CN102624264A - 一种多输入反激式光伏并网逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多输入反激式光伏并网逆变器，该逆变器包括多个反激电路、多个光伏组件、箝位电容、输出滤波电路、逆变电路和电网，其中每个反激电路包括正、负输入端、箝位端和正、负输出端，每个反激电路的正、负输入端分别和光伏组件的正、负输出端相连，所有反激电路的箝位端均连于箝位电容的一端，所有反激电路的输出端并联且和输出滤波电路相连；本发明所述光伏并网逆变器能够同时和多个光伏组件相连，通过一个逆变器实现所有光伏组件的最大功率跟踪，所有反激电路共用箝位电容、输出滤波电路和逆变电路，具有成本低、发电效率高、并网电流谐波小等优点。
Description
技术领域
本发明属电力电子变换器技术领域，特别涉及新能源发电技术领域中的功率变换器技术领域，具体涉及一种多输入反激式光伏并网逆变器。
背景技术
发展和利用太阳能成为解决生活生产能源、改善环境污染问题的重要举措，可以取得巨大的经济效益和社会效益。
太阳能光伏并网发电是太阳能发电应用最主要的方式，太阳能光伏并网发电应用具有成本低和免维护等优势，据统计，全世界超过90%的光伏发电设备安装容量为并网应用。
太阳能光伏并网发电系统根据太阳能组件和并网逆变器的连接方式分类可以分为集中式、串式、多串式和交流模块式等多种形式。其中交流模块式通过为每个光伏组件集成一个具有最大功率跟踪(MPPT)功能的并网逆变器，能够保证每个光伏组件工作在各自的最大功率点，系统抗局部阴影能力和最简电气参数匹配能力强，易于扩展、支持即插即用和热插拔，系统便于检修和维护，因此成为关注和研究的热点。
反激式变换器由于电路结构简单、控制简单、可靠性高、成本低、适合于中小功率等优势在交流模块并网逆变器领域获得了较多的关注，如中国专利CN1929276A号提出了一种适用于交流模块的反激并网逆变器，文献“optimum design of the current-source flyback inverter for decentralized grid-connected photovoltaic systems”[IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 23, no.1, 2008]也提出了一种反激式光伏并网逆变器。
由于单个光伏组件的功率较低(一般小于300W)，传统交流模块式光伏并网逆的功率等级也相应的较低，但光伏并网逆变器相应的控制电路需要同时完成光伏组件的MPPT控制、并网电流控制以及各种检测、保护等功能，该部分电路的成本并不随并网逆变器功率等级的减小而减小，由此造成交流模块式光伏并网逆变器的单位发电功率成本明显高于传统的集中式、串式及多串式并网发电系统中并网逆变器的成本，因此在很大程度上限制了交流模块式光伏并网发电系统的推广和应用；另一方面，小功率光伏并网逆变器还带来了并网逆变器的能量转换效率低、并网电流谐波大等问题。
因此，开发和研究低成本、高效率、高可靠性、高质量的交流模块式光伏并网逆变器成为迫切的需求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种具有成本低、效率高、并网电流谐波小的多输入反激式光伏并网逆变器。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多输入反激式光伏并网逆变器，所述多输入反激式光伏并网逆变器包括复数个光伏组件、复数个反激电路、箝位电容(C p )、输出滤波电路、逆变电路和电网；所述光伏组件的个数与所述反激电路的个数相对应；
所述反激电路包括正输入端、负输入端、箝位端、正输出端和负输出端，所述每个反激电路的正、负输入端分别与一个光伏组件的正、负输出端相连，且所述复数个反激电路的负输入端彼此相连且同时连于箝位电容(C p )的负极性端，所述复数个反激电路的箝位端彼此相连且同时连于箝位电容(C p )的正极性端；所述复数个反激电路的输出端并联连接，即所述复数个反激电路的正输出端彼此相连、负输出端彼此相连；所述复数个反激电路输出端并联后的正输出端和负输出端分别连接到所述输出滤波电路，所述输出滤波电路连接到所述逆变电路，所述逆变电路连接到电网。
在本发明的优选实例中，所述反激电路包括输入滤波电容(C ink )、变压器(T k )、主开关管(S k )、箝位开关管(S ck )和二极管(D k )，
其中：变压器(T k )包括原边绕组(N pk )和副边绕组(N sk )，输入滤波电容(C ink )的正极性端分别连于反激电路的正输入端(ink+)和变压器(T k )原边绕组(N pk )的同名端，变压器(T k )原边绕组(N pk )的非同名端分别连于主开关管(S k )的漏极和辅助开关管(S ck )的源极，辅助开关管(S ck )的漏极与反激电路的箝位端(ck)相连，主开关管(S k )的源极分别与输入滤波电容(C ink )的负极性端和反激电路负输入端(ink-)相连，二极管(D k )的阳极与变压器(T k )副边绕组(N sk )的非同名端相连，二极管(D k )的阴极与反激电路正输出端(ok+)相连，变压器(T k )副边绕组(N sk )的同名端与反激电路负输出端(ok-)相连。
进一步的，所述光伏组件的个数与所述反激电路的个数大于等于2。
进一步的，所述输出滤波电路由输出滤波电容(C o )和输出滤波电感(L o )构成，所述逆变电路由第一、第二、第三、第四逆变开关管(S G1、S G2、S G3、S G4)构成；
所述输出滤波电容(C o )的一端同时连于输出滤波电感(L o )的一端和所述复数个反激电路输出端并联后的正输出端，所述输出滤波电容(C o )的另一端同时连于所述复数个反激电路输出端并联后的负输出端、第二逆变开关管(S G2)的源极和第四逆变开关管(S G4)的源极；所述输出滤波电感(L o )的另一端分别连于第一逆变开关管(S G1)的漏极和第三逆变开关管(S G3)的漏极，第一逆变开关管(S G1)的源极分别连于第二逆变开关管(S G2)的漏极和电网(u G )的一端，第三逆变开关管(S G3)的源极分别连于第四逆变开关管(S G4)的漏极和电网(u G )的另一端。
根据上述方案形成的本发明具有如下优点：
(1) 采用本发明提供的多输入反激式光伏并网逆变器，通过一个光伏并网逆变器能够同时与多个光伏组件相连，且分别实现每个光伏组件的最大功率跟踪，实现光伏组件发电效率的最大化；
(2) 本发明所述多输入反激式光伏并网逆变器中，多个反激电路共用输出滤波电路、箝位电容、逆变电路及控制电路，能够大大降低系统成本，降低单位发电功率的发电成本；
(3) 采用本发明所述的多输入反激式光伏并网逆变器，能够大大减小并网电流谐波，改善并网电流波形质量；
(4) 本发明提供的多输入反激式光伏并网逆变器支持光伏组件热插拔、系统扩展灵活。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明多输入反激式光伏并网逆变器的原理图。
图2为本发明多输入反激式光伏并网逆变器中反激电路的原理图。
图3为本发明多输入反激式光伏并网逆变器实施例——包含两个反激电路的多输入反激式光伏并网逆变器的原理图。
图4本发明多输入反激式光伏并网逆变器实施例——包含两个反激电路的多输入反激式光伏并网逆变器的工作波形图。
图5本发明多输入反激式光伏并网逆变器实施例——包含两个反激电路的多输入反激式光伏并网逆变器在2#光伏组件被切除时的等效原理图。
图中符号说明：C p —箝位电容；C o —输出滤波电容；L o —输出滤波电感；S G1 、S G2、S G3、S G4—第一、第二、第三、第四逆变开关管；u G —电网；in1+、in2+、ink+、inN+分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路、N#反激电路的正输入端；in1-、in2-、ink-、inN-分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路、N#反激电路的负输入端；c1-、c2-、c k-、c N-分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路、N#反激电路的箝位端；o1+、o 2+、o k+、o N+分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路、N#反激电路的正输出端；o1-、o 2-、o k-、o N-分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路、N#反激电路的负输出端；C in1、C in2、C ink 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路的输入滤波电容；S 1、S 2、S k 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路的主开关管；S c1、S c2、S ck 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路的辅助开关管；T 1、T 2、T k 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路的变压器；N p1、N p2、N pk 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路变压器原边绕组；N s1、N s2、N sk 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路变压器副边绕组；D 1、D 2、D k 分别为1#反激电路、2#反激电路、k#反激电路的二极管；u GS1、u GS2分别为S 1、S 2的驱动信号；u GSG1、u GSG2、u GSG3、u GSG4分别为S G1、S G2、S G3、S G4的驱动信号；i D1、i D2分别为二极管D 1、D 2的电流；i Lo 为滤波电感L o 的电流。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
为了解决传统交流模块式光伏并网逆变器单位发电功率成本高的问题，本发明的技术方案是通过将多个反激式光伏并网逆变器集成到一起，使其功率电路部分结构彼此共用，从而减小功率电路的成本，同时，集成后的电路可以共用一套控制电路，从而大大减小整个系统的成本。
为了改善并网电流质量，通过使多个反激电路彼此交错工作，使各个反激电路的电流谐波彼此抵消，从而大大改善整个系统输出电流波形的质量。
为了改善整个光伏并网逆变器的转换效率，反激电路采用有源箝位反激电路，且各个反激电路共用箝位电路，结合相应的控制方案，能够实现反激电路中主开关管的软开关，从而有效提高整个光伏并网逆变器的转换效率。
基于上述原理，本发明提供的多输入反激式光伏并网逆变器如图1所示：
本发明包括N(N大于等于2)个光伏组件、N个反激电路、箝位电容(C p )、输出滤波电路、逆变电路和电网，其中输出滤波电路由输出滤波电容(C o )和输出滤波电感(L o )构成，逆变电路由第一、第二、第三、第四逆变开关管(S G1、S G2、S G3、S G4)构成。
本发明中反激电路包括正输入端、负输入端、箝位端、正输出端和负输出端共五个端口，其中每个反激电路的正、负输入端分别与一个光伏组件的正、负输出端相连。
所有N个反激电路的负输入端彼此连接在一起且同时连于箝位电容(C p )的负极性端；所有N个反激电路的箝位端彼此连接在一起且同时连于箝位电容(C p )的正极性端，也即所有N个反激电路共用箝位电容(C p )。
所有N个反激电路的输出端并联连接，即所有N个反激电路的正输出端彼此连接在一起且同时连于输出滤波电容(C o )的一端和输出滤波电感(L o )的一端；所有N个反激电路的负输出端彼此连接在一起且同时连于输出滤波电容(C o )的另一端、第二逆变开关管(S G2)的源极和第四逆变开关管(S G4)的源极。
输出滤波电感(L o )的另一端分别连于第一逆变开关管(S G1)的漏极和第三逆变开关管(S G3)的漏极，第一逆变开关管(S G1)的源极分别连于第二逆变开关管(S G2)的漏极和电网(u G )的一端，第三逆变开关管(S G3)的源极分别连于第四逆变开关管(S G4)的漏极和电网(u G )的另一端。
本发明中的N个反激电路具有完全相同的电路结构，以其中的任意第k个反激电路来说明其电路结构，其电路原理图如附图2所示，任意第k个反激电路包括输入滤波电容(C ink )、变压器(T k )、主开关管(S k )、箝位开关管(S ck )和二极管(D k )。
其中：变压器(T k )包括原边绕组(N pk )和副边绕组(N sk )，输入滤波电容(C ink )的正极性端分别连于反激电路的正输入端(ink+)和变压器(T k )原边绕组(N pk )的同名端，变压器(T k )原边绕组(N pk )的非同名端分别连于主开关管(S k )的漏极和辅助开关管(S ck )的源极，辅助开关管(S ck )的漏极与反激电路的箝位端(ck)相连，主开关管(S k )的源极分别与输入滤波电容(C ink )的负极性端和反激电路负输入端(ink-)相连，二极管(D k )的阳极与变压器(T k )副边绕组(N sk )的非同名端相连，二极管(D k )的阴极与反激电路正输出端(ok+)相连，变压器(T k )副边绕组(N sk )的同名端与反激电路负输出端(ok-)相连。
本发明提供的多输入反激式光伏并网逆变器中，反激电路中的主开关管和辅助开关管均高频开关工作，逆变电路中的逆变开关管均低频工作，其工作频率与电网电压的频率相等。
在本发明的一个具体实施例中，多输入反激式光伏并网逆变器采用了两个反激电路分别与两块光伏组件相连，其原理图如附图3所示：
其中所有的开关管均采用了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中反激电路中开关管的开关频率在80kHz~400kHz之间变化，电网电压频率为50Hz，与每个反激电路相连的光伏组件的最大输出功率为300W，多输入反激式光伏并网逆变器的系统额定功率为600W，并网逆变器通过一块数字处理器(DSP)实现所有控制功能。
下面结合附图3~附图5说明该实施例的具体工作原理。
附图3所示的包含两个反激电路的多输入反激式光伏并网逆变器分别与1#光伏组件和2#光伏组件相连，同时实现两个光伏组件输出功率的MPPT，系统MPPT控制、锁相环控制、并网电流波形控制、孤岛检测及保护控制等所有的控制都由DSP实现，MPPT控制器的输出提供并网功率对应光伏组件并网功率的基准值，锁相环的输出提供并网电流的电角度及电网电压(u G )幅值，DSP根据并网功率的大小及电网电压(u G )电角度，实时调整反激电路主开关管(S 1、S 2)的占空比，每一路反激电路输出电流(i D1、i D2)的包络线为半波正弦，两路反激电路的主开关管(S 1、S 2)驱动信号彼此交错，两路反激电路的输出电流(i D1、i D2)高频叠加，其包络线仍为半波正弦，经输出滤波电路得到平滑的半波正弦形状的电感电流，经过逆变开关(S G1~S G4)构成的全桥逆变电路后，得到相位与电网电压一致的正弦并网电流。逆变电路中四个逆变开关管(S G1~S G4)在电网电压频率下互补工作，当电网电压(u G )为正时，第二、第三逆变开关管(S G2、S G3)导通，当电网电压(u G )为负时，第一、第四逆变开关管(S G1、S G4)导通。
附图3所示的多输入反激式光伏并网逆变器的原理工作波形如附图4所示。
多输入反激式光伏并网逆变器中，各个反激电路的工作彼此相互独立但工作原理相同，所有反激电路均工作在电流断续模式，即每个开关周期内反激电路输出电流都能自然减小到零；每个开关周期内，主开关管关断后，辅助开关管导通，且辅助开关管在反激电路输出电流减小到零之前关断，其作用为：实现主开关管关断电压的箝位、实现变压器漏感能量的回收。
本发明提供的多输入反激式光伏并网逆变器同时与多个光伏组件相连，但每个光伏组件的工作状态彼此独立，当某光伏组件被遮挡输出功率减小时对其它光伏组件的工作状态不会有任何影响，特别的，当某光伏组件由于故障等原因不能提供输出功率而被切除时，对其它光伏组件的工作状态也不会有任何影响，以附图3所示的包含两路反激电路的多输入反激式光伏并网逆变器为例，当2#光伏组件被切除时，光伏并网逆变器的等效电路如附图5所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 
。
Claims (4)
1.一种多输入反激式光伏并网逆变器，其特征在于，所述多输入反激式光伏并网逆变器包括复数个光伏组件、复数个反激电路、箝位电容(C p )、输出滤波电路、逆变电路和电网；所述光伏组件的个数与所述反激电路的个数相对应；
所述反激电路包括正输入端、负输入端、箝位端、正输出端和负输出端，所述每个反激电路的正、负输入端分别与一个光伏组件的正、负输出端相连，且所述复数个反激电路的负输入端彼此相连且同时连于箝位电容(C p )的负极性端，所述复数个反激电路的箝位端彼此相连且同时连于箝位电容(C p )的正极性端；所述复数个反激电路的输出端并联连接，即所述复数个反激电路的正输出端彼此相连、负输出端彼此相连；所述复数个反激电路输出端并联后的正输出端和负输出端分别连接到所述输出滤波电路，所述输出滤波电路连接到所述逆变电路，所述逆变电路连接到电网。
2.根据权利要求1所述的一种多输入反激式光伏并网逆变器，其特征在于，所述反激电路包括输入滤波电容(C ink )、变压器(T k )、主开关管(S k )、箝位开关管(S ck )和二极管(D k )，
其中：变压器(T k )包括原边绕组(N pk )和副边绕组(N sk )，输入滤波电容(C ink )的正极性端分别连于反激电路的正输入端(ink+)和变压器(T k )原边绕组(N pk )的同名端，变压器(T k )原边绕组(N pk )的非同名端分别连于主开关管(S k )的漏极和辅助开关管(S ck )的源极，辅助开关管(S ck )的漏极与反激电路的箝位端(ck)相连，主开关管(S k )的源极分别与输入滤波电容(C ink )的负极性端和反激电路负输入端(ink-)相连，二极管(D k )的阳极与变压器(T k )副边绕组(N sk )的非同名端相连，二极管(D k )的阴极与反激电路正输出端(ok+)相连，变压器(T k )副边绕组(N sk )的同名端与反激电路负输出端(ok-)相连。
3.根据权利要求1所述的一种多输入反激式光伏并网逆变器，其特征在于，所述光伏组件的个数与所述反激电路的个数大于等于2。
4.根据权利要求1所述的一种多输入反激式光伏并网逆变器，其特征在于，所述输出滤波电路由输出滤波电容(C o )和输出滤波电感(L o )构成，所述逆变电路由第一、第二、第三、第四逆变开关管(S G1、S G2、S G3、S G4)构成；
所述输出滤波电容(C o )的一端同时连于输出滤波电感(L o )的一端和所述复数个反激电路输出端并联后的正输出端，所述输出滤波电容(C o )的另一端同时连于所述复数个反激电路输出端并联后的负输出端、第二逆变开关管(S G2)的源极和第四逆变开关管(S G4)的源极；所述输出滤波电感(L o )的另一端分别连于第一逆变开关管(S G1)的漏极和第三逆变开关管(S G3)的漏极，第一逆变开关管(S G1)的源极分别连于第二逆变开关管(S G2)的漏极和电网(u G )的一端，第三逆变开关管(S G3)的源极分别连于第四逆变开关管(S G4)的漏极和电网(u G )的另一端。
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