一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器的制作方法

本发明涉及一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器，属于隔离、微型、并网逆变器，其利用增加的辅助电路来抑制直流电源输入侧低频电流纹波。

背景技术：

由于能源危机和环境污染等问题，具有清洁、可持续等一系列优点的光伏发电引起了人们关注，使得光伏产业得到了快速发展。众所周知，光伏电池板需采用最大功率跟踪来实现其最大功率恒定输出，而并网逆变器输出功率包含两倍频电网频率的功率纹波，若不解耦该功率纹波，将导致逆变器输入电流中含有大量低频纹波分量，进而影响光伏板最大功率跟踪，降低光伏发电系统效率。因此解决光伏发电系统中逆变器输入电流中低频纹波电流问题，具有十分重要的意义。直接在直流侧并联大容量的电解电容来滤除低频纹波电流是最简单的方式，而电解电容存在着体积大、寿命短等问题，不仅影响系统的功率密度，维护成本也比较高。在电路中并联谐振频率为两倍电网频率的LC谐振电路，也能够滤除低频电流纹波，同时减小了电容值，但是该方法所需的电感值和容值仍然较大，一定程度上影响系统功率密度。总而言之，采用无源器件来抑制逆变器输入侧低频电流纹波的方法，存在着体积大、可靠性低等问题。因此，提出新的电路拓扑和控制策略来抑制输入侧电流中低频纹波分量，避免使用电解电容而采用寿命长、可靠性高的薄膜电容，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器，既实现了单级并网，又抑制了输入侧低频电流纹波。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器，包括直流电源、输入电容、原边二极管、原边开关管、隔离变压器、副边二极管、副边开关管、滤波电路及电网；其中直流电源的正极、输入电容的一端和原边二极管的阳极相连接，原边二极管的阴极接原边开关管的集电极，直流电源的负极、输入电容的另一端和隔离变压器原边绕组的同名端相连接，隔离变压器副边包括两个绕组，副边二极管包括两个二极管，副边开关管包括两个开关管，滤波电路包括一个滤波电容和一个滤波电感，第一副边绕组的同名端接第一副边二极管的阳极，第一副边二极管的阴极接第一副边开关管的集电极，第二副边绕组的异名端接第二副边二极管的阴极，第二副边二极管的阳极接第二副边开关管的发射极，第一副边绕组的异名端、第二副边绕组的同名端、输出滤波电容的一端及电网的一端相连接，输出滤波电容的另一端、第一副边开关管的发射极、第二副边开关管的集电极及输出滤波电感的一端相连接，输出滤波电感的另一端接电网的另一端；其特征在于：

还包括由隔离变压器的一个辅助绕组、辅助开关管、辅助二极管和辅助电容构成的辅助电路；其中辅助电容的一端和原边开关管的集电极相连接，原边开关管的发射极接隔离变压器辅助绕组的异名端，隔离变压器辅助绕组的同名端、隔离变压器原边绕组的异名端和辅助二极管的阴极相连接，辅助二极管的阳极、辅助电容的另一端和辅助开关管的发射极相连接，辅助开关管的集电极和直流电源的正极相连接。

有益效果：

本发明披露了一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器，其抑制了直流电源输入侧低频电流纹波，大大延长系统的使用寿命。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，在反激逆变器基础上加入辅助电路来处理并网输出功率引起的功率纹波，避免在直流电源端并联体积大、可靠性低的电解电容来抑制低频电流纹波。

附图说明

附图1是本发明的一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器主电路图。

附图2是本发明的一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器进一步等效电路图。

附图3是本发明的一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器主要工作波形示意图。

附图4～附图9是本发明的一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器的各开关模态示意图。

附图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流、辅助电容电压及并网电流的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、电源电压。C_i、输入电容。S_p、原边开关管。D_p、原边二极管。S_s1、S_s2、均为副边开关管。D_s1、D_s2、均为副边二极管。S_x、辅助开关管。D_x、辅助二极管。C_x、辅助电容。T、隔离变压器。N_p、隔离变压器原边绕组。N_x、隔离变压器辅助绕组。N_s1、N_s2、均为隔离变压器副边绕组。L_m、隔离变压器激磁电感。L_f、输出滤波电感。C_f、输出滤波电容。v_x、辅助电容电压。v_grid、电网电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1是一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器主电路。由直流电源V_i、输入电容1、原边二极管2、原边开关管3、隔离变压器4、副边二极管5、副边开关管6、滤波电路7、电网、辅助开关管8、辅助二极管9及辅助电容10组成。C_i是输入电容，S_p是原边开关管，D_p是原边二极管，S_x是辅助开关管，D_x是辅助二极管，C_x是辅助电容，T是隔离变压器，D_s1、D_s2是副边二极管，S_s1、S_s2是副边开关管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图1等效为附图2所示的电路。

下面以附图2所示的等效后的主电路结构，结合附图3～附图9叙述本发明的具体工作原理。由于直流电源提供的输入功率为一直流量，而输出功率含有两倍频电网频率的脉动量，根据输入功率与瞬时输出功率的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率P_i大于瞬时输出功率p_o时，电路工作于模式1状态，当输入功率P_i小于瞬时输出功率p_o时，电路工作于模式2状态。由附图3可知逆变器工作于模式1或者模式2时，一个开关周期T_s均有4种开关模态，模式1时：[t₁₀-t₁₁]、[t₁₁-t₁₂]、[t₁₂-t₁₃]、[t₁₃-t₁₄]，模式2时：[t₂₀-t₂₁]、[t₂₁-t₂₂]、[t₂₂-t₂₃]、[t₂₃-t₂₄]。下面以电网电压处于正半周期时为例，对各开关模态的工作情况进行具体分析；当电网电压处于负半周期时，其工作情况与正半周期时类似，不再赘述。

在分析之前，先作如下假设：①所有功率器件均为理想的；②隔离变压器各绕组匝比为：N_p∶N_x∶N_s1∶N_s2＝1∶1∶n∶n。

模式1下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₁₀-t₁₁][对应于附图4]

t₁₀时刻，开通原边开关管S_p，此时变压器激磁电感储能，原边电流i_p从零开始线性上升。t₁₁时刻，电流i_p上升至模式1电流基准i_{p_1}，关断原边开关管S_p，该模态结束。

2.开关模态2[t₁₁-t₁₂][对应于附图5]

t₁₁时刻，由于变压器激磁电感中储存的能量不能突变，辅助二极管D_x导通，原边电流i_p流过辅助电容C_x，此时变压器激磁电感承受直流电源电压和辅助电容电压之差，由于逆变器的开关频率高，在一个开关周期内辅助电容电压可看作为定值，同时根据变压器耦合原理，原边电流i_p由2i_{p_1}线性下降到基准i_{p_ref}，立即开通副边开关管S_s1，此模态结束。

由此可以得出原边电流基准i_{p_ref}为：

其中，T_s为开关周期，I_i为输入电流，ω为电网电压角频率，P_i为输入功率。模式1电流基准i_{p_1}表达式则为：

3.开关模态3[t₁₂-t₁₃][对应于附图6]

t₁₂时刻，副边开关管S_s1开通。由于变压器副边承受的电压折算到原边后的电压小于辅助电容上的电压与直流电源电压之差，辅助二极管和原边二极管承受反向电压截止，变压器激磁电感释放能量并承受电网电压，副边电流i_s由基准i_{p_ref}/n线性下降到零。

4.开关模态4[t₁₃-t₁₄][对应于附图7]

t₁₃时刻，副边电流i_s下降到零。此阶段内，副边开关管依然导通，但已经没有电流流过。t₁₄时刻，副边开关管关断，此工作模态结束，并且该开关周期结束，进入下一个开关周期。

模式2下时，具体工作情况：

1.开关模态1[t₂₀-t₂₁][对应于附图8]

t₂₀时刻，同时开通原边开关管S_p和辅助开关管S_x，变压器激磁电感承受直流电源电压和辅助电容电压之和，原边电流i_p由零线性上升。t₂₁时刻，电流i_p到达模式2电流基准i_{p_2}，辅助开关管S_x关断，该模态结束。

2.开关模态2[t₂₁-t₂₂][对应于附图9]

t₂₁时刻，由于变压器激磁电感承受直流电源电压，原边电流i_p继续上升，同样根据变压器耦合原理可知，当原边电流i_p上升至i_{p_ref}/2时，关断原边开关管S_p，此时变压器激磁电感中储存的能量等于并网所需的瞬时能量。

可以得到模式2电流基准i_{p_2}表达式：

3.开关模态3[t₂₂-t₂₃][对应于附图6]

t₂₂时刻，当电网电压为正时，副边开关管S_s1在模式2下始终开通，如附图6所示，变压器激磁电感向电网释放能量。此阶段内，副边电流i_s由基准i_{p_ref}/n线性下降到零。

4.开关模态4[t₂₃-t₂₄][对应于附图7]

副边开关管依然导通，但无电流流过，直至该开关周期结束，进入下一个开关周期。

图10是本发明应用于110V/50Hz交流电网的输入电流I_i、辅助电容电压v_x和并网电流i_grid的仿真波形。由仿真波形可知，本发明有效的抑制了直流输入侧中低频电流纹波。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种抑制输入低频纹波的高效率微型光伏并网逆变器具有以下几方面的优点：

1)增加的辅助电路有效的抑制了直流侧输入电流中的低频纹波分量。

2)元器件相对较少，控制简单易实现。

3)辅助电路构成了漏感能量回馈通路，有利于提高逆变器效率。