专利名称：光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路的制作方法
技术领域：
本发明属电力电子与电工技术领域，特别涉及光伏发电系统中耦合电感式双 Boost逆变器电路。
背景技术：
在本发明之前，现有的较低压直流逆变技术中，尤其是较低压光伏组件并网发电 中，主要有以下二种。 —种是单级逆变电路通过工频变压器升压方式并网，另一种是两级式即前级 DC-DC升压电路，后级是逆变器。前者中，当光伏组件电压较低时，工频变压器升压比较大， 原边电流较大，因此功率开关管功率损耗较大，同时变压器本身产生功率损耗，导致系统转 换效率较低，影响光伏发电利用率；后者中，采用两级电路，系统转换效率不高，导致光伏发 电利用率低下。由此可知，这两种方法都不利于较低电压光伏组件下的中、小功率光伏电池 高效的向电网发电。
发明内容
本发明目的在于克服上述缺陷，发明了一种光伏发电系统中耦合电感式双Boost 逆变器电路。 本发明的技术方案是 发明的耦合电感式双Boost逆变器电路，其主要技术特征是由两个耦合电感式 Boost电路共用直流电源构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。
本发明的逆变电路本身的结构特点是两个耦合电感式Boost电路，Boost 二极管 采用全控型器件开关管，使逆变电路能实现能量的四像限运行；由于采用了耦合的电感， 适当选取匝比，使得在较低输入电压时和较小占空比情况下Boost电路也能输出较高的电 压，因此发明的并网逆变器无需升压变压器，可以实现一级并网发电。 本发明与现有技术相比，在较低压输入时，无需变压器升压，体积轻、效率高、成本 低，充分地利用了光伏发电的能量。发明的并网逆变器应用在较低压光伏发电中，可以采用 传统的闭环控制方式，用正弦波脉宽调制方式实现其4只开关管的驱动信号，逻辑分配简 单易实现。 本发明是针对当前较低压直流输入并网发电变换效率低的缺点，提出的耦合电感 式双Boost逆变器，具有升压能力，可实现单级并网发电。本发明的电路具有结构简洁、设 计成本低、效率高、可靠性高，当输入直流电压低，特别是光伏组件电压较低时，可省去工频 变压器并完成并网发电功能。本发明的电路特别适用于光伏发电系统模块化，将之集成在 光伏组件上以提高光伏发电的综合转换效率，满足即插即用分布式发电系统要求。发明电 路的开关管开关信号的调制方式和控制方法都与传统的并网发电逆变器一样，控制简单易 实现。 本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。
模态的等效电路示意图。 t3]模态的等效电路示意图。 t4]模态的等效电路示意图。
-本发明中
-本发明中[t2
-本发明中[t3
中的符号名称 耦合电感 电池电压 k的绕制匝数 L2的绕制匝数 L3的绕制匝数 L4的绕制匝数 直流输入侧电容 输出交流电压
L3，L4 耦合电感 1\ T4 开关管 D工 ^ 开关管的体二极管 C2，C3 输出滤波电容 电池
VH1， VH2输出直流电压 i。 输出电流 & 输出模拟负载
w输
v0
图2.中各框图内名称分别是
1. 耦合电感式Boost逆变器
2. SPWM双极性调制
3. 带MPPT的控制流程
图2.中的符号和图1中有部分同，只是将电池电压源B工换成光伏组件PV，其电压
出负载是电网。
图2.中的符号名称
耦合电感 L3，LZ vpv 光伏组件电压 ipv 光伏组件输出电流D工
Q 直流侧电容
的绕制匝数 n2L2的绕制匝数 va。 电网电压 Vmpp 最大功率点跟踪给定
I。—rrf并网电流给定 Vr
图3.中符号名称 t。 t5_时间
图4
vgl
C2，C3
vH1， vB PI
，carry
耦合电感 T4开关管
D4开关管的体二极管 驱动信号
'g4
输出滤波电容 并网电流 输出电压
比例积分调节器 调制波信号
双极性三角载波
^ v^-驱动信号
7.中的符号名称，见下面的实施方式中的相应说明
具体实施例方式
根据上述
本发明的具体实施方式
及工作原理和工作过程。 如图l所示，耦合电感式Boost逆变器电路由如下部件组成本发明 耦合电感， L2、耦合电感L3， L4，输入直流源B工及其并联电容Q ，开关管1\ T4及
其反并联二极管D工 Dp输出滤波电容C2， C3和模拟负载&组成。 图1是本发明的主要电路，图2是图1的一个应用系统，逆变器的连接也是本发明
的主要内容。 如图2所示 逆变器1 (耦合电感式Boost逆变器)、调制器2 (SP丽双极性调制器)和控制器 3(带MPPT的控制器)组成本发明的应用；其中，控制器3输出接调制器2输入端，调制器2 输出端即调制器2中的驱动电路将驱动信号送逆变器1中的开关管控制极。
具体如下 本发明应用于直流输入、交流输出场合，特别适用于较低输入直流电压情形。k与 L2共同绕制在一个磁芯上，L3与L4共同绕制在另一个磁芯上，分别构成两个耦合电感；其中 一个耦合电感与L2、 G、开关管1\、 T2及其体二极管构成一个Boost电路；另一个耦合电 感L3与L4、 Q、开关管T3、 T4及其体二极管构成另一个Boost电路；以正弦的方式调制开关 管驱动信号，且vgl vg4中vgl与vg4相同，vg2与vg3相同，vgl与vg2互补，vg3与vg4互补。
如图1、图2所示，图2中的逆变器1就是图1中将输入直流电源B工改成光伏电 池，负载&变成通过并网开关接电网的具体应用形式。本发明的应用过程说明当调制时， 由调制器2，采用传统的双极性正弦波调制(SP丽)，按图3方式产生控制信号，控制信号经 驱动电路发出的驱动信号，驱动信号送往逆变器1的相应开关管控制极。这样，控制器1右 半个Boost电路电容&上输出电压为VH1 = VmSin"t+V。c，则另半个Boost电路电容Q上 输出电压为VH2 = -Vmsin"t+VDC。图1中已知输出取自两Boost输出的电容C2与C3之间， 两电容电压相减就是图1中输出电压v。，且v。 = 2VmSin"t，显然这是一正弦波输出的交流
波形。对于图2中对应于图l的符号V。就是图中的电网电压Va。。这是迭加在直流电压之
上的正弦波调制，故不存在过零畸变，这优于传统全桥逆变器。图2中的控制器3是为了实 现光伏发电功能所需而进行控制，并产生调制信号VMg送调制器2，具体控制和传统光伏发 电控制一样。 下面根据图.1，图3 7分析本发明逆变电路拓扑的工作模态。图4 7中实线
是相应模态下的工作电路，不工作的部分用虚线表示。 本发明的耦合电感式双Boost逆变器有以下主要工作模式 为了便于分析，设图1中的电感电流连续。在稳压情况输出交流正半周波形时，考 虑"死区"时间，可将实际的开关驱动波形分为4个时段分析，开关触发脉冲时序如图3所 示。 (1) [t。 tj时段，对应图4。这时，1\和T4的驱动信号vgl和vg4为高电平；T2和 T3的驱动信号vg2， vg3为低电平。1\和T4导通，iu， iu分别从D2， D3转移至1\和T4。
(2)h tj时段(死区)，对应图5。此时，^ v均为低电平，由于电感电流 方向不能突变，故在1\和T4关断的同时，iu和iu分别转移至D2， D3续流。其等效电路为 图5.，是图4的对偶结构。
(3) [t2 t3]时段，对应图6。此时，vgl， v为低电平，vg2， 、3为高电平。由电感 电流方向不能突变知iu， iu仍分别通过D2， D3流动，若T2和T3是MOS管，则其沟道反向导 通，开关管工作在同步整流状态。 (4)[t3 t4]时段(死区)，对应图7，此时，^ v均为低电平。由于电感电流 方向不能突变，iu，、仍分别通过02，03续流，等效电路和[^ t2]时段一样。
(5)t4之后重复以上的工作过程。 以上分析的是交流正半周输出情况，至于交流负半周输出情况是对偶的。
本发明的一个具体实施例子如下 图2中，逆变器1部分输入源采用无锡尚德光伏组件，型号是STP260-24/Vb—块， 其开路电压是44V，最大工作点电压34. 8V，用逆变器1作为光伏并网逆变器，实现一级式并 网发电，无变压器隔离。设计参数耦合电感匝比取4012 : n》，l^二L3二95iiH，电容C2二 C3 = 5iiF， Q = 2200 iiF，开关管选用英飞凌Cool M0S，开关频率50KHz，图2中的调制器 2和控制器3的逻辑可以用数字方式实现，选用TI公司数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)实现全数字控制，包括MPPT、 PI算法和孤岛保护等。应用情况当地光照 下最大并网功率达250W，逆变器本身最大效率〉97. 1%，电流总谐波含量(Total Harmonic Distortion, THD)小于1%。 从以上的描述可知，本发明所提出的耦合电感式双Boost逆变器有以下主要优 点 (1)可以实现较低直流电压源向高交流电压的单级式逆变； (2)由于基于Boost结构，故转换效率高； (3)不存在过零点畸变，THD小； (4)适合于光伏发电逆变器模块化应用。
权利要求
光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路，其特征在于由两个耦合电感式Boost电路构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。
2. 根据权利要求l所述的光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路，其特征在 于控制器输出接调制器输入端，调制器输出端经驱动接耦合电感式双Boost并网逆变器。
全文摘要
本发明涉及光伏发电系统中耦合电感式双Boost逆变器电路。本发明是由两个耦合电感式Boost电路共用直流电源构成，交流输出取自两个耦合电感式Boost的输出电容之间。本发明解决了单级逆变电路通过工频变压器升压方式并网和前级DC-DC升压电路、后级是逆变器方法存在的功率开关管功率损耗较大、变压器功率损耗大、转换效率低及光伏发电利用率低下等缺陷。本发明是两个耦合电感式Boost电路，并采用全控型器件开关管，使逆变电路能实现能量的四像限运行，耦合的电感在较低输入电压时和较小占空比情况下Boost电路也能输出较高的电压，因此发明的并网逆变器无需升压变压器，可以实现一级并网发电。
文档编号H02J3/38GK101741273SQ200910264169
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者方宇 申请人:扬州大学