用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，涉及交流干線或交流配電網(wǎng)絡的電路裝置，由一個濾波電容器、一個電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關管A和開關管B組成；解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管A集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點上，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管B發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負極節(jié)點上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點通過電感連接在開關管A發(fā)射極和開關管B集電極的連接點上，克服了現(xiàn)有光伏并網(wǎng)逆變器要大容量大體積解耦電容、結構復雜和成本高的缺陷。
【專利說明】用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明的技術方案涉及交流干線或交流配電網(wǎng)絡的電路裝置，具體地說是用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路。
【背景技術】
[0002]在單相光伏并網(wǎng)逆變器中，為使逆變器的輸出功率因數(shù)接近1，需要控制逆變器的輸出電流波形為正弦波形且與電網(wǎng)電壓同相位，這使得逆變器的輸出功率為兩倍于電網(wǎng)頻率的脈動功率。這個脈動功率會在直流母線上產(chǎn)生低頻紋波，進而引起光伏陣列的電壓和電流的波動。然而，為了最大限度地利用光伏陣列所發(fā)出的能量，必須使光伏陣列充分接近其最大功率點運行。為了限制在直流母線上產(chǎn)生的低頻紋波，現(xiàn)有的解決方法是在光伏陣列兩端并聯(lián)大的解耦電容，對于400V的直流母線電壓來說，解耦電容一般為0.5mF/kW。這無疑增加了逆變器的體積和成本。為了減小所需解耦電容的容量，人們已經(jīng)提出了多種功率解耦方法。
[0003]文獻《Utility-connected power converter for maximizing power transferfrom a photovoltaic source while drawing ripple-free current〉〉提出的方法增大了母線電容的電壓波動幅度，使器件的耐壓增大，從而對高耐壓電容的選擇帶來困難，并且器件的壽命也會降低。文獻《DC bus regulation strategy for grid-connected V powergeneration system))提出的方法是將一個電感和一個電容串聯(lián)之后,再并聯(lián)在直流母線上，利用LC串聯(lián)諧振的方法可以有效減小母線的電壓波動。這種解耦方法的L和C的取值很大，并且其產(chǎn)生的諧振電流存在大幅度波動，給系統(tǒng)增加了不穩(wěn)定性，并且這種方法不適用于小功率場合。CN101841252A公開了一種主動能量解耦的光伏并網(wǎng)逆變器，利用兩個反激變換器并聯(lián)電容的方式，其裝置的結構復雜、體積大和成本高；CN102522766A披露了一種帶有功率解耦電路的反激式微型光伏并網(wǎng)逆變器及其控制方法，該逆變器的結構復雜，需要三個開關管，增加了控制復雜程度，也增大了解耦回路的體積；CN102638059A報道了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率解耦電路及其控制方法，該電路的解耦部分位于全橋逆變和并網(wǎng)濾波器之間，對并網(wǎng)濾波器的設計要求和成本均較高。
[0004]總之，現(xiàn)有的單相光伏并網(wǎng)逆變器裝置中，仍存在需要較大容量和較大體積的解耦電容、結構復雜、體積大和成本高的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，可以保障直流母線電壓穩(wěn)定在400V左右，克服了現(xiàn)有的光伏并網(wǎng)逆變器裝置中需要較大容量和較大體積的解耦電容、結構復雜、體積大和成本高的缺陷。
[0006]本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是:用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，由一個濾波電容器、一個電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關管A和開關管B組成；其中，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管A的集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點上，該正極節(jié)點在一條直流母線上，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管B的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負極節(jié)點上，該負極節(jié)點則在另一條直流母線上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點通過電感連接在開關管A發(fā)射極和開關管B集電極的連接點上。
[0007]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，所述濾波電容器的電容量為22μ F和耐壓是400V，電感的電感值為2mH，解耦電容器A的電容量為22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器B的電容量為136 μ F和耐壓是320V，開關管A和開關管B均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5。
[0008]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其中所涉及到的開關管、電容器、電感都是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得，所有元器件的連接也都是本【技術領域】的技術人員所熟知的線路連接方法。
[0009]上述用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，在應用于光伏并網(wǎng)逆變器中時，該功率解耦電路靠近濾波電容器的正負極兩端與光伏陣列的正負極兩端并聯(lián)再分別連接在一條直流母線上，該功率解耦電路靠近開關管A和開關管B串聯(lián)后的的正負極兩端分別與逆變器輸入端的正負極兩端連接，逆變器輸出端與電網(wǎng)相連。由兩個開關管和電感組成的雙向升降壓變換器將解耦電容器A和解耦電容器B連接起來，使得能量可以在解耦電容器A和解耦電容器B之間雙向傳遞，兩個開關管使解耦電容器B的電壓有較大的波動同時保持直流母線電壓穩(wěn)定，以實現(xiàn)逆變器輸入和輸出之間的功率解耦。解耦電容器B的容量較大，由它來儲存光伏陣列的過剩能量，濾波電容器的容量很小，其作用是保持直流母線電壓的穩(wěn)定。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的實質性特點是:
[0011](I)根據(jù)逆變器輸出功率的大小，本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路有以下兩種工作模式，①當來自光伏陣列的輸入功率大于輸出功率時，功率解耦電路工作在充電模式:當開關管A開通，解耦電容器A放電，電流從開關管A的發(fā)射極節(jié)點經(jīng)過電感流向解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點，從而電感的電流增加，電感充電；當開關管A關斷，電感通過解耦電容器B和開關管B的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器B充電。在這個充電模式中，解耦電容器A的電壓逐漸減小，解耦電容器B的電壓逐漸增加，來自光伏陣列的過剩能量被儲存在解耦電容器B中。②當來自光伏陣列的輸入功率小于輸出功率時，功率解耦電路工作在放電模式:當開關管B開通，解耦電容器B放電，電流從解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點流向開關管B的集電極節(jié)點，從而電感電流增加，電感充電；當開關管B關斷，電感通過解耦電容器A和開關管A的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器A充電，通過解耦電容器A再把儲存的能量釋放至主電路中。在這個放電模式中，解耦電容器B將已經(jīng)儲存的部分能量逐漸釋放出來，以補充光伏陣列不足的能量，解耦電容器A的電壓逐漸增加，解耦電容器B的電壓逐漸減小，解耦電容器B釋放出來的能量一部分轉移到解耦電容器A中，另一部分補充光伏陣列出的不足能量。這個能量指的是在放電模式中，逆變器輸出的能量減去光伏陣列發(fā)出的能量。
[0012](2)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路在光伏并網(wǎng)逆變器的應用中，解耦電容器A和解耦電容器B的最大電壓均低于直流母線電壓，電容器額定電壓的降低可以大幅減小電容器的體積的成本。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著進步是:
[0014](I)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，在實現(xiàn)功率解耦的同時，能有效減小所需解耦電容的容量。通過理論計算和推導，在相同條件下，只使用大電解電容實現(xiàn)功率解耦光伏并網(wǎng)逆變器時，需要的電解電容的容值為500 μ F，而使用本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路時，對于相同的輸入輸出功率只需采用容值為180 μ F的電解電容即可，而且在電容器的最大需承受的電壓方面，前者最大耐壓需為直流母線電壓400V，而后者僅為320V。從而在本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路中，減小了電容的體積，同時在相同條件下增加了光伏逆變系統(tǒng)的功率密度。
[0015](2)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，能使解耦電容承受的電壓降低至小于直流母線電壓，有利于減小整個電路裝置的成本和體積，特別適用于小功率單相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。
[0016](3)本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，可以保障直流母線電壓穩(wěn)定在400V左右，從而減小直流母線的電壓紋波，且有利于實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0018]圖1是本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的結構示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明在光伏并網(wǎng)逆變器中的應用的示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的相關波形示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明應用于光伏并網(wǎng)逆變器的工作過程原理示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實施例的應用試驗結果所測試得到的主要波形。
[0023]圖中，1.解耦電容器Α，2.解耦電容器B，3.濾波電容器，4.開關管Α，5.開關管B，
6.電感，7.中間節(jié)點，8.開關管A發(fā)射極和開關管B集電極的連接點，9.正極節(jié)點，10.負極節(jié)點，11.光伏陣列，12.逆變器，13.電網(wǎng)，14.直流母線
【具體實施方式】
[0024]圖1所示實施例表明，用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，由一個濾波電容器
3、一個電感6、解耦電容器Al、解耦電容器Β2、開關管Α4和開關管Β5組成；其中，解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)，開關管Α4和開關管Β5串聯(lián)后的開關管Α4的集電極連接于解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)部分的正極節(jié)點9上，該正極節(jié)點9在一條直流母線14上，開關管Α4和開關管Β5串聯(lián)后的開關管Β5的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)后與濾波電容器3并聯(lián)部分的負極節(jié)點10上，該負極節(jié)點則在另一條直流母線14上，解耦電容器Al和解耦電容器Β2串聯(lián)的中間節(jié)點7通過電感連接在開關管A發(fā)射極和開關管B集電極的連接點8上。
[0025]圖2所示實施例表明，本發(fā)明在光伏并網(wǎng)逆變器中的應用情況是:本圖中虛線框內所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實施例的說明)靠近濾波電容器3的正負極兩端與光伏陣列11的正負極兩端并聯(lián)再分別連接在一條直流母線14上，該功率解耦電路靠近開關管A4和開關管B5串聯(lián)后的的正負極兩端分別與逆變器12輸入端的正負極兩端連接，逆變器12輸出端與電網(wǎng)13相連。由開關管A4、開關管B5和電感6組成的雙向升降壓變換器將解耦電容器Al和解耦電容器B2連接起來，使得能量可以在解耦電容器Al和解耦電容器B2之間雙向傳遞，開關管A4和開關管B5使解耦電容器B2的電壓有較大的波動同時保持直流母線14電壓穩(wěn)定，以實現(xiàn)逆變器12輸入和輸出之間的功率解耦。解耦電容器B2的容量較大，由它來儲存光伏陣列11的過剩能量，濾波電容器3的容量很小，其作用是保持直流母線14電壓的穩(wěn)定。
[0026]圖3所示實施例表明，在輸出電壓P。波動的一個周期之中，t2—t3時間段內，Ppv>P。，電容器C2充電，C2的電壓由Ue2(min)升高到Uc2(祖)，對應于圖4a和圖4b所示實施例的工作過程圖示。t3—t4時間段內，Ppv〈P。，電容器C2放電，C2的電壓由Uc2(max)降低到Ue20nin),對應于圖4c和圖4d所示實施例的工作過程圖示。
[0027]圖4所示實施例表明，本發(fā)明應用于光伏并網(wǎng)逆變器的工作過程原理是:圖4a表明，在虛線框內所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實施例的說明)的部分，開關管A4開通，解耦電容器Al放電，電流從開關管A4的發(fā)射極節(jié)點8流向解耦電容器Al和解耦電容器B2串聯(lián)的中間節(jié)點7，從而電感6電流增加，電感6充電；圖4b表明，在虛線框內所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實施例的說明)的部分，開關管A4關斷，電感6通過解耦電容器B2和開關管B5的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感6電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器B2充電；圖4c表明，在虛線框內所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實施例的說明)的部分，開關管B5開通，解耦電容器B2放電，電流從解耦電容器Al和解耦電容器B2串聯(lián)的中間節(jié)點7流向開關管B5的集電極節(jié)點8，從而電感6電流增加，電感6充電；圖4d表明，在虛線框內所示的本發(fā)明用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路(見圖1所示實施例的說明)的部分，開關管B5關斷，電感6通過解耦電容器Al和開關管A4的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電感6電流減小，續(xù)流回路中解耦電容器Al充電。
[0028]實施例
[0029]本實施例的用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的組成如圖1實施例所示，其在光伏并網(wǎng)逆變器中的連接和應用方法如圖2實施例所示。應用中保持直流母線14的電壓為400V (±2%)，光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓220V/50HZ，輸出功率為lkW，該用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路的開關頻率為40kHz，解耦電容器Al為22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器Β2為136 μ F和耐壓是320V，濾波電容3為22 μ F和耐壓是400V。開關管Α4和開關管Β5均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5，電感6為2mH，電網(wǎng)13頻率為50Hz。
[0030]圖5給出了本發(fā)明實施例的應用試驗結果所測試得到的主要波形。如本圖所示，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流是正弦波形，解耦電容器B2的最小電壓Uc;2(min)和最大電壓uc2(max)分別為219V和315V，其電壓波動量為86V，平均電壓Um = 272V。而直流母線14的電壓的最大和最小值分別為408V和392V，紋波因數(shù)為4%。該實驗結果與理論分析基本一致。
[0031]上述實施例中，所涉及到的光伏陣列、開關管、電容器、電感、光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)都是公知的，所有元器件都可以通過商購等公知途徑獲得，所有元器件的連接方法也都是本【技術領域】的技術人員所熟知的普通的線路連接方法。
【權利要求】
1.用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其特征在于:由一個濾波電容器、一個電感、解耦電容器A、解耦電容器B、開關管A和開關管B組成；其中，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管A的集電極連接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的正極節(jié)點上，該正極節(jié)點在一條直流母線上，開關管A和開關管B串聯(lián)后的開關管B的發(fā)射極聯(lián)接于解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)后與濾波電容器并聯(lián)部分的負極節(jié)點上，該負極節(jié)點則在另一條直流母線上，解耦電容器A和解耦電容器B串聯(lián)的中間節(jié)點通過電感連接在開關管A發(fā)射極和開關管B集電極的連接點上。
2.根據(jù)權利要求1所說用于光伏并網(wǎng)逆變器的功率解耦電路，其特征在于:所述濾波電容器的電容量為22 4?和耐壓是400￥，電感的電感值為2mH，解耦電容器A的電容量為.22 μ F和耐壓是172V，解耦電容器B的電容量為136 μ F和耐壓是320V，開關管A和開關管B均采用絕緣柵雙極型晶體管ΙΚΡ15Ν65Η5。
【文檔編號】H02M1/14GK103606956SQ201310631131
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】楊曉光, 姜龍斌, 馮俊博, 梁昊天, 孫傳杰 申請人:河北工業(yè)大學