完成了零电压切换。S_inv关断以后，L_r和C_r开始谐振，L_r和C_r被充电，i_Lr继续反向增大，C_r的端电压从零逐渐增大。C_r的端电压增大到u_C2时，i_Lr反向增加到最大值，然后L_r开始放电，iLr开始减小。在t₅时刻，当C_r的端电压增大到u_C1+u_C2时，工作模式6结束。

工作模式7(t₅～t₆)：设i_Lr(t₅)＝I_L5，在t₅时刻，二极管VD_a1导通以后，谐振电感L_r承受的电压值为u_C1，L_r放电，流过L_r的电流i_Lr开始从I_L5线性减小，在t₆时刻，当i_Lr线性减小到零时，二极管VD_a1自然关断，工作模式7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.带有低能耗辅助电路的光伏发电系统，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、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、三相阻感性负载顺次连接，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VD₀、直流侧储能电容C_d；辅助谐振电路包括电感L_d、电容C₁和C₂、谐振电感L_r、辅助开关器件S_a1及其反并联二极管VD_a1；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C_d的一端、电感L_d的一端相连，电感L_d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、谐振电感L_r的一端、PWM逆变桥的输入正端相连，辅助开关器件S_a1的集电极与反并联二极管VD_a1的阴极、电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与谐振电感L_r的另一端、电容C₂的一端相连，电容C₂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、直流侧储能电容C_d的另一端、PWM逆变桥的输入负端相连；PWM逆变桥中，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，由开关器件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三个输出端均接至三相阻感性负载。