CN104201885A - 光伏系统的优化器及其电力转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏系统的优化器及其电力转换电路，该电路的输入侧分为A、B两路，分别与第一、第二光伏组件连接。A路包括：第一输入电容，并联于第一正、负输入端间，第一负输入端与负输出端连接并接地；第一NMOS管，漏极与第一正输入端连接，栅极接收第一驱动信号；第一二极管，正极与第一负输入端连接，负极与第一NMOS管源极连接；B路包括：第二输入电容，并联于第二正、负输入端间，第二正输入端与正输出端连接；第二NMOS管，源极与第二负输入端连接，栅极接收第二驱动信号；第二二极管，正极与第二NMOS管漏极连接，负极与第二正输入端连接；电力转换电路还包括：电感，分别与第一NMOS管的源极和第二NMOS管漏极连接；输出电容，并联于正、负输出端间。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光伏并网发电技术领域，具体来说，本发明涉及一种分布式光伏系统的双组件优化器及其电力转换电路。
背景技术
由于太阳能的可再生性及清洁性，光伏并网发电技术得以迅猛发展。优化器结构是其中一种高效的光伏并网方案，每个光伏组件连接一台可升降压的优化器，将优化器的输出端串联后通过集中式逆变器将能量传递给电网。优化器结构将光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)解耦为各个光伏组件的最大功率点跟踪，在解决光伏组件不匹配及部分遮蔽问题的同时，也可以监测光伏组件的性能，方便系统的运维。
因为优化器是光伏系统额外增加的部件，所以对于成本要求非常高，希望尽可能降低成本。其中一个重要的做法就是采用双组件优化器，也就是一个优化器接两个光伏组件。目前的做法为串联光伏组件以后接入优化器，如图1所示。图1为现有技术中的一种光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图。输入和输出的电压电流采样后发给控制器，控制器产生控制信号，发给驱动芯片，驱动芯片控制开关元件，实现电力转换。
但这样的做法有几个问题：
1.没有独立的MPPT，比如一个光伏组件失效，没有了电流，那这两个串联的光伏组件都会没有电流，无法工作。
2.不能监测单个光伏组件的性能。
3.由于输入电压加倍，电容、开关的电压等级升高，造成元件选型的困难。
4.由于功率的加倍，电感、电容等容量等级升高，造成元件选型的困难。
5.在优化器停止工作后，两个串联光伏组件的输出电压可能高于80V，不能满足电力法令要求光伏组件的输出低于80V。
另一种做法是采用两路完全独立的转换电路，直接把输出相互串联，如图2所示。图2为现有技术中的另一种光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分布式光伏系统的双组件优化器及其电力转换电路，能够实现低成本和高性能的优化结构。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光伏系统的优化器的电力转换电路，所述电力转换电路的输入侧分为A路和B路两个支路，分别与第一光伏组件和第二光伏组件相连接；
所述A路包括：
第一输入电容，并联于第一正输入端和第一负输入端之间，所述第一负输入端与所述电力转换电路的负输出端相连接并共同接地；
第一开关管，其漏极端与所述第一正输入端相连接，其栅极端与第一驱动信号相连接；以及
第一二极管，其正极端与所述第一负输入端相连接，其负极端与所述第一开关管的源极端相连接；
所述B路包括：
第二输入电容，并联于第二正输入端和第二负输入端之间，所述第二正输入端与所述电力转换电路的正输出端相连接；
第二开关管，其源极端与所述第二负输入端相连接，其栅极端与第二驱动信号相连接；以及
第二二极管，其正极端与所述第二开关管的漏极端相连接，其负极端与所述第二正输入端相连接；
所述电力转换电路还包括：
电感，其一端与所述第一开关管的源极端相连接，其另一端与所述第二开关管的漏极端相连接；以及
输出电容，并联于所述正输出端和所述负输出端之间。
可选地，所述第一开关管和/或所述第二开关管为NMOS管。
可选地，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号相互交错。
可选地，所述电力转换电路为降压式变换电路。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种光伏系统的优化器，包括电力转换电路，所述电力转换电路的输入侧分为A路和B路两个支路，分别与第一光伏组件和第二光伏组件相连接；
所述A路包括：
第一输入电容，并联于第一正输入端和第一负输入端之间，所述第一负输入端与所述电力转换电路的负输出端相连接并共同接地；
第一开关管，其漏极端与所述第一正输入端相连接，其栅极端与第一驱动信号相连接；以及
第一二极管，其正极端与所述第一负输入端相连接，其负极端与所述第一开关管的源极端相连接；
所述B路包括：
第二输入电容，并联于第二正输入端和第二负输入端之间，所述第二正输入端与所述电力转换电路的正输出端相连接；
第二开关管，其源极端与所述第二负输入端相连接，其栅极端与第二驱动信号相连接；以及
第二二极管，其正极端与所述第二开关管的漏极端相连接，其负极端与所述第二正输入端相连接；
所述电力转换电路还包括：
电感，其一端与所述第一开关管的源极端相连接，其另一端与所述第二开关管的漏极端相连接；以及
输出电容，并联于所述正输出端和所述负输出端之间。
可选地，所述第一开关管和/或所述第二开关管为NMOS管。
可选地，所述第一驱动信号和所述第二驱动信号相互交错。
可选地，所述电力转换电路为降压式变换电路。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种分布式光伏系统的双组件优化器及其电力转换电路，可连接两个光伏组件，而同时保持每个光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)功能、检测和保护关断。通过采用共用的电感和电容，以降低成本。
另外，本发明优选采用交错的驱动信号，减小了电感上的电压和电流纹波，降低了电感的参数要求，也降低了功耗，提高了优化器的整体转换效率。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为现有技术中的一种光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图；
图2为现有技术中的另一种光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图；
图3为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图；
图4a为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为同步；
图4b为本发明另一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为交错；
图5a为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为同步；
图5b为本发明另一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为交错；
图6a为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为同步；
图6b为本发明另一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7获得的仿真波形，第一驱动信号和第二驱动信号为交错；
图7为图4a至图6b所示实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比分别都为0.3、0.5和0.7获得的仿真结果的总结列表。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
光伏系统的优化器的电力转换电路的实施例
图3为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。如图3所示，两个光伏组件A和B的输出端各自独立连接优化器的电力转换电路300的输入端，这两个输入端分别对应电力转换电路300的两个支路。该电力转换电路300的输入侧分为A路和B路两个支路(下半部分为A路，上半部分为B路)，分别与第一光伏组件A和第二光伏组件B相连接。
其中，该A路包括：第一输入电容Cin1、第一开关管Q1和第一二极管D1。第一输入电容Cin1并联于第一正输入端PV1+和第一负输入端PV1-之间，该第一负输入端PV1-与该电力转换电路300的负输出端OUT-相连接并共同接地。第一开关管Q1可为NMOS管，其漏极端与该第一正输入端PV1+相连接，其栅极端与第一驱动信号Drive1相连接。第一二极管D1的正极端与该第一负输入端PV1-相连接，其负极端与该第一开关管Q1的源极端相连接。
该B路包括：第二输入电容Cin2、第二开关管Q2和第二二极管D2。第二输入电容Cin2并联于第二正输入端PV2+和第二负输入端PV2-之间，该第二正输入端PV2+与该电力转换电路300的正输出端OUT+相连接。第二开关管Q2可以为NMOS管，其源极端与该第二负输入端PV2-相连接，其栅极端与第二驱动信号Drive2相连接。第二二极管D2的正极端与该第二开关管Q2的漏极端相连接，其负极端与该第二正输入端PV2+相连接。另外，该电力转换电路300还包括：电感L和输出电容Cout。电感L的一端与该第一开关管Q1的源极端相连接，其另一端与该第二开关管Q2的漏极端相连接。输出电容Cout并联于该正输出端OUT+和该负输出端OUT-之间。
由此可见，A路的第一正输入端PV1+和B路的第二负输入端PV2-仅通过1个电感L连接。和现有技术的图2相比，本实施例中只有一个电感L，而不是两个L1和L2。另外，输出电容也只有1个输出电容Cout，而不是两个Cout1和Cout2。
在本实施例中，分别用于驱动该第一开关管Q1和该第二开关管Q2的该第一驱动信号Drive1和该第二驱动信号Drive2相互交错，而不是同步。
本发明做了第一驱动信号Drive1和第二驱动信号Drive2为同步和为交错的仿真，获得了优化器的输出电压Vout和输出电流Iout以及电感L上的电压VL和电流IL，图4a至图6b分别显示了仿真波形的结果。
其中，图4a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5的仿真波形，两者为同步；图4b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5的仿真波形，两者为交错。图5a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3的仿真波形，两者为同步；图5b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3的仿真波形，两者为交错。图6a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7的仿真波形，两者为同步；图6b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7的仿真波形，两者为交错。
图7为图4a至图6b所示实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比分别都为0.3、0.5和0.7获得的仿真结果的总结列表。图7中总结了这些仿真结果波形里的每个参数。对电感L上的电压VL和电流IL采用峰峰值，以便于比较。很明显，采用交错驱动信号和同步信号能获得几乎相同的输出电压和输出电流，但是电感L的电压VL和电流IL区别很大。对于占空比为0.3、0.5和0.7这三种情况，交错驱动的电压和电流的峰峰值都大大小于同步驱动的情况。这样电感L的设计要求便大大降低，也就是降低了成本。同时电感L上的功耗也大大降低，提高了优化器的整体转换效率。
在本发明中，图3中的该电力转换电路300以降压式变换电路(BUCK电路)为例，但也可以使用具备类似功能的其他电路。
光伏系统的优化器的实施例
为简便起见，本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件。
光伏系统的该优化器包括了电力转换电路。图3为本发明一个实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的示意图。如图3所示，两个光伏组件A和B的输出端各自独立连接优化器的电力转换电路300的输入端，这两个输入端分别对应电力转换电路300的两个支路。该电力转换电路300的输入侧分为A路和B路两个支路(下半部分为A路，上半部分为B路)，分别与第一光伏组件A和第二光伏组件B相连接。
其中，该A路包括：第一输入电容Cin1、第一开关管Q1和第一二极管D1。第一输入电容Cin1并联于第一正输入端PV1+和第一负输入端PV1-之间，该第一负输入端PV1-与该电力转换电路300的负输出端OUT-相连接并共同接地。第一开关管Q1可为NMOS管，其漏极端与该第一正输入端PV1+相连接，其栅极端与第一驱动信号Drive1相连接。第一二极管D1的正极端与该第一负输入端PV1-相连接，其负极端与该第一开关管Q1的源极端相连接。
该B路包括：第二输入电容Cin2、第二开关管Q2和第二二极管D2。第二输入电容Cin2并联于第二正输入端PV2+和第二负输入端PV2-之间，该第二正输入端PV2+与该电力转换电路300的正输出端OUT+相连接。第二开关管Q2可以为NMOS管，其源极端与该第二负输入端PV2-相连接，其栅极端与第二驱动信号Drive2相连接。第二二极管D2的正极端与该第二开关管Q2的漏极端相连接，其负极端与该第二正输入端PV2+相连接。另外，该电力转换电路300还包括：电感L和输出电容Cout。电感L的一端与该第一开关管Q1的源极端相连接，其另一端与该第二开关管Q2的漏极端相连接。输出电容Cout并联于该正输出端OUT+和该负输出端OUT-之间。
由此可见，A路的第一正输入端PV1+和B路的第二负输入端PV2-仅通过1个电感L连接。和现有技术的图2相比，本实施例中只有一个电感L，而不是两个L1和L2。另外，输出电容也只有1个输出电容Cout，而不是两个Cout1和Cout2。
在本实施例中，分别用于驱动该第一开关管Q1和该第二开关管Q2的该第一驱动信号Drive1和该第二驱动信号Drive2相互交错，而不是同步。
本发明做了第一驱动信号Drive1和第二驱动信号Drive2为同步和为交错的仿真，获得了优化器的输出电压Vout和输出电流Iout以及电感L上的电压VL和电流IL，图4a至图6b分别显示了仿真波形的结果。
其中，图4a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5的仿真波形，两者为同步；图4b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.5的仿真波形，两者为交错。图5a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3的仿真波形，两者为同步；图5b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.3的仿真波形，两者为交错。图6a为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7的仿真波形，两者为同步；图6b为第一驱动信号和第二驱动信号的占空比都为0.7的仿真波形，两者为交错。
图7为图4a至图6b所示实施例的光伏系统的双组件优化器的电力转换电路的第一驱动信号和第二驱动信号的占空比分别都为0.3、0.5和0.7获得的仿真结果的总结列表。图7中总结了这些仿真结果波形里的每个参数。对电感L上的电压VL和电流IL采用峰峰值，以便于比较。很明显，采用交错驱动信号和同步信号能获得几乎相同的输出电压和输出电流，但是电感L的电压VL和电流IL区别很大。对于占空比为0.3、0.5和0.7这三种情况，交错驱动的电压和电流的峰峰值都大大小于同步驱动的情况。这样电感L的设计要求便大大降低，也就是降低了成本。同时电感L上的功耗也大大降低，提高了优化器的整体转换效率。
在本发明中，图3中的该电力转换电路300以降压式变换电路(BUCK电路)为例，但也可以使用具备类似功能的其他电路。
本发明提出了一种分布式光伏系统的双组件优化器及其电力转换电路，可连接两个光伏组件，而同时保持每个光伏组件的最大功率点跟踪(MPPT)功能、检测和保护关断。通过采用共用的电感和电容，以降低成本。
另外，本发明优选采用交错的驱动信号，减小了电感上的电压和电流纹波，降低了电感的参数要求，也降低了功耗，提高了优化器的整体转换效率。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种光伏系统的优化器的电力转换电路(300)，所述电力转换电路(300)的输入侧分为A路和B路两个支路，分别与第一光伏组件(A)和第二光伏组件(B)相连接；
所述A路包括：
第一输入电容(Cin1)，并联于第一正输入端(PV1+)和第一负输入端(PV1-)之间，所述第一负输入端(PV1-)与所述电力转换电路(300)的负输出端(OUT-)相连接并共同接地；
第一开关管(Q1)，其漏极端与所述第一正输入端(PV1+)相连接，其栅极端与第一驱动信号(Drive1)相连接；以及
第一二极管(D1)，其正极端与所述第一负输入端(PV1-)相连接，其负极端与所述第一开关管(Q1)的源极端相连接；
所述B路包括：
第二输入电容(Cin2)，并联于第二正输入端(PV2+)和第二负输入端(PV2-)之间，所述第二正输入端(PV2+)与所述电力转换电路(300)的正输出端(OUT+)相连接；
第二开关管(Q2)，其源极端与所述第二负输入端(PV2-)相连接，其栅极端与第二驱动信号(Drive2)相连接；以及
第二二极管(D2)，其正极端与所述第二开关管(Q2)的漏极端相连接，其负极端与所述第二正输入端(PV2+)相连接；
所述电力转换电路(300)还包括：
电感(L)，其一端与所述第一开关管(Q1)的源极端相连接，其另一端与所述第二开关管(Q2)的漏极端相连接；以及
输出电容(Cout)，并联于所述正输出端(OUT+)和所述负输出端(OUT-)之间。
2.根据权利要求1所述的优化器的电力转换电路(300)，其特征在于，所述第一开关管(Q1)和/或所述第二开关管(Q2)为NMOS管。
3.根据权利要求2所述的优化器的电力转换电路(300)，其特征在于，所述第一驱动信号(Drive1)和所述第二驱动信号(Drive2)相互交错。
4.根据权利要求3所述的优化器的电力转换电路(300)，其特征在于，所述电力转换电路(300)为降压式变换电路。
5.一种光伏系统的优化器，包括电力转换电路(300)，所述电力转换电路(300)的输入侧分为A路和B路两个支路，分别与第一光伏组件(A)和第二光伏组件(B)相连接；
所述A路包括：
第一输入电容(Cin1)，并联于第一正输入端(PV1+)和第一负输入端(PV1-)之间，所述第一负输入端(PV1-)与所述电力转换电路(300)的负输出端(OUT-)相连接并共同接地；
第一开关管(Q1)，其漏极端与所述第一正输入端(PV1+)相连接，其栅极端与第一驱动信号(Drive1)相连接；以及
第一二极管(D1)，其正极端与所述第一负输入端(PV1-)相连接，其负极端与所述第一开关管(Q1)的源极端相连接；
所述B路包括：
第二输入电容(Cin2)，并联于第二正输入端(PV2+)和第二负输入端(PV2-)之间，所述第二正输入端(PV2+)与所述电力转换电路(300)的正输出端(OUT+)相连接；
第二开关管(Q2)，其源极端与所述第二负输入端(PV2-)相连接，其栅极端与第二驱动信号(Drive2)相连接；以及
第二二极管(D2)，其正极端与所述第二开关管(Q2)的漏极端相连接，其负极端与所述第二正输入端(PV2+)相连接；
所述电力转换电路(300)还包括：
电感(L)，其一端与所述第一开关管(Q1)的源极端相连接，其另一端与所述第二开关管(Q2)的漏极端相连接；以及
输出电容(Cout)，并联于所述正输出端(OUT+)和所述负输出端(OUT-)之间。
6.根据权利要求5所述的光伏系统的优化器，其特征在于，所述第一开关管(Q1)和/或所述第二开关管(Q2)为NMOS管。
7.根据权利要求6所述的光伏系统的优化器，其特征在于，所述第一驱动信号(Drive1)和所述第二驱动信号(Drive2)相互交错。
8.根据权利要求7所述的光伏系统的优化器，其特征在于，所述电力转换电路(300)为降压式变换电路。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |