CN206099807U - 一种家用小功率光伏发电逆变装置 - Google Patents

Abstract

一种家用小功率光伏发电逆变装置，属于新能源光伏发电领域。包括光伏阵列、输入电压检测单元、功率开关器件S2、耦合电感L1、功率开关器件S1、电容电压检测单元、输出电压检测单元、输出电流检测单元、功率开关器件S1 S2驱动单元、保护单元、时钟、电源单元、按键输入单元、液晶显示单元和控制器等。其结构简单且功率开关器件之间允许直通，无需设置死区时间保护，可靠性高且输出电能畸变小，单级式半桥型Z源逆变结构采用直流侧、交流侧共地，最大程度抑制了共模泄露电流，Z源阻抗网络的存在减小了直流电流脉动，避免直流电流分量注入交流电网进而造成配电变压器铁芯饱和、剩余电流动作保护器误动，影响电能表计量准确度，具有广泛的应用前景。

Description

一种家用小功率光伏发电逆变装置

技术领域

本实用新型涉及新能源光伏发电领域，具体涉及一种家用小功率光伏发电逆变装置。

背景技术

太阳能资源具有分布广泛，取之不尽用之不竭而且环保无污染等优点，在能源危机的今天得到了全世界的重视，其中利用太阳能光伏发电更是其重要的一种利用方式。我国地理范围辽阔，具有非常可观的太阳能资源，受利于国家政策的激励导向和国家电网公司的大力扶持，我国光伏发电装机总量已跃居世界第一。众多光伏发电应用场合中，小功率分布式家用光伏发电系统具有广阔的应用前景。利用家庭建筑物屋顶和壁面即可实现太阳能转换，具有布局灵活，投资门槛低，收益见效快等优点。但是目前市场上家用小功率光伏发电逆变装置大多采用带变压器隔离型逆变或者两级式全桥逆变这两种拓扑结构，由于变压器的存在，不仅装置体积较大，而且所用功率开关器件个数较多，每个功率开关器件需要配套驱动保护系统，整体结构复杂，降低了系统的可靠性，导致维护成本增加。另外，这些拓扑结构中直流侧和交流侧不共地，导致共模泄露电流以及直流电流分量注入交流电网。若是大量的此类逆变装置接入低压配电网中，会导致配电变压器铁芯直流偏置饱和产生发热和振动，直流电流分量的存在还会对台区剩余电流动作保护器产生影响造成误动，降低供电可靠性，另外还会影响各计量装置的精度，对配电网产生消极影响。本实用新型提供一种家用小功率光伏发电逆变装置。它通过两个功率开关器件和Z源阻抗网络将太阳能转化的直流电能输出为工频交流电，所用功率开关器件少，结构简单且功率开关器件之间允许直通，无需设置死区时间保护，可靠性高且输出电能畸变小。该单级式半桥型Z源逆变结构采用直流侧、交流侧共地，最大程度抑制了共模泄露电流，同时Z源阻抗网络的存在减小了直流电流脉动，避免直流电流分量注入交流电网。装置所用器件少，体积小、成本低、结构简单可靠，输出性能高，在小功率家用光伏发电场合具有广泛的应用前景。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型公开了一种测绘仪器用支架，具有输出性能可靠，对电网无污染而且体积小、成本低、结构简单，在小成本和小功率应用场合极具市场竞争力。

本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种家用小功率光伏发电逆变装置，包括：光伏阵列(1)、输入电压检测单元、功率开关器件S2、耦合电感L1、功率开关器件S1、电容C1、电容电压检测单元、耦合电感L2、电容C2、输出电压检测单元、输出电流检测单元、负载、功率开关器件S1S2驱动单元、保护单元、时钟、电源单元、按键输入单元、液晶显示单元和控制器；所述的光伏阵列将太阳能转化为直流电能，功率开关器件S1和功率开关器件S2组成半桥型逆变电路，耦合电感L1、电容C1、耦合电感L2、电容C2组成Z源阻抗网络，功率开关器件S1经耦合电感L1与光伏阵列输出端口并联，电容C1经耦合电感L1与功率开关器件S2并联，耦合电感L2与电容C2串联。

优选的，所述半桥型逆变电路中的功率器件的导通关断控制配合以Z源阻抗网络中的无源器件将直流电逆变成交流电输出至负载。

优选的，所述输入电压检测单元测量光伏阵列输出端口电压，电容电压检测单元测量电容C1两端电压，输出电压检测单元、输出电流检测单元分别测量负载的电压和电流，各检测单元将测量信号输入至控制器，控制器输出PWM信号经功率开关器件S1S2驱动单元控制功率开关器件S1和功率开关器件S2的导通和关断，通过按键输入单元和液晶显示单元提供人机交互接口，供调节和观察信号。

优选的，所述控制器为单片机或DSP、ARM等微处理器，功率器件为全控型半导体电力电子器件，负载为小功率家用电器等阻感负载或者是单相低压交流电网。

优选的，所述功率开关器件S1S2驱动单元采用专用集成驱动芯片及其外围电路，检测单元采用集成放大器及其信号调理电路，控制器及驱动单元的电源采用开关电源，保护单元采用热敏电阻及其信号调理电路。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过两个功率开关器件和Z源阻抗网络将太阳能转化的直流电能输出为工频交流电，所用功率开关器件少，结构简单且功率开关器件之间允许直通，无需设置死区时间保护，可靠性高且输出电能畸变小。该单级式半桥型Z源逆变结构采用直流侧、交流侧共地，最大程度抑制了共模泄露电流，同时Z源阻抗网络的存在减小了直流电流脉动，避免直流电流分量注入交流电网进而造成配电变压器铁芯饱和、剩余电流动作保护器误动，影响电能表计量准确度。装置体积小、成本低、结构简单可靠，输出性能高，在小功率家用光伏发电场合具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的电路结构示意图；

图中的标号分别代表：

1、光伏阵列；2、输入电压检测单元；3、功率开关器件S2；4、耦合电感L1；5、功率开关器件S1；6、电容C1；7、电容电压检测单元；8、耦合电感L2；9、电容C2；10、输出电压检测单元；11、输出电流检测单元；12、负载；13、功率开关器件S1S2驱动单元；14、保护单元；15、电源单元；16、按键输入单元；17、液晶显示单元；18和控制器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种家用小功率光伏发电逆变装置，包括：光伏阵列(1)、输入电压检测单元、功率开关器件S2、耦合电感L1、功率开关器件S1、电容C1、电容电压检测单元、耦合电感L2、电容C2、输出电压检测单元、输出电流检测单元、负载、功率开关器件S1S2驱动单元、保护单元、时钟、电源单元、按键输入单元、液晶显示单元和控制器；的光伏阵列将太阳能转化为直流电能，功率开关器件S1和功率开关器件S2组成半桥型逆变电路，耦合电感L1、电容C1、耦合电感L2、电容C2组成Z源阻抗网络，功率开关器件S1经耦合电感L1与光伏阵列输出端口并联，电容C1经耦合电感L1与功率开关器件S2并联，耦合电感L2与电容C2串联。

具体的，桥型逆变电路中的功率器件的导通关断控制配合以Z源阻抗网络中的无源器件将直流电逆变成交流电输出至负载，输入电压检测单元测量光伏阵列输出端口电压，电容电压检测单元测量电容C1两端电压，输出电压检测单元、输出电流检测单元分别测量负载的电压和电流，各检测单元将测量信号输入至控制器，控制器输出PWM信号经功率开关器件S1S2驱动单元控制功率开关器件S1和功率开关器件S2的导通和关断，通过按键输入单元和液晶显示单元提供人机交互接口，供调节和观察信号，控制器为单片机或DSP、ARM等微处理器，功率器件为全控型半导体电力电子器件，负载为小功率家用电器等阻感负载或者是单相低压交流电网，功率开关器件S1S2驱动单元采用专用集成驱动芯片及其外围电路，检测单元采用集成放大器及其信号调理电路，控制器及驱动单元的电源采用开关电源，保护单元采用热敏电阻及其信号调理电路。

本实施方式中，结合图1，说明本实用新型装置中的将光伏太阳能发出的直流电逆变成交流电的过程。当功率开关器件S1导通，S2关断时，光伏阵列通过S1导通回路对耦合电感L1充电储能，电容C1、C2放电，耦合电感L2充电；当功率开关器件S1关断，S2导通时，耦合电感L1、L2以及光伏阵列对电容放电。根据电感两端电压伏秒平衡原则以及电容充放电平衡原则，可以得到输入输出电压和S1导通占空比关系如下：V0/Vin＝(1-2D)/(1-D)、VC1＝Vin*D/(1-D)、IL2＝-I0、IL1＝I0*D/(1-D)。Vin表示光伏阵列端口电压，V0表示负载端输出电压，VC1表示电容C1两端电压，IL2、IL1分别表示耦合电感L1、L2的电流。从上述公式可以看出，当功率开关器件的导通占空比0<D<0.5时，输出电压呈正半周高电平，当功率开关器件的导通占空比0.5<D<2/3时，输出电压呈负半周低电平，当功率开关器件的导通占空比D＝0时，输出电压为零。由此可以看出，通过控制功率开关器件的导通占空比即可实现交流侧PWM逆变输出。进一步分析可知，当假设输出电压V0＝V*Sinwt时，定义调制度M＝V/Vin,那么功率开关器件S1的导通占空比可以表示为D＝(1-M*Sinwt)/(2-M*Sinwt),功率开关器件S2的导通占空比可以表示为D’＝1/(2-M*Sinwt)。其中w是交流信号角频率，t是时间；综上所述，两个开关器件的导通占空比并不是常规的线性关系，而是和期望输出电压频率有关的非线性关系，由控制器按照上述关系式控制功率开关器件的导通关断即可得到期望的交流电压输出。

本实用新型通过两个功率开关器件和Z源阻抗网络将太阳能转化的直流电能输出为工频交流电，所用功率开关器件少，结构简单且功率开关器件之间允许直通，无需设置死区时间保护，可靠性高且输出电能畸变小。该单级式半桥型Z源逆变结构采用直流侧、交流侧共地，最大程度抑制了共模泄露电流，同时Z源阻抗网络的存在减小了直流电流脉动，避免直流电流分量注入交流电网进而造成配电变压器铁芯饱和、剩余电流动作保护器误动，影响电能表计量准确度。装置体积小、成本低、结构简单可靠，输出性能高，在小功率家用光伏发电场合具有广泛的应用前景。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种家用小功率光伏发电逆变装置，其特征在于包括：光伏阵列(1)、输入电压检测单元(2)、功率开关器件S2(3)、耦合电感L1(4)、功率开关器件S1(5)、电容C1(6)、电容电压检测单元(7)、耦合电感L2(8)、电容C2(9)、输出电压检测单元(10)、输出电流检测单元(11)、负载(12)、功率开关器件S1S2驱动单元(13)、保护单元(14)、时钟、电源单元(15)、按键输入单元(16)、液晶显示单元(17)和控制器(18)；所述的光伏阵列(1)将太阳能转化为直流电能，功率开关器件S1(5)和功率开关器件S2(3)组成半桥型逆变电路，耦合电感L1(4)、电容C1(6)、耦合电感L2(8)、电容C2(9)组成Z源阻抗网络，功率开关器件S1(5)经耦合电感L1(4)与光伏阵列(1)输出端口并联，电容C1(6)经耦合电感L1(4)与功率开关器件S2(3)并联，耦合电感L2(8)与电容C2(9)串联。

2.根据权利要求1所述的一种家用小功率光伏发电逆变装置，其特征在于：所述半桥型逆变电路中的功率器件的导通关断控制配合以Z源阻抗网络中的无源器件将直流电逆变成交流电输出至负载(12)。

3.根据权利要求1所述的一种家用小功率光伏发电逆变装置，其特征在于：所述输入电压检测单元(2)测量光伏阵列(1)输出端口电压，电容电压检测单元(7)测量电容C1(6)两端电压，输出电压检测单元(10)、输出电流检测单元(11)分别测量负载(12)的电压和电流，各检测单元将测量信号输入至控制器(18)，控制器(18)输出PWM信号经功率开关器件S1S2驱动单元(13)控制功率开关器件S1(5)和功率开关器件S2(3)的导通和关断，通过按键输入单元(16)和液晶显示单元(17)提供人机交互接口，供调节和观察信号。

4.根据权利要求3所述的一种家用小功率光伏发电逆变装置，其特征在于：所述控制器为单片机或DSP、ARM等微处理器，功率器件为全控型半导体电力电子器件，负载为小功率家用电器等阻感负载或者是单相低压交流电网。

5.根据权利要求1所述的一种家用小功率光伏发电逆变装置，其特征在于：所述功率开关器件S1S2驱动单元采用专用集成驱动芯片及其外围电路，检测单元采用集成放大器及其信号调理电路，控制器及驱动单元的电源采用开关电源，保护单元采用热敏电阻及其信号调理电路。