雙反激諧振的光伏微型逆變器的製造方法
2023-05-01 15:46:16
雙反激諧振的光伏微型逆變器的製造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種雙反激諧振的光伏微型逆變器，其包括：兩個並聯的反激變換器，連接光伏電池板和直流母線；直流母線，設置有直流母線電容；H橋逆變電路，連接直流母線電容和單相電網；有源箝位電路，分別於反激變換器連接，以吸收漏感能量並抑制H橋逆變電路的開關器件的軟開關和關斷電壓。本方案的逆變器體積小，重量輕，成本低，具有明顯的經濟效益。
【專利說明】雙反激諧振的光伏微型逆變器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光伏逆變領域，具體涉及一種基於雙反激諧振的光伏微型逆變器，該逆變器可以實現多個光伏電池板獨立控制與併網。
【背景技術】
[0002]光伏逆變器作為光伏電池板併網過程中最重要的環節，其效率、成本、穩定性都是決定光伏行業能否蓬勃發展的重要因素。新型的併網逆變器拓撲可以提高太陽能利用效率、進而縮短成本回收周期，使得光伏的大規模普及變得可能。
[0003]在光伏電池板的使用過程中，不可避免的存在不同安裝角度、不同面向角度以及局部黑斑、陰影的影響。此外，由於汙垢累計、老化程度、材料差異性等因素的影響造成雜散參數的不同，因而導致發電效率、最大功率點的不同，若採用集中式逆變的最大功率點跟蹤，容易使系統失配導致整體輸出功率的大幅度降低，甚至可能形成熱斑導致組件受損。另一方面，光伏陣列不可避免的與地面之間存在分布電容，該電容在非隔離系統中會導致漏電流的產生，進而影響系統的安全性及電網的波形質量。
[0004]反激變換器是結構簡單、功率器件少的分布式隔離逆變器拓撲，現在商業產品已相對成熟，但當其工作在低壓輸入、高壓輸出的場合時，由於變壓器原邊匝數較少，導致變壓器原邊漏感值佔原邊勵磁電感的比重較大，若漏感能量不被吸收將影響效率的提高，另夕卜，漏感能量與主功率開關管漏源寄生電容引起的關斷電壓尖峰，也增加了主攻率開關管的電壓應力，嚴重時甚至會擊穿主功率開關管。
實用新型內容
[0005]針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種利用雙反激諧振，且能允許每個光伏電池板獨立進行最大功率點跟蹤的雙反激諧振的光伏微型逆變器。
[0006]為實現上述目的，本實用新型採取以下技術方案:
[0007]本實用新型提供了一種雙反激諧振的光伏微型逆變器，其包括:兩個並聯的反激變換器，連接光伏電池板和直流母線；直流母線，設置有直流母線電容橋逆變電路，連接直流母線電容和單相電網；有源箝位電路，分別於反激變換器連接，以吸收漏感能量並抑制H橋逆變電路的開關器件的軟開關和關斷電壓。
[0008]可選地，上述雙反激諧振的光伏微型逆變器還包括:控制單元，與由H橋逆變電路和單相電網組成的併網系統連接。
[0009]可選地，併網系統還包括:電壓電流檢測單元，連接光伏電池板的輸出端和控制單元，以進行最大功率點跟蹤；併網系統輸出的單相交流電通過電感接入單相電網。
[0010]可選地，上述雙反激諧振的光伏微型逆變器還包括:變壓器，使用多原邊單副邊的變壓器，其中每個原邊結構單元包括帶有升壓拓撲的光伏電池板、直流電容、電壓傳感器和由四隻開關器件組成的H橋；電壓傳感器，用於檢測直流電容兩端的電壓信號，並傳送給控制單元，以使控制單元通過調節H橋輸出方波的相位差來實現功率流動。
[0011]可選地，控制單元包括:模數採集模塊，用於接收併網系統中的電壓電流檢測單元及電壓傳感器輸送的信號，轉化為數位訊號；開關量採集模塊，用於採集開關器件的過流和過熱故障信號；數位訊號微處理器，包括電壓平衡模塊和脈寬調製生成模塊，電壓平衡模塊，用於接收模數採集模塊傳送的信號並計算，得出脈寬調製整流器兩端電壓與正常值之間的偏差，並接收開關量採集模塊傳送的故障信號，及時發出保護指令；脈寬調製生成模塊，用於根據偏差，發出一脈寬調製控制脈衝信號和一輔助控制信號；開關量輸出模塊，由現場可編程門陣列構成，用於接收數位訊號微處理器傳送的輔助控制信號和保護指令；若干驅動電路，接收脈寬調製生成模塊傳送的脈寬調製控制脈衝信號並再次擴展，以驅動併網系統中相應的功率開關器件導通或關斷，使直流母線電容的電壓平衡及電網側輸入功率因數為I，並控制逆變器輸出工頻交流電。
[0012]本實用新型由於採取以上技術方案，其具有以下優點:1、本實用新型在直-直變換部分引入雙反激結構，將兩路反激變換器的輸入、輸出並聯，原邊開關管交錯導通，既提升了功率，又減少了輸出電流紋波；2、由於本實用新型加入了有源箝位電路，通過諧振進行漏感能量的吸收和主功率管的關斷電壓抑制；3、本實用新型依然採用電流峰值控制不連續電流模式(DCM)和臨界電流模式(BCM)結合的控制策略:當瞬時功率小時，只有一路反激變流器工作，且工作於DCM定頻模式，當瞬時功率較大時，兩路反激變流器一起工作，且採用主從模式，該策略提高了全功率範圍內的運行效率。
[0013]本實用新型的逆變器體積小，重量輕，可靠性與電氣隔離性能良好，發電效率高，具有明顯的經濟效益，適用於各類型光伏併網系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型雙反激諧振光伏微型逆變器發電拓撲圖；以及
[0015]圖2是本實用新型控制單元的方框圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0017]本實施例的雙反激諧振光伏微型逆變器包括兩路並聯的反激變換器並附加有源箝位諧振電路，在直-直變換部分引入雙反激結構，將兩路反激變換器的輸入、輸出並聯，原邊開關管交錯導通，既提升了功率，又減少了輸出電流紋波；由於本實施例的逆變器加入了有源箝位電路，通過諧振進行漏感能量的吸收和主功率管的關斷電壓抑制，如圖1所示，不失一般性，逆變器的開關器件S1、S3 一直導通，第一反激變換器作為主結構，包括器件Lkl、Ccal1、Dal、Sal ;第二反激變換器為從結構，包括器件Lk2、Ccal2、Da2、Sa2，高頻開關周期內的等效電路的運行過程可以分為14個階段:
[0018]階段1:從路的原邊電流上升到基準值，從路的主開關管Sm2關斷，Sal和Sa2相應關斷，輸入能量存儲在勵磁電感Lpl中，電容Cr2被諧振充電，電容Cr2的電壓Vds2迅速提聞。
[0019]階段2:當Vds2上升到預定電壓(該預定電壓可為光伏電池板電壓Upv與電容Ccal2電壓之和)時，Sa2的反並聯二極體Da2導通，漏感Lk2與箝位電容Ccal2諧振，存儲在漏感Lk2中的能量被Ccal2吸收，輸出整流二極體Ds2導通後，Lp2兩端電壓被箝位。
[0020]階段3:電感Lk2放電，Da2關斷，在這個階段，從路反激變換器中Lp2存儲的能量通過變壓器Tr2耦合到副邊，傳輸給電網。
[0021]階段4:主路的原邊電流上升到基準值，從路的主開關管Sml關斷，Sal、Sa2開通，輸入能量存儲在勵磁電感Lpl中，電容Crl被諧振充電，Vdsl迅速增長，Ds2依然導通，在這個階段中，箝位電容Ccal2中的能量一部分通過變壓器Tr2被釋放到輸出，一部分給Lp2和Lk2勵磁，在此處從路的漏感能量被有效吸收和利用。
[0022]階段5:當Vdsl增長到預定電壓(該預定電壓可為光伏電池板電壓Upv與電容Ccall電壓之和)時，Dal導通，漏感Lkl與箝位電容Ccall諧振，存儲在漏感Lkl中的能量被Ccall吸收，輸出整流二極體Dsl導通後，Lpl兩端電壓被箝位。
[0023]階段6:Lk2上電流上升，Ds2關斷。
[0024]階段7:Vds2諧振下降為0，Sm2的反並聯二極體導通。
[0025]階段8:零電壓開通Sm2。
[0026]階段9 =Lkl諧振電流下降為0，Dal關斷，Lpl存儲的能量通過Trl耦合至副邊，傳輸給電網。
[0027]階段10-14:開通Sal，在這個階段主路反激變換器的工作流程與階段4-8相類似。
[0028]在更優選的實施例中，在上述過程中，控制單元與微型逆變器之間進行信息交互，維持電容電壓平衡以及電網側輸入功率因數為1，並且控制微型逆變器輸出工頻交流電。
[0029]上述圖1中，功率開關器件的種類是根據每個基本單元輸出電壓等級的不同，選擇相應等級的功率半導體開關器件，比如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極電晶體)、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors,集成門極換流晶閘管)
坐寸ο
[0030]如圖2所示，控制單元包括數位訊號微處理器、模數採集模塊、開關量採集模塊、若干開關量輸出模塊、脈寬調製輸出模塊、脈寬調製擴展模塊、若干驅動電路和人機通信接□。
[0031]數位訊號微處理器採用的是高性能DSP (digital signal processor,數位訊號處理器)晶片，比如TI公司生產的型號為TMS320F2812的DSP晶片，其內預置有電壓平衡模塊和脈寬調製生成模塊，數位訊號微處理器通過串行的人機通信接口完成鍵盤顯示和PC機通信和監控的功能。
[0032]模數採集模塊為模數轉換電路，將電壓電流檢測單元檢測到的電流、電壓信號通過調理電路調理後的信號轉化為數位訊號，並輸送給數位訊號微處理器。
[0033]開關量採集模塊在功率開關器件存在有過流、過熱等故障時，將故障信號發送給數位訊號微處理器，使數位訊號微處理器及時發出保護指令，採取保護措施；當功率開關器件不存在有過流、過熱等故障時，開關量採集模塊不工作。開關量輸出模塊為I/o接口，接收數位訊號微處理器輸出的開關量控制信號，輔助脈寬調製擴展模塊進行信號擴展。
[0034]數位訊號微處理器內預置的電壓平衡模塊對輸入的信號、進行計算，得出電壓信號與正常值之間的偏差，之後脈寬調製生成模塊根據該偏差，發送至脈寬調製控制脈衝信號給脈寬調製輸出模塊及輔助控制信號給開關量輸出模塊；同時數位訊號微處理器對輸入的故障信號進行判斷，發出相應的指令，比如:停機或者降低功率運行等指令，輸送給開關量輸出模塊，通過繼電器來控制相應開關的開閉。
[0035]脈寬調製輸出模塊將脈寬調製控制脈衝信號輸送給脈寬調製擴展模塊，該脈寬調製擴展模塊為現場可編程門陣列器件(FPGA,Field Programmable Gate Array)或複雜可編程邏輯器件(CPLD, Complex Programmable Logic Device),每一路驅動電路將按照脈寬調製擴展模塊的輸出發出脈衝電壓以驅動系統中相應的功率開關器件導通或關斷，使電容電壓平衡以及網側輸入功率因數為I，並且使逆變器輸出工頻交流電。
[0036]在本實施例中，光伏電池板也可以為直流電源，電池，超級電容，電容器等各類直流供電與儲能系統，使用儲能系統替代後的電路也在本實用新型保護範圍內。
[0037]本實施例中的各種電力電子器件可以使用二極體、MOSFET, IGBT, GTO, IGCT、晶閘管、三極體等各類半導體器件。
[0038]以上箝位電路拓撲還可以選用無源等常規箝位電路替代，替代後的電路也在本專利保護範圍內。
[0039]上述各實施例中，各部件的結構、設置位置、及其連接都是可以有所變化的，在本實用新型技術方案的基礎上，對個別部件進行的改進和等同變換，不應排除在本實用新型的保護範圍之外。
[0040]至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實用新型的多個示例性實施例，但是，在不脫離本實用新型精神和範圍的情況下，仍可根據本實用新型公開的內容直接確定或推導出符合本實用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實用新型的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【權利要求】
1.一種雙反激諧振的光伏微型逆變器，其結構特徵在於包括: 兩個並聯的反激變換器，連接光伏電池板和直流母線； 所述直流母線，設置有直流母線電容； H橋逆變電路，連接所述直流母線電容和單相電網； 有源箝位電路，分別於所述反激變換器連接，以吸收漏感能量並抑制所述H橋逆變電路的開關器件的軟開關和關斷電壓。
2.如權利要求1所述的雙反激諧振的光伏微型逆變器，其特徵在於，還包括:控制單元，與由所述H橋逆變電路和所述單相電網組成的併網系統連接。
3.如權利要求2所述的雙反激諧振的光伏微型逆變器，其特徵在於，所述併網系統還包括: 電壓電流檢測單元，連接所述光伏電池板的輸出端和所述控制單元，以進行最大功率點跟蹤； 所述併網系統輸出的單相交流電通過電感接入所述單相電網。
4.如權利要求2所述的雙反激諧振的光伏微型逆變器，其特徵在於還包括: 變壓器，使用多原邊單副邊的變壓器，其中每個原邊結構單元包括帶有升壓拓撲的所述光伏電池板、直流電容、電壓傳感器和由四隻開關器件組成的所述H橋； 所述電壓傳感器，用於檢測所述直流電容兩端的電壓信號，並傳送給所述控制單元，以使所述控制單元通過調節H橋輸出方波的相位差來實現功率流動。
5.如權利要求2或3或4所述的雙反激諧振的光伏微型逆變器，其特徵在於，所述控制單元包括: 模數採集模塊，用於接收所述併網系統中的所述電壓電流檢測單元及所述電壓傳感器輸送的信號，轉化為數位訊號； 開關量採集模塊，用於採集所述開關器件的過流和過熱故障信號； 數位訊號微處理器，包括電壓平衡模塊和脈寬調製生成模塊， 所述電壓平衡模塊，用於接收所述模數採集模塊傳送的信號並計算，得出所述脈寬調製整流器兩端電壓與正常值之間的偏差，並接收所述開關量採集模塊傳送的故障信號，及時發出保護指令； 所述脈寬調製生成模塊，用於根據所述偏差，發出一脈寬調製控制脈衝信號和一輔助控制信號； 開關量輸出模塊，由現場可編程門陣列構成，用於接收所述數位訊號微處理器傳送的輔助控制信號和所述保護指令； 若干驅動電路，接收所述脈寬調製生成模塊傳送的脈寬調製控制脈衝信號並再次擴展，以驅動所述併網系統中相應的功率開關器件導通或關斷，使所述直流母線電容的電壓平衡及電網側輸入功率因數為I，並控制所述逆變器輸出工頻交流電。
【文檔編號】H02M7/48GK203933434SQ201420201733
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】王禕, 林堅, 李宏, 王彭 申請人:蘇州微盛特變新能源科技有限公司