用于光伏并网逆变器的功率解耦电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，涉及交流干线或交流配电网络的电路装置，由一个滤波电容器、一个电感、解耦电容器A、解耦电容器B、开关管A和开关管B组成；解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联，开关管A和开关管B串联后的开关管A集电极连接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的正极节点上，开关管A和开关管B串联后的开关管B发射极联接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的负极节点上，解耦电容器A和解耦电容器B串联的中间节点通过电感连接开关管A发射极和开关管B集电极的连接点，克服了现有光伏并网逆变器要大容量大体积解耦电容、结构复杂和成本高的缺陷。
【专利说明】用于光伏并网逆变器的功率解耦电路
【技术领域】
[0001]本实用新型的技术方案涉及交流干线或交流配电网络的电路装置，具体地说是用于光伏并网逆变器的功率解耦电路。
【背景技术】
[0002]在单相光伏并网逆变器中，为使逆变器的输出功率因数接近1，需要控制逆变器的输出电流波形为正弦波形且与电网电压同相位，这使得逆变器的输出功率为两倍于电网频率的脉动功率。这个脉动功率会在直流母线上产生低频纹波，进而引起光伏阵列的电压和电流的波动。然而，为了最大限度地利用光伏阵列所发出的能量，必须使光伏阵列充分接近其最大功率点运行。为了限制在直流母线上产生的低频纹波，现有的解决方法是在光伏阵列两端并联大的解耦电容，对于400V的直流母线电压来说，解耦电容一般为0.5mF/kW。这无疑增加了逆变器的体积和成本。为了减小所需解耦电容的容量，人们已经提出了多种功率解耦方法。
[0003]文献《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线电容的电压波动幅度，使器件的耐压增大，从而对高耐压电容的选择带来困难，并且器件的寿命也会降低。文献《DC bus regulation strategy for grid-connected V powergeneration system))提出的方法是将一个电感和一个电容串联之后,再并联在直流母线上，利用LC串联谐振的方法可以有效减小母线的电压波动。这种解耦方法的L和C的取值很大，并且其产生的谐振电流存在大幅度波动，给系统增加了不稳定性，并且这种方法不适用于小功率场合。CN101841252A公开了一种主动能量解耦的光伏并网逆变器，利用两个反激变换器并联电容的方式，其装置的结构复杂、体积大和成本高；CN102522766A披露了一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器及其控制方法，该逆变器的结构复杂，需要三个开关管，增加了控制复杂程度，也增大了解耦回路的体积；CN102638059A报道了单相光伏并网发电系统功率解耦电路及其控制方法，该电路的解耦部分位于全桥逆变和并网滤波器之间，对并网滤波器的设计要求和成本均较高。
[0004]总之，现有的单相光伏并网逆变器装置中，仍存在需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、体积大和成本高的缺陷。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是:提供用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，可以保障直流母线电压稳定在400V左右，克服了现有的光伏并网逆变器装置中需要较大容量和较大体积的解耦电容、结构复杂、体积大和成本高的缺陷。
[0006]本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是:用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，由一个滤波电容器、一个电感、解耦电容器A、解耦电容器B、开关管A和开关管B组成；其中，解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联，开关管A和开关管B串联后的开关管A的集电极连接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的正极节点上，该正极节点在一条直流母线上，开关管A和开关管B串联后的开关管B的发射极联接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的负极节点上，该负极节点则在另一条直流母线上，解耦电容器A和解耦电容器B串联的中间节点通过电感连接在开关管A发射极和开关管B集电极的连接点上。
[0007]上述用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，所述滤波电容器的电容量为22μ F和耐压是400V，电感的电感值为2mH，解耦电容器A的电容量为22 μ F和耐压是172V，解耦电容器B的电容量为136 μ F和耐压是320V，开关管A和开关管B均采用绝缘栅双极型晶体管ΙΚΡ15Ν65Η5。
[0008]上述用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，其中所涉及到的开关管、电容器、电感都是公知的，所有元器件都可以通过商购等公知途径获得，所有元器件的连接也都是本【技术领域】的技术人员所熟知的线路连接方法。
[0009]上述用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，在应用于光伏并网逆变器中时，该功率解耦电路靠近滤波电容器的正负极两端与光伏阵列的正负极两端并联再分别连接在一条直流母线上，该功率解耦电路靠近开关管A和开关管B串联后的的正负极两端分别与逆变器输入端的正负极两端连接，逆变器输出端与电网相连。由两个开关管和电感组成的双向升降压变换器将解耦电容器A和解耦电容器B连接起来，使得能量可以在解耦电容器A和解耦电容器B之间双向传递，两个开关管使解耦电容器B的电压有较大的波动同时保持直流母线电压稳定，以实现逆变器输入和输出之间的功率解耦。解耦电容器B的容量较大，由它来储存光伏阵列的过剩能量，滤波电容器的容量很小，其作用是保持直流母线电压的稳定。
[0010]本实用新型的有益效果是:与现有技术相比，本实用新型的实质性特点是:
[0011](I)根据逆变器输出功率的大小，本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路有以下两种工作模式，①当来自光伏阵列的输入功率大于输出功率时，功率解耦电路工作在充电模式:当开关管A开通，解耦电容器A放电，电流从开关管A的发射极节点经过电感流向解耦电容器A和解耦电容器B串联的中间节点，从而电感的电流增加，电感充电；当开关管A关断，电感通过解耦电容器B和开关管B的反并联二极管续流，电感电流减小，续流回路中解耦电容器B充电。在这个充电模式中，解耦电容器A的电压逐渐减小，解耦电容器B的电压逐渐增加，来自光伏阵列的过剩能量被储存在解耦电容器B中。②当来自光伏阵列的输入功率小于输出功率时，功率解耦电路工作在放电模式:当开关管B开通，解耦电容器B放电，电流从解耦电容器A和解耦电容器B串联的中间节点流向开关管B的集电极节点，从而电感电流增加，电感充电；当开关管B关断，电感通过解耦电容器A和开关管A的反并联二极管续流，电感电流减小，续流回路中解耦电容器A充电，通过解耦电容器A再把储存的能量释放至主电路中。在这个放电模式中，解耦电容器B将已经储存的部分能量逐渐释放出来，以补充光伏阵列不足的能量，解耦电容器A的电压逐渐增加，解耦电容器B的电压逐渐减小，解耦电容器B释放出来的能量一部分转移到解耦电容器A中，另一部分补充光伏阵列出的不足能量。这个能量指的是在放电模式中，逆变器输出的能量减去光伏阵列发出的能量。
[0012](2)本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路在光伏并网逆变器的应用中，解耦电容器A和解耦电容器B的最大电压均低于直流母线电压，电容器额定电压的降低可以大幅减小电容器的体积的成本。
[0013]与现有技术相比，本实用新型的显著进步是:
[0014](I)本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，在实现功率解耦的同时，能有效减小所需解耦电容的容量。通过理论计算和推导，在相同条件下，只使用大电解电容实现功率解耦光伏并网逆变器时，需要的电解电容的容值为500 μ F，而使用本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路时，对于相同的输入输出功率只需采用容值为180yF的电解电容即可，而且在电容器的最大需承受的电压方面，前者最大耐压需为直流母线电压400V，而后者仅为320V。从而在本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路中，减小了电容的体积，同时在相同条件下增加了光伏逆变系统的功率密度。
[0015](2)本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，能使解耦电容承受的电压降低至小于直流母线电压，有利于减小整个电路装置的成本和体积，特别适用于小功率单相光伏并网逆变系统。
[0016](3)本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，可以保障直流母线电压稳定在400V左右，从而减小直流母线的电压纹波，且有利于实现最大功率点的跟踪。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0018]图1是本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路的结构示意图。
[0019]图2是本实用新型在光伏并网逆变器中的应用的示意图。
[0020]图3是本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路的相关波形示意图。
[0021]图4a_4d是本实用新型应用于光伏并网逆变器的工作过程原理示意图。
[0022]图5是本实用新型实施例的应用试验结果所测试得到的主要波形。
[0023]图中，1.解耦电容器A，2.解耦电容器B，3.滤波电容器，4.开关管A，5.开关管B，
6.电感，7.中间节点，8.开关管A发射极和开关管B集电极的连接点，9.正极节点，10.负极节点，11.光伏阵列，12.逆变器，13.电网，14.直流母线
【具体实施方式】
[0024]图1所示实施例表明，用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，由一个滤波电容器
3、一个电感6、解耦电容器Al、解耦电容器B2、开关管A4和开关管B5组成；其中，解耦电容器Al和解耦电容器B2串联后与滤波电容器3并联，开关管A4和开关管B5串联后的开关管A4的集电极连接于解耦电容器Al和解耦电容器B2串联后与滤波电容器3并联部分的正极节点9上，该正极节点9在一条直流母线14上，开关管A4和开关管B5串联后的开关管B5的发射极联接于解耦电容器Al和解耦电容器B2串联后与滤波电容器3并联部分的负极节点10上，该负极节点则在另一条直流母线14上，解耦电容器Al和解耦电容器B2串联的中间节点7通过电感连接在开关管A发射极和开关管B集电极的连接点8上。
[0025]图2所示实施例表明，本实用新型在光伏并网逆变器中的应用情况是:本图中虚线框内所示的本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)靠近滤波电容器3的正负极两端与光伏阵列11的正负极两端并联再分别连接在一条直流母线14上，该功率解耦电路靠近开关管A4和开关管B5串联后的的正负极两端分别与逆变器12输入端的正负极两端连接，逆变器12输出端与电网13相连。由开关管A4、开关管B5和电感6组成的双向升降压变换器将解耦电容器Al和解耦电容器B2连接起来，使得能量可以在解耦电容器Al和解耦电容器B2之间双向传递，开关管A4和开关管B5使解耦电容器B2的电压有较大的波动同时保持直流母线14电压稳定，以实现逆变器12输入和输出之间的功率解耦。解耦电容器B2的容量较大，由它来储存光伏阵列11的过剩能量，滤波电容器3的容量很小，其作用是保持直流母线14电压的稳定。
[0026]图3所示实施例表明，在输出电压P。波动的一个周期之中，t2—t3时间段内，Ppv>P。，电容器C2充电，C2的电压由Ue2(min)升高到Uc2(祖)，对应于图4a和图4b所示实施例的工作过程图示。t3—t4时间段内，Ppv〈P。，电容器C2放电，C2的电压由Uc2(max)降低到Ue20nin),对应于图4c和图4d所示实施例的工作过程图示。
[0027]图4a_4d所示实施例表明，本实用新型应用于光伏并网逆变器的工作过程原理是:图4a表明，在虚线框内所示的本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)的部分，开关管A4开通，解耦电容器Al放电，电流从开关管A4的发射极节点8流向解耦电容器Al和解耦电容器B2串联的中间节点7，从而电感6电流增加，电感6充电；图4b表明，在虚线框内所示的本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)的部分，开关管A4关断，电感6通过解耦电容器B2和开关管B5的反并联二极管续流，电感6电流减小，续流回路中解耦电容器B2充电；图4(:表明，在虚线框内所示的本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)的部分，开关管B5开通，解耦电容器B2放电，电流从解耦电容器Al和解耦电容器B2串联的中间节点7流向开关管B5的集电极节点8，从而电感6电流增加，电感6充电；图4d表明，在虚线框内所示的本实用新型用于光伏并网逆变器的功率解耦电路(见图1所示实施例的说明)的部分，开关管B5关断，电感6通过解耦电容器Al和开关管A4的反并联二极管续流，电感6电流减小，续流回路中解耦电容器Al充电。
[0028]实施例
[0029]本实施例的用于光伏并网逆变器的功率解耦电路的组成如图1实施例所示，其在光伏并网逆变器中的连接和应用方法如图2实施例所示。应用中保持直流母线14的电压为400V (±2%)，光伏并网逆变器输出电压220V/50HZ，输出功率为lkW，该用于光伏并网逆变器的功率解耦电路的开关频率为40kHz，解耦电容器Al为22 μ F和耐压是172V，解耦电容器Β2为136 μ F和耐压是320V，滤波电容3为22 μ F和耐压是400V。开关管Α4和开关管Β5均采用绝缘栅双极型晶体管ΙΚΡ15Ν65Η5，电感6为2mH，电网13频率为50Hz。
[0030]图5给出了本实用新型实施例的应用试验结果所测试得到的主要波形。如本图所示，光伏并网逆变器的输出电流是正弦波形，解耦电容器B2的最小电压Uc;2(min)和最大电压uc2(max)分别为219V和315V，其电压波动量为86V，平均电压Um = 272V。而直流母线14的电压的最大和最小值分别为408V和392V，纹波因数为4%。该实验结果与理论分析基本一致。
[0031]上述实施例中，所涉及到的光伏阵列、开关管、电容器、电感、光伏并网逆变器和电网都是公知的，所有元器件都可以通过商购等公知途径获得，所有元器件的连接方法也都是本【技术领域】的技术人员所熟知的普通的线路连接方法。
【权利要求】
1.用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，其特征在于:由一个滤波电容器、一个电感、解耦电容器A、解耦电容器B、开关管A和开关管B组成；其中，解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联，开关管A和开关管B串联后的开关管A的集电极连接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的正极节点上，该正极节点在一条直流母线上，开关管A和开关管B串联后的开关管B的发射极联接于解耦电容器A和解耦电容器B串联后与滤波电容器并联部分的负极节点上，该负极节点则在另一条直流母线上，解耦电容器A和解耦电容器B串联的中间节点通过电感连接在开关管A发射极和开关管B集电极的连接点上。
2.根据权利要求1所述用于光伏并网逆变器的功率解耦电路，其特征在于:所述滤波电容器的电容量为22 4?和耐压是400￥，电感的电感值为2mH，解耦电容器A的电容量为`22 μ F和耐压是172V，解耦电容器B的电容量为136 μ F和耐压是320V，开关管A和开关管B均采用绝缘栅双极型晶体管Ι`ΚΡ15Ν65Η5。
【文档编号】H02J3/38GK203632261SQ201320777508
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】杨晓光, 姜龙斌, 冯俊博, 梁昊天, 孙传杰 申请人:河北工业大学