CN206237330U - 一种非隔离式微型光伏并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种非隔离式微型光伏并网逆变器，包括：太阳能电池板输入滤波电容，非隔离式DC‑DC变换器，直流母线电容，双Buck逆变电路以及电网。本实用新型的主要技术特点和优点是：(1)该逆变器不需要高频变压器，提升系统效率的同时也降低了成本；(2)该逆变器采用的是前后两级式电路拓扑结构，直流母线的电压较高，利用薄膜电容作为直流母线电容，提升了系统的稳定性和寿命；(4)该电路后级是双Buck逆变电路拓扑，该拓扑的桥臂在任何时候都不会出现直通的问题，提高了系统的稳定性；(5)该双Buck逆变电路拓扑中的开关管PWM控制不需要添加死区，开关频率更高，磁性元件更小，系统的功率密度更高。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种非隔离式微型光伏并网逆变器，属于光伏发电并网、直流-直流(DC-DC)和直流-交流(DC-AC)变换器领域。
背景技术
光伏发电具有清洁环保、可再生等优点，是应对能源紧缺、气候变化的一个有效途径。随着环境污染、能源紧缺等问题日益严重，人们越来越关注太阳能这种清洁可再生能源的应用，太阳能是极具发展前景的新一代能源。光伏逆变器是将太阳能电池板产生的直流电转换成交流电并注入到电网的关键环节，传统的光伏系统将若干太阳能电池板通过串并联组合，把能量集中送到一个或多个逆变器，再由逆变器生成交流电送入电网。这种集中式发电方式往往受制于发电效率低、安装不易、电池板匹配困难等缺点。微型光伏逆变器通过给每块光伏组件单独配置控制器，可以实现每块太阳能电池板最大功率跟踪，同时，微型光伏逆变器具有即插即用、安装简单、灵活扩容、系统变换效率高等优点，所以引起了广泛关注。
更高的MPPT效率、更好的易用性、更低的安装成本、更高的安全性以及完善的实时监测性，使得微型光伏逆变器成为未来光伏并网系统的发展方向之一。但是工业上对更稳定性、更长的使用寿命、更高能量变换效率、更高功率密度和更低单位瓦数成本等的需求给微型光伏逆变器的设计带来了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的主要在于克服传统微型光伏逆变器因使用电解电容作为能量解耦元件，导致的寿命难以和光伏电池寿命相匹配，以及微型光伏逆变器的桥式逆变电路部分中的桥臂存在直通风险，造成的稳定性不高的缺点，克服了微型光伏逆变器因变压器的使用而导致的成本和能量转换效率较低的缺点，克服了微型光伏逆变器的功率密度相对于组串式光伏逆变器和集中式光伏逆变器低的缺点。本发明提供了一种特别是涉及一种非隔离式微型光伏并网逆变器，具有工作寿命长、稳定性好、功率密度和能量转换效率高、同时具备成本优势的解决方案。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种非隔离式微型光伏并网逆变器，包括：太阳能电池板、输入滤波电容、非隔离式DC-DC变换器、直流母线电容、双Buck逆变电路以及电网，所述的太阳能电池板依次连接所述输入滤波电容、所述非隔离式DC-DC变换器、所述直流母线电容、所述双Buck逆变电路以及所述电网。
所述太阳能电池板的正负输出端分别与所述输入滤波电容的两端相连；所述的输入滤波电容与所述非隔离式DC-DC变换器的输入相连；所述的非隔离式DC-DC变换器的输出与所述直流母线电容相连；所述双Buck逆变电路由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一滤波电感L1和第二滤波电感L2组成；所述的第一二极管D1的阴极和所述直流母线电容的正极相连，所述的第一开关管S1的漏极与所述第一二极管D1的阳极相连，所述第一开关管S1的源极与所述直流母线电容的负极相连；所述的第二二极管D2的阴极和所述第一二极管D1的阴极相连，所述第二开关管S2的漏极和所述第二二极管D2的阳极相连，所述开关管S2的源极和所述第一开关管S2的源极相连；所述第三开关管S3的漏极和所述第二二极管D2的阴极相连，所述第三二极管D3的阴极和所述第三开关管S3的源极相连，所述第三二极管D3的阳极和所述第二开关管S2的源极相连；所述第四开关管S4的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述的第四二极管D4的阴极和所述第四开关管S4的源极相连，所述第四二极管D4的阳极和所述第三二极管D3的阳极相连；所述第一电感L1的一端和所述第一二极管D1的阳极相连，另一端和所述第三开关管S3的源极相连；所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极相连，另一端和所述第四二极管D4的阴极相连；所述电网的一端和所述第三开关管S3的源极相连，所述电网的另一端和所述第四开关管S4的源极相连。
所述前级DC-DC部分采用非隔离式DC-DC变换器电路拓扑结构，后级DC-AC部分采用的是双Buck逆变电路拓扑结构。
所述的输入滤波电容和所述直流母线电容是薄膜电容。
所述双Buck逆变电路中的全控型器件第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4采用的是碳化硅或氮化镓宽禁带功率器件；所述双Buck逆变电路中的第一二极管D1和第二二极管D2采用的是碳化硅或氮化镓宽禁带肖特基二极管。
所述双Buck逆变电路中的桥臂不含有开关管直通问题，开关管PWM驱动不需要叠加死区。
所述双Buck逆变电路总开关管的开关频率在100千赫兹以上。
所述第三开关管S3在所述电网电压正半周恒导通，所述第四开关管S4在所述电网电压负半周恒导通。
在所述电网电压正半周时，所述第三开关管S3、所述第二电感L2、所述第二开关管S2和所述第二二极管D2处于工作状态；在所述电网电压负半周时，所述第四开关管S4、所述第一电感L1、所述第一开关管S1和所述第一二极管D1处于工作状态。
所述第三二极管D3和所述第四二极管D4是故障保护二极管，当所述电网电压大于所述直流母线电容上的电压时，防止所述第一电感L1和所述直流母线电容或者所述第二电感L2和所述直流母线电容因形成谐振回路而产生过电压打坏器件。
与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出性质和显著优点：
(1)所述微型光伏逆变器采用非隔离式电路拓扑结构，不需要高频变压器，提升了微型光伏逆变器效率的同时也降低了成本；(2)所述微型光伏逆变器为前后两级式电路拓扑结构，前级是非隔离型DC-DC变换器，实现光伏板的输出电压升压，后级式双Buck逆变器(DC-AC逆变器)，实现并网控制，正因为是两级式的拓扑结构，直流母线的电压较高，将直流母线电容作为二倍工频功率脉动的解耦元件，使得薄膜电容的利用成为可能；(3)所述微型光伏逆变器的输入滤波电容和直流母线电容采用的都是薄膜电容，提升了系统的寿命；(4)所述微型光伏逆变器的DC-AC部分采用的是双Buck逆变电路拓扑，该电路拓扑有四个桥臂，每个桥臂在任何时候都不会出现桥臂直通的问题，极大地提高了系统的稳定性；(5)所述双Buck逆变电路拓扑中的开关管PWM控制不需要死区，因此开关频率可以做得更高，磁性元件更小，系统的功率密度更高。
附图说明
图1为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器的电路拓扑图；
图2为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中DC-AC部分的电路拓扑图；
图3为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中所述双Buck逆变电路在一个电网周期内四个开关管的驱动信号波形；
图4为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中所述双Buck逆变电路在电网电压正半周期时的工作模态；
图5为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中所述双Buck逆变电路在电网电压正半周期时的等效电路；
图6为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中所述双Buck逆变电路在电网电压负半周期时的工作模态；
图7为本发明的一种非隔离式微型光伏逆变器中所述双Buck逆变电路在电网电压负半周期是的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例：如图1所示，本非隔离式微型光伏并网逆变器，包括：太阳能电池板(1)、输入滤波电容(2)、非隔离式DC-DC变换器(3)、直流母线电容(4)、双Buck逆变电路(5)以及电网(6)，所述的太阳能电池板(1)依次连接所述输入滤波电容(2)、所述非隔离式DC-DC变换器(3)、所述直流母线电容(4)、所述双Buck逆变电路(5)以及所述电网(6)。所述太阳能电池板(1)的正负输出端分别与所述输入滤波电容(2)的两端相连；所述的输入滤波电容(2)与所述非隔离式DC-DC变换器(3)的输入相连；所述的非隔离式DC-DC变换器(3)的输出与所述直流母线电容(4)相连；所述双Buck逆变电路(5)由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一滤波电感L1和第二滤波电感L2组成；所述的第一二极管D1的阴极和所述直流母线电容(4)的正极相连，所述的第一开关管S1的漏极与所述第一二极管D1的阳极相连，所述第一开关管S1的源极与所述直流母线电容(4)的负极相连；所述的第二二极管D2的阴极和所述第一二极管D1的阴极相连，所述第二开关管S2的漏极和所述第二二极管D2的阳极相连，所述开关管S2的源极和所述第一开关管S2的源极相连；所述第三开关管S3的漏极和所述第二二极管D2的阴极相连，所述第三二极管D3的阴极和所述第三开关管S3的源极相连，所述第三二极管D3的阳极和所述第二开关管S2的源极相连；所述第四开关管S4的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述的第四二极管D4的阴极和所述第四开关管S4的源极相连，所述第四二极管D4的阳极和所述第三二极管D3的阳极相连；所述第一电感L1的一端和所述第一二极管D1的阳极相连，另一端和所述第三开关管S3的源极相连；所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极相连，另一端和所述第四二极管D4的阴极相连；所述电网(6)的一端和所述第三开关管S3的源极相连，所述电网(6)的另一端和所述第四开关管S4的源极相连。
下面结合附图2-7叙述本实施例的具体工作原理：
从图1所示电路拓扑构成可见：本发明的非隔离式微型光伏并网逆变器是由前级的非隔离式DC-DC变换器、中间的直流母线电容Cbus和后级的双Buck逆变电路构成的。所述前级非隔离式DC-DC变换器实现将光伏侧电压升压到Vbus，后级的双Buck逆变电路实现将直流母线侧的电压Vbus完成逆变并网控制。由于本发明中的微型光伏逆变器采用的是两级式带直流母线的电路拓扑结构，直流母线电压高，因此直流母线电容的容值较低，使得高寿命的薄膜电流的采用成为了可能。
本发明的非隔离式微型光伏并网逆变器的核心部分是后级的双Buck逆变电路，其电路拓扑结构如图2所示。其中开关管S3和开关管S4是工频开关管，开关管S1和开关管S2是高频开关管，二极管D1和二极管D2是续流二极管，二极管D3和二极管D4是保护用二极管。不同于传统的单相全桥逆变电路，在双Buck逆变电路中有四个桥臂，每个桥臂只包含一个开关管。在任何开关状态下，双Buck逆变电路都不会有桥臂直通的风险，不需要给PWM驱动信号叠加死区。因此，双Buck逆变电路的输出波形谐波畸变较小；另外使得更高频率的采用成为可能，这将减少磁性元件的使用，提升整个系统的功率密度。
1.电路工作原理分析
为了进一步分析双Buck电路的工作原理，下文将对开关模态做出详细的分析。图3为双Buck电路中各个开关管在一个电网周期下的驱动波形，其中G3是开关管S3的驱动信号，G2是开关管S2的驱动信号，G4是开关管S4的驱动信号，G1是开关管S1的驱动信号。可见开关管S1和开关管S2工作在高频PWM模式下，开关管S3和开关管S4工作在工频周期控制模式下。
1.1电网电压为正时的开关模态分析
当电网电压为正半周时，所述双Buck逆变电路共有两个工作模态，其开关模态的等效电路如图4所示。
1)工作模态1：开关管S3开通，开关管S2开通；开关管S1和开关管S4关闭。
此时等效电路如图4(a)所示，直流母线上能量将通过开关管S3、电网和开关管S2给电感L2充电，电感L2电流iL2上升。
2)工作模态2：开关管S3开通，开关管S2关闭；开关管S1和开关管S4关闭。
此时等效电路如图4(b)所示，由于开关管S2是工作在高频PWM控制下，一旦S2关闭，电感上的电流将通过二极管D2续流，电感L2电流iL2将下降。
图5是工作在电网电压正半周的双Buck逆变电路的简化电路，是由直流母线电容Cbus、开关管S2、二极管D2、电感L2和电网组成的一个Buck电路。
1.2电网电压为负时的开关模态分析
当电网电压为负半周时，所述双Buck逆变电路也有两个工作模态，其开关模态的等效电路如图6所示。
1)工作模态1：开关管S4开通，开关管S1开通；开关管S3和开关管S2关闭。
此时等效电路如图6(a)所示，直流母线上能量将通过开关管S4、电网和开关管S1给电感L1充电，电感L1电流iL1上升。
2)工作模态2：开关管S4开通，开关管S1关闭；开关管S3和开关管S2关闭。
此时等效电路如图6(b)所示，由于开关管S1是工作在高频PWM控制下，一旦S1关闭，电感上的电流将通过二极管D1续流，电感L1电流iL1将下降。
图7是工作在电网电压负半周的双Buck逆变电路的简化电路，是由直流母线电容Cbus、开关管S1、二极管D1、电感L1和电网组成的一个Buck电路。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种非隔离式微型光伏并网逆变器，包括：太阳能电池板(1)、输入滤波电容(2)、非隔离式DC-DC变换器(3)、直流母线电容(4)、双Buck逆变电路(5)以及电网(6)，其特征在于，所述的太阳能电池板(1)依次连接所述输入滤波电容(2)、所述非隔离式DC-DC变换器(3)、所述直流母线电容(4)、所述双Buck逆变电路(5)以及所述电网(6)。
2.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述太阳能电池板(1)的正负输出端分别与所述输入滤波电容(2)的两端相连；所述的输入滤波电容(2)与所述非隔离式DC-DC变换器(3)的输入相连；所述的非隔离式DC-DC变换器(3)的输出与所述直流母线电容(4)相连；所述双Buck逆变电路(5)由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一滤波电感L1和第二滤波电感L2组成；所述的第一二极管D1的阴极和所述直流母线电容(4)的正极相连，所述的第一开关管S1的漏极与所述第一二极管D1的阳极相连，所述第一开关管S1的源极与所述直流母线电容(4)的负极相连；所述的第二二极管D2的阴极和所述第一二极管D1的阴极相连，所述第二开关管S2的漏极和所述第二二极管D2的阳极相连，所述开关管S2的源极和所述第一开关管S2的源极相连；所述第三开关管S3的漏极和所述第二二极管D2的阴极相连，所述第三二极管D3的阴极和所述第三开关管S3的源极相连，所述第三二极管D3的阳极和所述第二开关管S2的源极相连；所述第四开关管S4的漏极和所述第三开关管S3的漏极相连，所述的第四二极管D4的阴极和所述第四开关管S4的源极相连，所述第四二极管D4的阳极和所述第三二极管D3的阳极相连；所述第一电感L1的一端和所述第一二极管D1的阳极相连，另一端和所述第三开关管S3的源极相连；所述第二电感L2的一端和所述第二开关管S2的漏极相连，另一端和所述第四二极管D4的阴极相连；所述电网(6)的一端和所述第三开关管S3的源极相连，所述电网(6)的另一端和所述第四开关管S4的源极相连。
3.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述前级DC-DC部分采用非隔离式DC-DC变换器(3)电路拓扑结构，后级DC-AC部分采用的是双Buck逆变电路(5)拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述的输入滤波电容(2)和所述直流母线电容(4)是薄膜电容。
5.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述双Buck逆变电路(5)中的全控型器件第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4采用的是碳化硅或氮化镓宽禁带功率器件；所述双Buck逆变电路(5)中的第一二极管D1和第二二极管D2采用的是碳化硅或氮化镓宽禁带肖特基二极管。
6.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述双Buck逆变电路(5)中的桥臂不含有开关管直通问题，开关管PWM驱动不需要叠加死区。
7.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述双Buck逆变电路(5)总开关管的开关频率在100千赫兹以上。
8.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述第三开关管S3在所述电网(6)电压正半周恒导通，所述第四开关管S4在所述电网(6)电压负半周恒导通。
9.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，在所述电网(6)电压正半周时，所述第三开关管S3、所述第二电感L2、所述第二开关管S2和所述第二二极管D2处于工作状态；在所述电网(6)电压负半周时，所述第四开关管S4、所述第一电感L1、所述第一开关管S1和所述第一二极管D1处于工作状态。
10.根据权利要求1所述的一种非隔离式微型光伏并网逆变器，其特征在于，所述第三二极管D3和所述第四二极管D4是故障保护二极管，当所述电网电压大于所述直流母线电容(4)上的电压时，防止所述第一电感L1和所述直流母线电容(4)或者所述第二电感L2和所述直流母线电容(4)因形成谐振回路而产生过电压损坏器件。
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