光伏充电系统及用于光伏充电系统的充电控制方法
【专利摘要】本发明的实施例提供了一种光伏充电系统及用于光伏充电系统的充电控制方法。该光伏充电系统包括：一个或多个光伏电池组件；一个或多个高频逆变器，其与一个或多个光伏电池组件一一对应连接，并且一个或多个高频逆变器中的每一个具有第一输出端和第二输出端，所有高频逆变器的第一输出端连接在一起组成高频交流母线的第一端，所有高频逆变器的第二输出端连接在一起组成高频交流母线的第二端；以及多端口变换器，包括分别与高频交流母线和直流母线连接的两个端口以及用于与蓄电池连接的一端口，多端口变换器用于实现高频交流母线、直流母线与蓄电池之间的能量变换。上述光伏充电系统的能量变换效率较高。
【专利说明】
光伏充电系统及用于光伏充电系统的充电控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能发电技术领域，更具体地涉及一种光伏充电系统及用于光伏充电系统的充电控制方法。【背景技术】
[0002]随着能源危机和节能减排的驱使，大力发展电动汽车成为缓解能源危机和环境污染的有效途径。汽车燃油是石油消耗的主体。汽车尾气占世界总二氧化碳排放量的10%? 15%。电动汽车可以减小二氧化碳的排放量，改善大气环境。以光伏电池作为能源输入的电动汽车充放电站也将具有更大的优势。推动光伏供电的电动汽车充放电站的建设，不仅发展了电动汽车行业，也推动了光伏产业及新能源的发展，同时对于节能减排，改善环境具有双重的推动作用。
[0003]现有的光伏电动汽车充电站仍以交流母线或直流母线进行光伏电池、电动汽车蓄电池和电网之间的能量变换。现有的能量变换需要通过多级电力电子变换器实现，即需要多级直流-直流变换器、直流-交流变换器、交流_直流变换器等，这使得能量变换的效率很低。2〇13年在IEEE Transact1ns on Power Electronics【电力电子期刊】发表了 “Unified Active Filter and Energy Storage System for an MW Electric Vehicle Charging Stat1n” 一文，文中提到了采用直流母线作为媒介交换新能源和电动汽车蓄电池之间的能量。2013 年在 IEEE Transact1ns on Power Electronics【电力电子期刊】发表了 “Technical Considerat1ns on Power Convers1n for Electric and Plug-1n Hybrid Electric Vehicle Battery Charging in Photovoltaic Installat1ns”一文，文中提出了对多台集成了新能源的电动汽车充电机组成开关矩阵网，优化相邻充电机之间能量的传递路径。总体来说，现有研究仍以多级电力电子变换为主，变换效率低。
[0004]因此，需要提供一种高效的光伏充电系统，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
【发明内容】
[0005]考虑到上述问题而提出了本发明。
[0006]根据本发明一方面，提供了一种光伏充电系统。该光伏充电系统包括:一个或多个光伏电池组件;一个或多个高频逆变器，其与一个或多个光伏电池组件一一对应连接，并且一个或多个高频逆变器中的每一个具有第一输出端和第二输出端，所有高频逆变器的第一输出端连接在一起组成高频交流母线的第一端，所有高频逆变器的第二输出端连接在一起组成高频交流母线的第二端；以及多端口变换器，包括分别与高频交流母线和直流母线连接的两个端口以及用于与蓄电池连接的一端口，多端口变换器用于实现高频交流母线、直流母线与蓄电池之间的能量变换。
[0007]根据本发明另一方面，提供了一种用于上述光伏充电系统的充电控制方法，包括: 对于一个多个光伏电池组件中的每一个，采集该光伏电池组件的输出电流和输出电压，对该光伏电池组件进行最大功率跟踪，并输出电压给定值;对于一个多个光伏电池组件中的每一个，将电压给定值与该光伏电池组件的输出电压进行比较，并输出光伏电池比较结果； 对于一个多个光伏电池组件中的每一个，根据光伏电池比较结果控制与该光伏电池组件相对应的高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于多端口变换器中的开关管的驱动信号的移相角；将多端口变换器输入蓄电池的输入电流与蓄电池的充电电流曲线进行比较，并输出蓄电池比较结果；以及根据蓄电池比较结果利用脉宽调制方式控制多端口变换器中的开关管的驱动信号。
[0008]根据本发明实施例的光伏充电系统能够实现光伏电池到蓄电池、直流母线到蓄电池以及光伏电池到直流母线的单级功率变换，其能量变换效率较高。
[0009]在
【发明内容】
中引入了一系列简化的概念，这些概念将在【具体实施方式】部分中进一步详细说明。本
【发明内容】
部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0010]以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。【附图说明】
[0011]本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
[0012]图1示出根据本发明一个实施例的光伏充电系统的示意性框图；
[0013]图2示出根据本发明一个具体实施例的光伏充电系统的示意性电路图；
[0014]图3a示出根据本发明第一个示例的多端口变换器的示意性电路图；[〇〇15]图3b示出根据本发明第二个示例的多端口变换器的示意性电路图；[〇〇16]图3c示出根据本发明第三个示例的多端口变换器的示意性电路图；[〇〇17]图3d示出根据本发明第四个示例的多端口变换器的示意性电路图。
[0018]图4示出根据本发明一个实施例的光伏充电系统的各开关管的驱动信号的示意性波形图；
[0019]图5示出根据本发明一个实施例的光伏充电系统的充电控制策略的示意图；以及
[0020]图6示出根据本发明一个实施例的充电控制方法的示意性流程图。【具体实施方式】
[0021]在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
[0022]根据本发明一方面，提供一种光伏充电系统。图1不出根据本发明一个实施例的光伏充电系统100的示意性框图。如图1所示，光伏充电系统100包括一个或多个光伏电池组件 110(用11〇1、11〇2……110n表示)、一个或多个高频逆变器120(用12(h、1202……120n表示)和多端口变换器130。[〇〇23] 一个或多个高频逆变器12(h、1202……120n与一个或多个光伏电池组件ll(h、 11〇2……110n——对应连接，并且一个或多个高频逆变器12(h、1202……120n中的每一个具有第一输出端和第二输出端，所有高频逆变器的第一输出端连接在一起组成高频交流母线的第一端，所有高频逆变器的第二输出端连接在一起组成高频交流母线的第二端。
[0024]高频逆变器12(h、1202……120n可以是全桥逆变器，其可以将光伏电池组件输出的直流电转换成高频交流电。每个光伏电池组件与一个高频逆变器相连。每个高频逆变器具有两个输出端，可以将对应的光伏电池组件产生的能量以交流形式输出。可以将所有高频逆变器12(h、1202……120n的输出端连接在一起，使得所有高频逆变器输出的交流电能够汇集起来，然后可以将汇集起来的交流电输入多端口变换器130。所有高频逆变器12(h、 12〇2...120n的输出端连接在一起即可以形成本文所述的高频交流母线。
[0025]多端口变换器130包括分别与高频交流母线和直流母线连接的两个端口以及用于与蓄电池连接的一端口，多端口变换器130用于实现高频交流母线、直流母线与蓄电池之间的能量变换。如图1所示，多端口变换器130可以包括三个端口，分别用于连接高频交流母线、直流母线和蓄电池。
[0026]直流母线可以是接入电网的交流-直流整流器的输出线路。电网可以通过交流-直流整流器的输出直流母线为蓄电池充电。另外，也可以将高频交流母线输出的电力通过直流母线接入的交流直流整流器输入到电网。蓄电池可以是电动汽车的蓄电池。在一个示例中，光伏充电系统1〇〇可以布置在电动汽车充电站，当电动汽车需要充电时，其将蓄电池接入多端口转换器130的用于与蓄电池连接的端口，随后可以利用光伏电池组件的电力和/或电网的电力为蓄电池充电。
[0027]也就是说，多端口转换器130可以实现光伏电池到蓄电池、直流母线到蓄电池以及光伏电池到直流母线之间的能量变换。
[0028]如上文所述，现有技术中通常采用多级电力电子变换实现光伏充电系统中的能量变换，而根据本发明实施例，在光伏充电系统中集成分布式光伏电池组件，使得来自若干光伏电池组件的电力能够转化为高频交流电并汇集到高频交流母线，进而利用单一的多端口转换器来实现高频交流母线、直流母线与蓄电池之间的能量变换。在该过程中，不再需要进行多级电力电子变换。因此，根据本发明实施例的光伏充电系统能够实现光伏电池到蓄电池、直流母线到蓄电池以及光伏电池到直流母线的单级功率变换。与现有技术相比，根据本发明实施例的光伏充电系统能够有效提高能量变换效率。
[0029]根据本发明实施例，一个或多个高频逆变器中的每一个可以包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和输出电感。第一开关管的漏极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的正极，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的负极，第三开关管的漏极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的正极，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极，第四开关管的源极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的负极，输出电感的一端连接第一开关管的源极，输出电感的另一端作为其所属高频逆变器的第一输出端用于组成高频交流母线的第一端，第三开关管的源极作为其所属高频逆变器的第二输出端用于组成高频交流母线的第二端。
[0030]下面参考图2描述该实施例。图2示出根据本发明一个具体实施例的光伏充电系统 200的示意性电路图。
[0031]如图2所示，光伏充电系统200包括n(n彡1)个光伏电池组件，每个光伏电池组件的输出连接由四个开关管池1，(^，(^也4 4=1，2，?11)组成的高频逆变器。〇[1可以视为第一开关管，Qx2可以视为第二开关管，Qx3可以视为第三开关管，Qx4可以视为第四开关管。应当注意，本文所述的各个开关管可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。可选地，每个开关管还可以并联如图2所示的反向二极管和电容用于续流。本文在描述过程中均以MOSFET为例进行说明，然而应当理解的是，其仅是示例而非对本发明的限制。在采用IGBT作为开关管的实施例中，可以将IGBT的发射极等同于 MOSFET的漏极，将IGBT的集电极等同于MOSFET的源极来实现本发明提出的光伏充电系统。 Cr-_Cn为每个高频逆变器的输入滤波电容。LiwLikn为每个高频逆变器的输出电感。iikr--1 Ikn为每个高频逆变器输出的电流。
[0032]第一开关管Qxl和第二开关管Qx2组成一个桥臂，第一开关管Qxl的漏极连接对应的光伏电池组件的正极，第一开关管Qxl的源极连接第二开关管Qx2的漏极，第二开关管Qx2的源极连接对应的光伏电池组件的负极。第三开关管Qx3和第四开关管Qx4组成另一个桥臂，第三开关管Qx3的漏极连接对应的光伏电池组件的正极，第三开关管Qx3的源极连接第四开关管 Qx4的漏极，第四开关管Qx4的源极连接对应的光伏电池组件的负极。[0〇33]每个输出电感Likr"Likn的一端连接对应高频逆变器的第一开关管Qxl的源极(在端点Ar^An&)，其另一端作为该高频逆变器的一个输出端。在高频逆变器的输出端处，所有输出电感Likr ? _Likn的一端连接在一起组成高频交流母线的第一端。每个高频逆变器的第三开关管Qx3的源极作为高频逆变器的另一个输出端(在端点也一811处)。在高频逆变器的输出端处，所有第三开关管Qx3的源极连接在一起组成高频交流母线的第二端。
[0034]采用图2所示的全桥逆变器可以高效地将光伏电池组件输出的直流电转换为高频交流电，其功耗较低。[〇〇35]本文所述的多端口变换器用于连接直流母线、蓄电池和高频交流母线并实现三者之间的能量变换。多端口变换器可以采用任何合适的电路实现，下面结合几个具体的示例描述多端口变换器的电路结构，然而，应当理解，下面的描述仅为示例而非对本发明的限制。
[0036] 第一示例[〇〇37]多端口变换器可以包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一变压器、第二变压器、第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容。[〇〇38]图3a示出根据本发明第一个示例的多端口变换器的示意性电路图。在图3a中，Q1、 Q2、Q3和Q4分别表不第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，Cdl、Cd2、Cd3和Cd4分别表示第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，TrjPTr2分别表示第一变压器和第二变压器，Lfi和Lf2分别表不第一滤波电感和第二滤波电感，Cf表不滤波电容。[〇〇39]如图3a所示，第五开关管&的漏极连接直流母线的正极，第五开关管&的源极连接第六开关管Q2的漏极，第六开关管Q2的源极连接第七开关管Q3的漏极，第七开关管Q3的源极连接第八开关管Q4的漏极，第八开关管Q4的源极连接直流母线的负极。
[0040]第一电容Cdi的一端连接第五开关管Qi的漏极，第一电容Cdi的另一端连接第二电容 Cd2的一端，第二电容Cd2的另一端连接第六开关管Q2的源极，第三电容Cd3的一端连接第六开关管Q2的源极，第三电容Cd3的另一端连接第四电容Cd4的一端，第四电容Cd4的另一端连接第八开关管Q4的源极。
[0041 ]第一变压器Trl的第一绕组的第一端连接第一电容Cdl和第二电容Cd2相连接的端点(端点D)，第一变压器Trl的第一绕组的第二端连接第五开关管&的源极(端点C)。第二变压器Tr2的第一绕组的第一端连接第三电容Cd3和第四电容Cd4相连接的端点(端点F)，第二变压器Tr2的第一绕组的第二端连接第七开关管Q3的源极(端点E)。第一变压器1^的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第二端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第一端(即高频交流母线中连接输出电感Likr-Likn的一端)。第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第二端(与端点E相连的一端)相对应的同名端连接第一变压器Trl的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第一端(与端点D相连的一端)相对应的同名端。第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第一端(与端点F相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第二端(即高频交流母线中连接QX3源极的一端)。
[0042]第一滤波电感Lfl的一端连接第五开关管&的源极，第一滤波电感Lfl的另一端用于连接蓄电池的正极。第二滤波电感的Lf2的一端连接第七开关管Q3的源极，第二滤波电感Lf2的另一端用于连接蓄电池的负极。
[0043 ]滤波电容Cf的一端连接滤波电感Lf i的、用于连接蓄电池的正极的一端并且滤波电容Cf的该端也可以用于连接蓄电池的正极，滤波电容Cf的另一端连接第二滤波电感的Lf2的、用于连接蓄电池的负极的一端并且滤波电容Cf的该端也可以用于连接蓄电池的负极。
[0044]第二示例
[0045]多端口变换器可以包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、变压器、第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容。
[0046]图3b示出根据本发明第二个示例的多端口变换器的示意性电路图。在图3b中，
Q2、Q3和Q4分别表不第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，Trl表不变压器，Lf I和Lf 2分别表不第一滤波电感和第二滤波电感，Cf表不滤波电容。
[0047]如图3b所示，第五开关管Q1的漏极连接直流母线的正极，第五开关管Q1的源极连接第六开关管Q2的漏极，第六开关管Q2的源极连接直流母线的负极，第八开关管Q4的漏极连接直流母线的正极，第八开关管Q4的源极连接第七开关管Q3的漏极，第七开关管Q3的源极连接直流母线的负极。
[0048]变压器Trl的第一绕组的第一端连接第五开关管&的源极(端点C)，变压器Trl的第一绕组的第二端连接第八开关管Q4的源极(端点D)。变压器Trl的第二绕组的、与变压器的第一绕组的第一端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第一端(即高频交流母线中连接输出电感Likr-Likn的一端)，变压器Trl的第二绕组的、与变压器的第一绕组的第二端(与端点D相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第二端(即高频交流母线中连接Qx3源极的一端)。
[0049]第一滤波电感Lfl的一端连接第五开关管&的源极，第一滤波电感Lfl的另一端用于连接蓄电池的正极。第二滤波电感Lf2的一端连接第八开关管Q4的源极，第二滤波电感Lf2的另一端用于连接蓄电池的正极。蓄电池的负极可以与直流母线的负极连接。
[0050]滤波电容Cf的一端连接第一滤波电感1^的、用于连接蓄电池的正极的一端以及第二滤波电感Lf2的、用于连接蓄电池的正极的一端并且滤波电容Cf的该端也可以用于连接蓄电池的正极，滤波电容Cf的另一端连接直流母线的负极并且用于连接蓄电池的负极。
[0051 ] 第三示例
[0052]多端口变换器可以包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、滤波电感和滤波电容。
[0053]图3c示出根据本发明第三个示例的多端口变换器的示意性电路图。在图3c中，
Q2、Q3和Q4分别表不第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，Cdl、Cd2、Cd3和Cd4分别表示第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，Trl、Tr2、Tr3和Tr4分别表示第一变压器、第二变压器、第三变压器和第四变压器，Drl、Dr2、Dr3和Dr4分别表示第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容。
[0054]如图3c所示，第五开关管Q1的漏极连接直流母线的正极，第五开关管Q1的源极连接第六开关管Q2的漏极，第六开关管Q2的源极连接第七开关管Q3的漏极，第七开关管Q3的源极连接第八开关管Q4的漏极，第八开关管Q4的源极连接直流母线的负极。
[0055]第一电容Cdi的一端连接第五开关管Qi的漏极，第一电容Cdi的另一端连接第二电容Cd2的一端，第二电容Cd2的另一端连接第六开关管Q2的源极，第三电容Cd3的一端连接第六开关管Q2的源极，第三电容Cd3的另一端连接第四电容Cd4的一端，第四电容Cd4的另一端连接第八开关管Q4的源极。
[0056]第一变压器Trl的第一绕组的第一端连接第一电容Cdl和第二电容Cd2相连接的端点(端点D)，第一变压器Trl的第一绕组的第二端连接第五开关管&的源极(端点C)，第二变压器Tr2的第一绕组的第一端连接第三电容Cd3和第四电容Cd4相连接的端点(端点F)，第二变压器Tr2的第一绕组的第二端连接第七开关管Q3的源极(端点E)，第一变压器1^的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第二端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第一端(即高频交流母线中连接输出电感Likr..Likn的一端)，第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第二端(与端点E相连的一端)相对应的同名端连接第一变压器Trl的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第一端(与端点D相连的一端)相对应的同名端，第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第一端(与端点F相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第二端(即高频交流母线中连接QX3源极的一端)。
[0057]第三变压器Tr3的第一绕组的第一端连接第一电容Cdl和第二电容Cd2相连接的端点(端点D)，第三变压器Tr3的第一绕组的第二端连接第五开关管&的源极(端点C)，第四变压器Tr4的第一绕组的第一端连接第三电容Cd3和第四电容Cd4相连接的端点(端点F)，第四变压器Tr4的第一绕组的第二端连接第七开关管Q3的源极(端点E)，第三变压器Tr3的第二绕组的、与第三变压器Tr3的第一绕组的第二端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接第一二极管Drl的阳极，第四变压器Tr4的第二绕组的、与第四变压器Tr4的第一绕组的第二端(与端点E相连的一端)相对应的同名端连接第三变压器Tr3的第二绕组的、与第三变压器Tr3的第一绕组的第一端(与端点D相连的一端)相对应的同名端，第四变压器Tr4的第二绕组的、与第四变压器Tr4的第一绕组的第一端(与端点F相连的一端)相对应的同名端连接第三二极管Dr3的阳极。
[0058]第二二极管Dr2的阴极连接第一二极管Drl的阳极，第四二极管Dr4的阴极连接第三二极管Dr3的阳极，第一二极管0^的阴极连接第三二极管Dr3的阴极，第二二极管Dr2的阳极连接第四二极管Dr4的阳极。
[0059 ]滤波电感Lf的一端连接第三二极管Dr3的阴极，滤波电感Lf的另一端用于连接蓄电池的正极。
[0060]滤波电容Cf的一端连接滤波电感Lf的、用于连接蓄电池的正极的一端并且滤波电容Cf的该端也可以用于连接蓄电池的正极，滤波电容Lf的另一端连接第四二极管Dr4的阳极并且用于连接蓄电池的负极。
[0061 ] 第四示例
[0062]多端口变换器可以包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一变压器、第二变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、输出滤波电感和输出滤波电容。
[0063]图3d示出根据本发明第四个示例的多端口变换器的示意性电路图。在图3d中，
Q2、Q3和Q4分别表不第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，Trl和Tr2分别表不第一变压器和第二变压器，Drl、Dr2、Dr3和Dr4分别表示第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，Lf表示滤波电感，Cf表示滤波电容。
[0064]如图3d所示，第五开关管Q1的漏极连接直流母线的正极，第五开关管Q1的源极连接第六开关管Q2的漏极，第六开关管Q2的源极连接直流母线的负极，第八开关管Q4的漏极连接直流母线的正极，第八开关管Q4的源极连接第七开关管Q3的漏极，第七开关管Q3的源极连接直流母线的负极。
[0065]第一变压器Trl的第一绕组的第一端连接第五开关管&的源极(端点C)，第一变压器1^的第一绕组的第二端连接第八开关管Q4的源极(端点D)，第一变压器1^的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第一端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第一端(即高频交流母线中连接输出电感Likr..Likn的一端)，第一变压器1^的第二绕组的、与第一变压器Trl的第一绕组的第二端(与端点D相连的一端)相对应的同名端连接高频交流母线的第二端(即高频交流母线中连接Qx3源极的一端)。
[0066]第二变压器Tr2的第一绕组的第一端连接第五开关管&的源极(端点C)，第二变压器Tr2的第一绕组的第二端连接第八开关管Q4的源极(端点D)，第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第一端(与端点C相连的一端)相对应的同名端连接第一二极管Drl的阳极，第二变压器Tr2的第二绕组的、与第二变压器Tr2的第一绕组的第二端(与端点D相连的一端)相对应的同名端连接第三二极管Dr3的阳极。
[0067]第二二极管Dr2的阴极连接第一二极管Drl的阳极，第四二极管Dr4的阴极连接第三二极管Dr3的阳极，第一二极管0^的阴极连接第三二极管Dr3的阴极，第二二极管Dr2的阳极连接第四二极管Dr4的阳极。
[0068]滤波电感Lf的一端连接第三二极管Dr3的阴极，滤波电感Lf的另一端用于连接蓄电池的正极。
[0069 ]滤波电容Cf的一端连接滤波电感Lf的、用于连接蓄电池的正极的一端并且滤波电容Cf的该端也可以用于连接蓄电池的正极，滤波电容Cf的另一端连接第四二极管Dr4的阳极并且用于连接蓄电池的负极。
[0070]对于上述光伏充电系统来说，在为蓄电池充电时，需要采用适当的充电控制策略来控制电路中的各部件的工作状态以为蓄电池充电。
[0071 ]根据本发明实施例，每个高频逆变器中的第一开关管Qxl、第二开关管Qx2、第三开关管Qx3和第四开关管Qx4的驱动信号是占空比为0.5的脉宽调制(PWM)信号，第一开关管Qxi的驱动信号与第二开关管Qx2的驱动信号互补并且在两者之间存在死区，第三开关管Qx3的驱动信号与第四开关管Qx4的驱动信号互补并且在两者之间存在死区。
[0072]每个高频逆变器中的第一开关管Qxl和所述第二开关管Qx2可以组成第一个桥臂，第三开关管Qxl和第四开关管Qx2可以组成第二个桥臂，每个桥臂的驱动信号都可以是占空比为0.5的PffM信号。下面参考图4描述各开关管的驱动信号的形式。
[0073]图4示出根据本发明一个实施例的光伏充电系统的各开关管的驱动信号的示意性波形图。为帮助理解，图4中还示出了每个高频逆变器的输出电压VAxBx的波形以及多端口变换器中的若干端点之间的电压的波形，其中vcd+vef表示图3a所示实施例或图3c所示实施例中的端点C和D之间的电压与端点E和F之间的电压加在一起形成的总电压，vCD表示图3b所示实施例或图3d所示实施例中的端点C和D之间的电压。
[0074]如图4所示，多端口变换器的开关管Q1-Q4的驱动信号满足以下关系:
[0075]第五开关管Q1和第六开关管出的驱动信号互补，第七开关管Q3和第八开关管Q4的驱动信号互补。第五开关管Q1和第八开关管Q4的驱动信号的占空比大小相同，相位相差180度。第六开关管Q2和第七开关管Q3的驱动信号的占空比大小相同，相位相差180度。
[0076]高频逆变器的开关管Qxl-Qx4(其中χ=1，2，...η)的驱动信号满足以下关系:
[0077]第一开关管Qxi和第二开关管Qx2的驱动信号分别为占空比为0.5的驱动信号，第一开关管Qxl和第二开关管Qx2的驱动信号互补且存在死区。第三开关管Qx3和第四开关管Qx4的驱动信号分别为占空比为0.5的驱动信号，第三开关管Qx3和第四开关管Qx4的驱动信号互补且存在死区。每个高频逆变器通过移相方式控制两个桥臂的中点(即端点Ax和Bx)的电压差。当第一开关管Qxl和第四开关管Qx4开通时，尚频逆变器的输出电压VAxBx为正的VPVx电压；当第一开关管Qxl和第三开关管Qx3开通或者第二开关管Qx2和第四开关管Qx4开通时，VAxBx为零电压；当第二开关管Qx2和第三开关管Qx3开通时，VAxBx为负的VPVx电压。VPVx电压是每个光伏电池组件PVx(其中X=I，2，…η)输出的电压。对每个高频逆变器的两个桥臂进行独立的控制。在控制时，对每个高频逆变器的输出电压VAxBx相对于蓄电池侧的开关管Q1-Q4进行移相控制，从而实现每个光伏电池组件到蓄电池的能量的独立控制。
[0078]图5示出根据本发明一个实施例的光伏充电系统的充电控制策略的示意图。
[0079]参考图5，对于多端口变换器，可以采用如下方式进行控制。将蓄电池的充电电流曲线作为为蓄电池充电的给定与经由多端口变换器的滤波电感输入到蓄电池的输入电流进行比较，将比较结果输入蓄电池控制器，蓄电池控制器可以对开关管^:*的驱动信号进行PWM调制以最终得到所需的开关管(^-04的驱动信号。本文所述的蓄电池的充电电流曲线用于表示在不同的充电时间阶段所需要的不同大小的充电电流，此蓄电池特性可以由蓄电池的生产厂家制定。
[0080]相应地，为实现多端口变换器的上述控制，光伏充电系统可以进一步包括蓄电池比较器和蓄电池控制器。蓄电池比较器用于将多端口变换器输入蓄电池的输入电流与蓄电池的充电电流曲线进行比较，并输出蓄电池比较结果。蓄电池控制器用于根据蓄电池比较结果利用脉宽调制方式控制多端口变换器中的开关管的驱动信号。
[0081]对于一个或多个高频逆变器，可以采用如下方式进行控制。以第一个光伏电池组件为例，第一个最大功率跟踪控制器基于第一个光伏电池组件的输出电压VPVl和输出电流ipvi对第一个光伏电池组件进行最大功率跟踪。第一个最大功率跟踪控制器的输出为第一个光伏电池组件的输出电压给定值。将第一个光伏电池组件的输出电压给定值与第一个光伏电池组件的输出电压进行比较，将比较结果输入第一个光伏组件控制器。第一个光伏组件控制器基于移相调制策略调整第一个高频逆变器的开关管Qn-Q14的驱动信号，即控制第一个高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于多端口变换器中的开关管的驱动信号的移相角。通过上述方式可以获得所需的开关管Qn-Q14的驱动信号。其他η-1个高频逆变器的控制方式与第一个高频逆变器相似，不再赘述。
[0082]相应地，为实现高频逆变器的上述控制，光伏充电系统可以进一步包括与一个或多个光伏电池组件——对应的一个或多个光伏组件控制电路(未示出)，一个或多个光伏组件控制电路中的每一个包括最大功率跟踪器、光伏组件比较器和光伏组件控制器。最大功率跟踪器用于采集对应的光伏电池组件的输出电流和输出电压，对对应的光伏电池组件进行最大功率跟踪，并输出电压给定值。光伏组件比较器用于将电压给定值与对应的光伏电池组件的输出电压进行比较，并输出光伏电池比较结果。光伏组件控制器用于根据光伏电池比较结果控制与对应的光伏电池组件相对应的高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于多端口变换器中的开关管的驱动信号的移相角。
[0083]根据本发明另一方面，提供一种用于上述光伏充电系统的充电控制方法。图6示出根据本发明一个实施例的充电控制方法600的示意性流程图。如图6所示，充电控制方法600包括以下步骤。
[0084]在步骤S610，对于一个多个光伏电池组件中的每一个，采集该光伏电池组件的输出电流和输出电压，对该光伏电池组件进行最大功率跟踪，并输出电压给定值。
[0085]在步骤S620，对于一个多个光伏电池组件中的每一个，将电压给定值与该光伏电池组件的输出电压进行比较，并输出光伏电池比较结果。
[0086]在步骤S630，对于一个多个光伏电池组件中的每一个，根据光伏电池比较结果控制与该光伏电池组件相对应的高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于多端口变换器中的开关管的驱动信号的移相角。
[0087]在步骤S640，将多端口变换器输入蓄电池的输入电流与蓄电池的充电电流曲线进行比较，并输出蓄电池比较结果。
[0088]在步骤S650，根据蓄电池比较结果利用脉宽调制方式控制多端口变换器中的开关管的驱动信号。
[0089]上文已经参考图5描述了对高频逆变器中的开关管的驱动信号及多端口变换器中的开关管的驱动信号的控制策略，结合上述描述和附图可以理解充电控制方法600的实现方式，不再赘述。
[0090]采用上述充电控制方法可以实现利用光伏充电系统高效为蓄电池充电的功能。
[0091]应当理解，充电控制方法600中的各步骤并非仅限于图6所示的顺序，其可以具有其他合适的执行顺序。例如，步骤S640可以在步骤S610、S620和S630中的任一者之前或与其同时执行，实际上，对光伏充电系统中的各开关管的驱动信号的调整在整个充电过程中可以随时发生，因此上述步骤可能在一段时间内反复执行。
[0092]在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0093]类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图:即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循【具体实施方式】的权利要求书由此明确地并入该【具体实施方式】，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
[0094]本领域那些技术人员可以理解，除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者装置的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0095]此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0096]本发明的某些部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
【主权项】
1.一种光伏充电系统，包括:一个或多个光伏电池组件；一个或多个高频逆变器，其与所述一个或多个光伏电池组件一一对应连接，并且所述 一个或多个高频逆变器中的每一个具有第一输出端和第二输出端，所有高频逆变器的第一 输出端连接在一起组成高频交流母线的第一端，所述所有高频逆变器的第二输出端连接在 一起组成所述高频交流母线的第二端；以及多端口变换器，包括分别与所述高频交流母线和直流母线连接的两个端口以及用于与 蓄电池连接的一端口，所述多端口变换器用于实现所述高频交流母线、所述直流母线与所 述蓄电池之间的能量变换。2.如权利要求1所述的光伏充电系统，其特征在于，所述一个或多个高频逆变器中的每 一个包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和输出电感，其中，所述第一开关管的漏极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的正极，所述第 一开关管的源极连接所述第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的负极，所述第三开关管的漏极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的正极，所述第 三开关管的源极连接所述第四开关管的漏极，所述第四开关管的源极连接与其所属高频逆变器对应的光伏电池组件的负极，所述输出电感的一端连接所述第一开关管的源极，所述输出电感的另一端作为其所属 高频逆变器的第一输出端用于组成所述高频交流母线的第一端，所述第三开关管的源极作为其所属高频逆变器的第二输出端用于组成所述高频交流 母线的第二端。3.如权利要求1或2所述的光伏充电系统，其特征在于，所述多端口变换器包括第五开 关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第 一变压器、第二变压器、第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容，其中，所述第五开关管的漏极连接所述直流母线的正极，所述第五开关管的源极连接所述第 六开关管的漏极，所述第六开关管的源极连接所述第七开关管的漏极，所述第七开关管的 源极连接所述第八开关管的漏极，所述第八开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述第一电容的一端连接所述第五开关管的漏极，所述第一电容的另一端连接所述第 二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述第六开关管的源极，所述第三电容的一端 连接所述第六开关管的源极，所述第三电容的另一端连接所述第四电容的一端，所述第四 电容的另一端连接所述第八开关管的源极，所述第一变压器的第一绕组的第一端连接所述第一电容和所述第二电容相连接的端 点，所述第一变压器的第一绕组的第二端连接所述第五开关管的源极，所述第二变压器的 第一绕组的第一端连接所述第三电容和所述第四电容相连接的端点，所述第二变压器的第 一绕组的第二端连接所述第七开关管的源极，所述第一变压器的第二绕组的、与所述第一 变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第一端，所述第二变 压器的第二绕组的、与所述第二变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述第一 变压器的第二绕组的、与所述第一变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端，所述第二 变压器的第二绕组的、与所述第二变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第二端，所述第一滤波电感的一端连接所述第五开关管的源极，所述第一滤波电感的另一端用 于连接所述蓄电池的正极，所述第二滤波电感的一端连接所述第七开关管的源极，所述第 二滤波电感的另一端用于连接所述蓄电池的负极，所述滤波电容的一端连接所述第一滤波电感的、用于连接所述蓄电池的正极的一端， 所述滤波电容的另一端连接所述第二滤波电感的、用于连接所述蓄电池的负极的一端。4.如权利要求1或2所述的光伏充电系统，其特征在于，所述多端口变换器包括第五开 关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、变压器、第一滤波电感、第二滤波电感和滤波 电容，所述第五开关管的漏极连接所述直流母线的正极，所述第五开关管的源极连接所述第 六开关管的漏极，所述第六开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述第八开关管的漏 极连接所述直流母线的正极，所述第八开关管的源极连接所述第七开关管的漏极，所述第 七开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述变压器的第一绕组的第一端连接所述第五开关管的源极，所述变压器的第一绕组 的第二端连接所述第八开关管的源极，所述变压器的第二绕组的、与所述变压器的第一绕 组的第一端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第一端，所述变压器的第二绕组的、 与所述变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第二端，所述第一滤波电感的一端连接所述第五开关管的源极，所述第一滤波电感的另一端用 于连接所述蓄电池的正极，所述第二滤波电感的一端连接所述第八开关管的源极，所述第 二滤波电感的另一端用于连接所述蓄电池的正极，所述滤波电容的一端连接所述第一滤波电感的、用于连接所述蓄电池的正极的一端以 及所述第二滤波电感的、用于连接所述蓄电池的正极的一端，所述滤波电容的另一端连接 所述直流母线的负极并且用于连接所述蓄电池的负极。5.如权利要求1或2所述的光伏充电系统，其特征在于，所述多端口变换器包括第五开 关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第 一变压器、第二变压器、第三变压器、第四变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第 四二极管、滤波电感和滤波电容，所述第五开关管的漏极连接所述直流母线的正极，所述第五开关管的源极连接所述第 六开关管的漏极，所述第六开关管的源极连接所述第七开关管的漏极，所述第七开关管的 源极连接所述第八开关管的漏极，所述第八开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述第一电容的一端连接所述第五开关管的漏极，所述第一电容的另一端连接所述第 二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述第六开关管的源极，所述第三电容的一端 连接所述第六开关管的源极，所述第三电容的另一端连接所述第四电容的一端，所述第四 电容的另一端连接所述第八开关管的源极，所述第一变压器的第一绕组的第一端连接所述第一电容和所述第二电容相连接的端 点，所述第一变压器的第一绕组的第二端连接所述第五开关管的源极，所述第二变压器的 第一绕组的第一端连接所述第三电容和所述第四电容相连接的端点，所述第二变压器的第 一绕组的第二端连接所述第七开关管的源极，所述第一变压器的第二绕组的、与所述第一 变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第一端，所述第二变压器的第二绕组的、与所述第二变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述第一 变压器的第二绕组的、与所述第一变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端，所述第二 变压器的第二绕组的、与所述第二变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端连接所述高 频交流母线的第二端，所述第三变压器的第一绕组的第一端连接所述第一电容和所述第二电容相连接的端 点，所述第三变压器的第一绕组的第二端连接所述第五开关管的源极，所述第四变压器的 第一绕组的第一端连接所述第三电容和所述第四电容相连接的端点，所述第四变压器的第 一绕组的第二端连接所述第七开关管的源极，所述第三变压器的第二绕组的、与所述第三 变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述第一二极管的阳极，所述第四变压器 的第二绕组的、与所述第四变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述第三变压 器的第二绕组的、与所述第三变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端，所述第四变压 器的第二绕组的、与所述第四变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端连接所述第三二 极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一二极管的阳极，所述第四二极管的阴极连接所述 第三二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第三二极管的阴极，所述第二二极管 的阳极连接所述第四二极管的阳极，所述滤波电感的一端连接所述第三二极管的阴极，所述滤波电感的另一端用于连接所 述蓄电池的正极，所述滤波电容的一端连接所述滤波电感的、用于连接所述蓄电池的正极的一端，所述 滤波电容的另一端连接所述第四二极管的阳极并且用于连接所述蓄电池的负极。6.如权利要求1或2所述的光伏充电系统，其特征在于，所述多端口变换器包括第五开 关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一变压器、第二变压器、第一二极管、第二二 极管、第三二极管、第四二极管、滤波电感和滤波电容，所述第五开关管的漏极连接所述直流母线的正极，所述第五开关管的源极连接所述第 六开关管的漏极，所述第六开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述第八开关管的漏 极连接所述直流母线的正极，所述第八开关管的源极连接所述第七开关管的漏极，所述第 七开关管的源极连接所述直流母线的负极，所述第一变压器的第一绕组的第一端连接所述第五开关管的源极，所述第一变压器的 第一绕组的第二端连接所述第八开关管的源极，所述第一变压器的第二绕组的、与所述第 一变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端连接所述高频交流母线的第一端，所述第一 变压器的第二绕组的、与所述第一变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述高 频交流母线的第二端，所述第二变压器的第一绕组的第一端连接所述第五开关管的源极，所述第二变压器的 第一绕组的第二端连接所述第八开关管的源极，所述第二变压器的第二绕组的、与所述第 二变压器的第一绕组的第一端相对应的同名端连接所述第一二极管的阳极，所述第二变压 器的第二绕组的、与所述第二变压器的第一绕组的第二端相对应的同名端连接所述第三二 极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一二极管的阳极，所述第四二极管的阴极连接所述 第三二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第三二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接所述第四二极管的阳极，所述滤波电感的一端连接所述第三二极管的阴极，所述滤波电感的另一端用于连接所 述蓄电池的正极，所述滤波电容的一端连接所述滤波电感的、用于连接所述蓄电池的正极的一端，所述 滤波电容的另一端连接所述第四二极管的阳极并且用于连接所述蓄电池的负极。7.如权利要求2所述的光伏充电系统，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、 所述第三开关管和所述第四开关管的驱动信号是占空比为0.5的脉宽调制信号，所述第一 开关管的驱动信号与所述第二开关管的驱动信号互补并且在两者之间存在死区，所述第三 开关管的驱动信号与所述第四开关管的驱动信号互补并且在两者之间存在死区。8.如权利要求2或7所述的光伏充电系统，其特征在于，所述光伏充电系统进一步包括 与所述一个或多个光伏电池组件一一对应的一个或多个光伏组件控制电路，所述一个或多 个光伏组件控制电路中的每一个包括最大功率跟踪器、光伏组件比较器和光伏组件控制 器，所述最大功率跟踪器用于采集对应的光伏电池组件的输出电流和输出电压，对所述对 应的光伏电池组件进行最大功率跟踪，并输出电压给定值；所述光伏组件比较器用于将所述电压给定值与所述对应的光伏电池组件的输出电压 进行比较，并输出光伏电池比较结果；所述光伏组件控制器用于根据所述光伏电池比较结果控制与所述对应的光伏电池组 件相对应的高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于所述多端口变换器中的开关管的驱 动信号的移相角。9.如权利要求1所述的光伏充电系统，其特征在于，所述光伏充电系统进一步包括蓄电 池比较器和蓄电池控制器，所述蓄电池比较器用于将所述多端口变换器输入所述蓄电池的输入电流与所述蓄电 池的充电电流曲线进行比较，并输出蓄电池比较结果；所述蓄电池控制器用于根据所述蓄电池比较结果利用脉宽调制方式控制所述多端口 变换器中的开关管的驱动信号。10.—种用于如权利要求1至9任一项所述的光伏充电系统的充电控制方法，包括:对于所述一个多个光伏电池组件中的每一个，采集该光伏电池组件的输出电流和输出电压，对该光伏电池组件进行最大功率跟踪， 并输出电压给定值；将所述电压给定值与该光伏电池组件的输出电压进行比较，并输出光伏电池比较结 果；根据所述光伏电池比较结果控制与该光伏电池组件相对应的高频逆变器中的开关管 的驱动信号相对于所述多端口变换器中的开关管的驱动信号的移相角；将所述多端口变换器输入所述蓄电池的输入电流与所述蓄电池的充电电流曲线进行 比较，并输出蓄电池比较结果；以及根据所述蓄电池比较结果利用脉宽调制方式控制所述多端口变换器中的开关管的驱动信号。
【文档编号】H02J7/35GK105978130SQ201610523214
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】郭志强, 孙凯
【申请人】清华大学