一种交流侧耦合的功率解耦电路的制作方法

本实用新型涉及一种交流侧耦合的功率解耦电路，属于电工
技术领域：
。
背景技术：
：在光伏发电系统中，光伏组件通过最大功率点追踪(MPPT)控制，来产生恒定的最大功率，而传输到电网的瞬时功率却呈现周期性脉动，这是单相并网逆变器中普遍存在的瞬时功率不匹配的问题。通常，将大容量的电解电容作为解耦电路的储能元件，然而电解电容的引入缩短了光伏发电系统的整体寿命。根据解耦电容在光伏发电系统中的位置不同，可分为光伏阵列侧解耦，直流母线侧解耦和交流输出侧解耦。交流输出侧解耦电路因为解耦电容两端电压值较大，且可以允许较大波动，故可以有效减小解耦电容值大小，减小系统体积，使得光伏发电系统可以使用长寿命的薄膜电容来代替电解电容，延长光伏发电系统的使用寿命。针对交流侧功率解耦方式，有不少学者提出了相应的功率解耦电路。LiQ和WolfsP提出将解耦电容放置在逆变器和电网之间，由此构成双向交交变频式逆变器拓扑，但解耦电容两端的电压幅值受到电网电压的限制，不具备升降压功能，解耦电容值的减小有限。合肥工业大学的陈宗翔提出一种在A相、C相通过电感滤波连接电网，而在B相通过电感Lb连接电网，由此通过B相上的两个开关和电感Lb构成功率解耦电路，其储能元件是电感Lb。但采用电感作为解耦电路储能元件，其解耦能力由电感值和通过电流的平方决定，将大大降低解耦电路解耦能力，倘若增大电感值又将使光伏发电系统体积大大增加。技术实现要素：本实用新型的目的是，根据交流输出侧解耦电路存在的各种问题，本实用新型公开一种交流侧耦合的功率解耦电路，具有储能元件少，电容值小，输入范围宽，电压可调的特点。实现本实用新型的技术方案如下：一种交流侧耦合的功率解耦电路，包括电感器、主开关器件、寄生二极管和解耦电容。所述主开关器件为七只开关管，分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管；每只开关管均反并联一个寄生二极管；寄生二极管为七只二极管，分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第七二极管。所述第一开关管T1和第四开关管T4的发射极分别连接逆变器的输出交流侧两端；第一开关管T1和第四开关管T4的集电极分别连接电感器Lc两端；同时第一开关管T1的集电极与第二开关管T2的发射极和第五开关管T5的集电极相连；第四开关管T4的集电极与第六开关管T6的发射极和第二开关管T3的集电极相连；第二开关管T2和第六开关管T6的集电极与第七开关管T7的集电极相连；第七开关管T7的发射极连接解耦电容Cc的一端；第三开关管T3和第五开关管T5的发射极连接在一起，接到解耦电容Cc的另一端；所述功率解耦电路可实现功率的双向流动，各开关管的寄生二极管可构成能量流通的路径，而无须额外增加二极管；所述功率解耦电路中，电容Cc实现对光伏逆变器输出功率与电网瞬时功率之差的功率解耦作用，而电感Lc则实现上述能量差的传递。所述功率解耦电路可分为四个工作模式，工作模态1，即PHC充电模式；工作模态2，即PHC放电模式；工作模态3，即NHC充电模式；工作模态4，即NHC放电模式。工作模态1：在工作模态1，即PHC充电模式下，第二开关管T2至第六开关管T6开关全部断开，电流可以通过第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4流通，当第一开关管T1开通时，第七开关管T7此时为断开，电感Lc初始电流ip＝0，逆变器输出侧给电感iL充电，电感电流iL逐渐增大，电流方向为由上向下，电感存储能量。调节第一开关管T1的驱动脉冲占空比大于1/2，可以实现升压模式。然后第一开关管T1断开，第七开关管T7开通，电感Lc续流给解耦电容Cc，解耦电容上电压vc增大，电感电流iL逐渐降低直到iL＝0时，第七开关管T7关断，电感Lc上存储的能量全部转移给电容Cc，实现解耦电路的PHC充电模式过程。工作模态2：在工作模态2，即PHC放电模式下，第五开关管T5和第六开关管T6断开，第七开关管T7断开，第一开关管T1断开。第二开关管T2、第三开关管T3同时开通，此时第四开关管T4断开，电容Cc给电感Lc放电，控制第二开关管T2、第三开关管T3的占空比大于1/2，等效于解耦电路工作在升压模式，电容Cc的电压vc逐渐减小，电感电流iL从0开始逐渐增大，电流方向为由下向上，电感从电容上获取了一部分能量；然后第二开关管T2、第三开关管T3同时断开，第四开关管T4开通，电感Lc给逆变器输出侧放电，电感电流iL逐渐减小直到iL＝0时，第四开关管T4关断，电感Lc上存储的能量全部向逆变器输出侧转移，实现解耦电路的PHC放电模式过程。工作模态3：在工作模态3，即NHC充电模式下，第二开关管T2和第三开关管T3断开，第五开关管T5和第六开关管T6断开，第一开关管T1断开。第四开关管T4开通，第七开关管T7断开时，电感Lc初始电流ip＝0，逆变器输出侧给电感Lc充电，电感电流iL逐渐增大，电流方向为由下向上，电感存储能量。控制第四开关管T4的占空比大于1/2，可以实现升压模式。然后第四开关管T4断开，第七开关管T7开通，电感Lc续流给解耦电容Cc，解耦电容上电压vc增大，电感电流iL逐渐降低直到iL＝0时，第七开关管T7关断，电感Lc上存储的能量全部转移给电容Cc，实现解耦电路的NHC充电模式过程。工作模态4：在工作模态4，即NHC放电模式下，第二开关管T2和第三开关管T3断开，第四开关管T4断开，第七开关管T7断开。第五开关管T5和第六开关管T6同时开通，此时第一开关管T1断开，电容Cc给电感Lc放电，控制第五开关管T5、第六开关管T6的占空比大于1/2，等效于解耦电路工作在降压模式，电容Cc的电压vc逐渐减小，电感电流iL从0开始逐渐增大，电流方向为由上向下，电感从电容上获取了一部分能量；然后第五开关管T5、第六开关管T6同时断开，第一开关管T1开通，电感Lc给逆变器输出侧放电，电感电流iL逐渐减小直到iL＝0时，第一开关管T1关断，电感Lc上存储的能量全部向逆变器输出侧转移，实现解耦电路的NHC放电模式过程。本实用新型的有益效果是，本实用新型功率解耦电路的输入端是并联在逆变器的输出侧的，逆变器输出侧的电压幅值高且是正负周期变化，使得基于升降压电路设计的解耦电路中的解耦电容能获得较高的平均电压和较大的电压变化范围，将极大地降低解耦电容的电容值，且解耦电容的极性是固定的，无须使用大电解电容就可以满足逆变器并网要求，大大降低系统体积和成本，从而可以大幅度提高光伏发电系统的使用寿命。本实用新型功率解耦电路为二端口电路并联于逆变器交流输出侧，与三端口类型的解耦电路相比，可以模块化的形式投入光伏发电系统中，便于维护。附图说明图1为本实用新型交流侧并联耦合的功率解耦电路示意图；图2为PHC充电模式的等效电路和电流回路示意图；图3为PHC充电模式下的电感电流波形和电容电压波形图；图4为PHC放电模式的等效电路和电流回路示意图；图5为PHC放电模式下的电感电流波形和电容电压波形图；图6为NHC充电模式的等效电路和电流回路示意图；图7为NHC放电模式的等效电路和电流回路示意图；图8为PHC充电模式时电感Lc的充放电及电容Cc充电过程；图9为PHC放电模式时电感Lc的充放电及电容Cc放电过程；图10为NHC充电模式时电感Lc的充放电及电容Cc充电过程；图11为NHC放电模式时电感Lc的充放电及电容Cc放电过程；图12为电感Lc的电流及电容Cc的电压；图13为光伏发电系统光伏输出电流及逆变器并网电流、并网电压波形。具体实施方式本实用新型具体实施方式如附图所示。图1为本实施例交流侧并联耦合的功率解耦电路示意图。本实施例功率解耦电路包括：包括电感器、主开关器件、寄生二极管和解耦电容。电感器为Lc；主开关器件为七只开关管，即第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6和第七开关管T7；寄生二极管为七只二极管，即第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7；解耦电容器为Cc。由于生产工艺的影响，每只主开关器件均反并联一个寄生二极管。具体连接方式是，二极管的正极连接开关管的发射极，二极管的负极连接开关管的集电极。第一开关管T1和第四开关管T4的发射极分别连接基于滞环控制的逆变器的输出交流侧两端；第一开关管T1和第四开关管T4的集电极分别连接电感器Lc两端；同时第一开关管T1的集电极与第二开关管T2的发射极和第五开关管T5的集电极相连；第四开关管T4的集电极与第六开关管T6的发射极和第三开关管T3的集电极相连；第二开关管T2和第六开关管T6的集电极与第七开关管T7的集电极相连；第七开关管T7的发射极连接解耦电容Cc的一端；第三开关管T3和第五开关管T5的发射极连接在一起，接到解耦电容Cc的另一端。其优势是可以实现功率的双向流动，如图1所示。图中各开关管的寄生二极管可构成能量流通的路径，而无须额外增加二极管。电路中，电容Cc实现对光伏逆变器输出功率与电网瞬时功率之差的功率解耦作用，而电感Lc则实现上述能量差的传递。图2所示为本实施例功率解耦电路在工作模态1，即PHC充电模式的等效电路及电流流通路径，图中uout是滞环电流控制的逆变器输出交流方波电压值，iL是电感电流值，当第一开关管T1开关管导通时，导通时间定义为dtr，则该阶段满足公式当第一开关管T1关断时第七开关管T7导通，设第七开关管T7的导通时间为dtf，第七开关管T7导通时刻电容Cc电压为uc1，第七开关管T7关断时刻电容Cc电压为uc2，之间的电压差为duc，该阶段电容上电流在PHC充电模式下，光伏发电系统产生的多余的能量将存储在解耦电路的电容中。图3所示为PHC充电模式下的电感电流Lc和滤波电容电压uC的变化曲线，其中t1-t2区间为工作模态1中第一开关管T1导通时，t2-t3区间为工作模态1中第一开关管T1关闭、第七开关管T7导通时，t3-t4为第七开关管T7关闭到下一次第一开关管T1导通的时间间隔。图中所示在t1-t2区间，iL1从t1时的I0上升到t2时I1，为电感充电储能阶段，此时电感从逆变器输出侧获取的能量为，同时有电感电流与其两端电压的关系其中，而电容电压uC在理想情况下此阶段维持恒定为u0。在t2-t3区间为电感放电，电容储能阶段，此时电容获取的能量等于t1-t2区间内电感存储的能量，即，同时该阶段电容上电流其中，说明了工作模态1下为电感充电储能和电感能量向电容转移的过程。图4所示为本实施例的工作模态2，即PHC放电模式的放电回路及电流回路。在PHC放电模式下，光伏发电系统不足的能量将从解耦电路的电容中获取。图5所示为PHC充电模式下的电感电流iL和滤波电容电压uc的变化曲线，其中t1-t2区间为工作模态2中第四开关管T4关断后，第二开关管T2、第三开关管T3导通之前，t2-t3区间为工作模态2中第四开关管T4关断，第二开关管T2、第三开关管T3导通时，t3-t4为第四开关管T4导通，第二开关管T2、第三开关管T3关断时，t4-t5为第四开关管T4关断后下一次第二开关管T2、第三开关管T3导通前。图5中所示在t2-t3区间，iL1从t2时的I0反向增加到t3时I1，为解耦电容放电给电感阶段，电容电压uC从u0降低至u1，此时电感从解耦电容获取能量，同时有解耦电容放电电流的关系在t3-t4区间为电感放电给逆变器输出侧阶段，此时电感输出给逆变器的能量等于t2-t3区间内电感存储的能量，同时该阶段电感上电压满足关系其中，说明了工作模态2下为电容放电给电感和电感能量向逆变器输出侧转移的过程。图6所示为本实施例的工作模态3，即NHC充电模式的等效电路和电流回路。图7所示为本实施例的工作模态4，即NHC充放电模式的等效电路和电流回路。在工作模态3和工作模态4时，逆变器输出侧处在电网电压负半周期间，但电感电流和电容电压的波形分析过程与工作模态1、2类似。图8所示为本实施例在工作模态1时，逆变器输出侧处在电网电压正半周，uout＝400V的条件下，电感Lc充电、放电过程的波形及电容Cc的充电储能过程。图8从上至下分别表示曲线1是解耦电路电感Lc电流(单位：A)，曲线2是电容Cc的电压(单位：V)，曲线3是第一开关管T1的驱动信号，曲线4是第七开关管T7的驱动信号。当第一开关管T1闭合时，解耦电路的电感处于充电过程，同时以uout/L1的线性速率增加，此时电容电压保持不变。当第一开关管T1断开，第七开关管T7闭合时，解耦电路电感放电，同时电容Cc处在充电过程，此时电容电压增加。图9所示为本实施例在工作模态2时，逆变器输出侧处在电网电压正半周，uout＝400V的条件下，电感Lc充电、放电过程的波形及电容Cc的放电过程。图9从上至下分别表示曲线1是解耦电路电感Lc电流(单位：A)，曲线2是电容Cc的电压(单位：V)，曲线3是第二开关管T2、第三开关管T3的驱动信号，曲线4是第四开关T4管的驱动信号。当第二开关管T2、第三开关管T3闭合时，解耦电路的电容处于放电过程，电容电压降低，此时电感电流反向增加。当第二开关管T2、第三开关管T3断开，第四开关管T4闭合时，解耦电路电感放电，将能量释放给逆变器输出侧，电感电流降低，此时电容电压保持不变。图10所示为本实施例在工作模态3时，在逆变器输出侧处在电网电压负半周，uout＝400V的条件下，电感Lc充电、放电过程的波形及电容Cc的充电储能过程。图10从上至下分别表示曲线1是解耦电路电感Lc电流(单位：A)，曲线2是电容Cc的电压(单位：V)，曲线3是第四开关管T4的驱动信号，曲线4是第七开关管T7的驱动信号。当第四开关管T4闭合时，解耦电路的电感处于充电过程，电感电流反向增加，同时uout/L1的线性速率增加，此时电容电压保持不变。当第四开关管T4断开,第七开关管T7闭合时，解耦电路电感放电，电感电流降低同时电容Cc处在充电过程，此时电容电压增加。图11所示出为本实施例在工作模态4时，在逆变器输出侧处在电网电压负半周，uout＝400V的条件下，电感Lc充电、放电过程的波形及电容Cc的放电过程。图11从上至下分别表示曲线1是解耦电路电感Lc电流(单位：A)，曲线2是电容Cc的电压(单位：V)，曲线3是第五开关管T5、第六开关管T6的驱动信号，曲线4是第一开关管T1的驱动信号。当第五开关管T5、第六开关管T6闭合时，解耦电路的电容处于放电过程，电容电压降低，此时电感电流增加。当第五开关管T5、第六开关管T6断开，第一开关管T1闭合时，解耦电路电感放电，将能量释放给逆变器输出侧，电感电流降低，此时电容电压保持不变。图12所示为本实施例在光伏系统光伏侧输出电压为240V的条件下，电感Lc充电、放电过程的波形及电容Cc的充放电过程的波形。图11从上至下分别表示曲线1是解耦电路电感Lc电流(单位：A)，曲线2是电容Cc的电压(单位：V)。图13所示为本实施例在光伏发电系统光伏侧输出电压为240V，，光伏发电系统负载为550W电阻性负载的条件下，光伏发电系统光伏侧输出电流，逆变器输出侧的并网电压和并网电流波形。图13从上至下分别表示曲线1是本实施例解耦电路工作时的光伏发电系统光伏侧输出电流(单位：A)，曲线2是本实施例的功率解耦电路不工作时的光伏发电系统光伏侧输出电流(单位：A)，曲线3是光伏发电系统逆变器输出侧的并网电流(单位：A)，曲线4是光伏发电系统逆变器输出侧的并网电压(单位：V)。通过对比曲线1和曲线2可知，本实施例的功率解耦电路工作时，光伏发电系统光伏侧输出电流保持在2.8A上下窄幅波动，而本实施例的功率解耦电路不工作时，光伏发电系统光伏侧输出电流在0-10A之间大幅波动，这样的大幅波动将严重影响光伏发电系统的工作效率。为了验证本实施例的功率解耦电路的数学模型及分析的正确性，利用专业仿真软件MatlabR2014a进行仿真，控制策略采用基于脉冲能量控制(PEM)的PWM技术，仿真参数如下表所示，仿真结果见图8至图13。表仿真参数参数大小电网电压峰值，ugrid.pk(V)311逆变器输出电压，uout(V)400电容，Cc(μF)20电感，Lc(μH)200仿真结果表明，应用本实施例的功率解耦电路的光伏发电系统，其系统总的电容量将大大减小，可实现无电解电容的微逆变技术，则说明了该功率解耦电路的可行性。当前第1页1 2 3