PV功率转换器的制作方法

pv功率转换器
技术领域
1.本发明总体上涉及pv(光伏)功率转换，并且更具体地涉及对pv功率转换设备发生的故障的保护。


背景技术：

2.光伏系统作为可再生能源在很多应用中非常受欢迎。光伏系统的pv模块具有最大功率点(mpp)现象，即，pv模块在不是操作范围的结束的某一点处输出最大功率。此外，pv模块的输出功率会随着温度和辐照度的变化而变化。图1a是示出mpp现象的pv模块的p
‑
v曲线。如图1a所示，在区域a中，在朝向mpp的方向上，pv模块的输出功率随着pv模块输出电压的增加而增加。相反，在区域b中，在远离mpp的方向上，pv模块的输出功率随着pv模块输出电压的增加而减少。图1b示意性地描绘了pv模块在各种操作条件下的不同p
‑
v曲线。如图1b所示，mpp的位置随太阳能电池板的操作条件(诸如其温度和辐射强度)而变化。为此，光伏系统通常包括控制系统，该控制系统改变其连接到pv模块的转换器电路的负载和阻抗之间的匹配，以确保电压源控制模式与最大功率点跟踪控制模式之间的切换。图1a还指示了pv模块的操作点a和b，这些操作点a、b与pv模块的最大功率点(mpp)不同。在跟踪mpp(mppt)时，调节当前状态与mpp不同的电压电平(例如，a和b)以匹配mpp。
3.pv电站内的关键组件是dc优化器。dc优化器(dco)是一种dc到dc转换器技术，以用于实现连接到dc优化器的输入的pv模块的最大功率点跟踪(mppt)。dc优化器可以用于pv模块级(即，面板级dc优化器)和pv串级两者。对于这两种情况，在dc优化器的输入端子和输出端子处都将形成有输入dc母线和输出dc母线。
4.通常，dc优化器的转换器拓扑结构是所谓的全功率转换器。常规技术是升压转换器。对于某些应用，还将使用电流隔离的两级(dc/ac/dc)转换器。
5.然而，全功率转换器将处理从输入到输出的所有功率，即使使用高效率转换器，系统的总转换损耗也很高。为了增加dc优化器解决方案的竞争力，需要具有更高效率和低成本的新型dc/dc拓扑结构。在不同dc/dc转换器解决方案中，部分功率转换器(ppc)被认为是提高dc优化器的整体效率和功率密度的有力候选。ppc的主要目标是要处理总功率的一小部分。各种研究表明，与标准全功率处理拓扑结构相比，pv系统中的ppc可以实现更高的效率和降低的额定功率。这一点在j.r.r.zientarski、m.l.s martins、j.r.pimheiro等人的“series
‑
connected partial power converts applied to pv systems:a design approach based on step
‑
up/down voltage regulation range”(ieee trans.on power electronics.2017)中有描述。
6.ppc虽然提供高系统效率，但在输入dc母线短路故障期间存在缺点：当输入dc母线短路故障发生时，如图2a所示，整流器将必须承受电压v
out
，即v
c
＝v
out
，其中v
c
是整流器处的电压。输出dc母线电压v
out
通常远高于ppc的正常操作电压。为了避免整流器因过压而损坏，一种解决方案是根据输出dc电压来设计整流器的额定电压，这会增加ppc的总成本。
7.此外，如图2所示，ppc在ppc的输出发生短路期间也有缺点，特别是当整流器是二
极管整流器时。当发生输出dc母线短路故障时，如图2b所示，由于二极管整流器的特性，整流器将保持导通。从dc输入侧(pv面板)注入的故障电流虽然不高，但阻碍了dc故障电流的灭弧，这可能对输出dc母线的电缆绝缘造成额外损坏。


技术实现要素：

8.根据本发明的一个方面，提供了一种pv功率转换器，该pv功率转换器包括：变压器、第一输出端口和第二输出端口、被配置为将来自pv阵列的功率转换为ac功率的第一功率转换电路。第一功率转换电路具有：第一输入端子和第二输入端子，被配置为电耦合到pv阵列的输出，其中第二输入端子电耦合到第二输出端口；以及第一输出端子和第二输出端子，电耦合到变压器的初级绕组。pv功率转换器还包括被配置为将来自变压器的功率转换为dc功率的第二功率转换电路。第二功率转换电路具有电耦合到变压器的次级绕组的第一输入端和第二输入端、以及电耦合到第一输出端口的第一输出端和电耦合到第一功率转换电路的第一输入端子的第二输出端。pv功率转换器还包括第一功率开关，第一功率开关电布置在第一输入端子和第二输入端子中的任一者与第一输出端口和第二输出端口中的任一者之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。
9.通过使用本发明的实施例，通过跨第一输出端口和第二输出端口的dc电压而施加到第二功率转换电路的dc侧的电压将在第一功率开关与第二功率转换电路侧的那些二极管之间共享。第一输入端子和第二输入端子发生短路期间在第二功率转换电路的dc侧上的电压应力被降低。可以为第二功率转换电路选择击穿电压相对较低的半导体，这样可以降低转换器成本并且提高功率效率。附加的第一功率开关的功率损耗相对较低，因为它在正常操作期间始终在导通模式下工作。
10.当第一功率转换电路的第一输入端子和第二输入端子发生短路故障时，作为单向导通器件的第一功率开关阻断电流流动。一般而言，第一功率开关电布置在第一输入端子tin1和第二输入端子中的任一者与第一输出端口和第二输出端口中的任一者之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。
11.优选地，第二功率转换电路使用整流器拓扑结构，该整流器拓扑结构具有至少一个功率二极管的至少一个支路，并且第一功率开关的击穿电压被选择使得第一功率的击穿电压和至少一个支路中的击穿电压较低的支路的击穿电压的总和高于预定电平。至少一个功率二极管可以包括仅一个功率二极管或串联电耦合的多个功率二极管。
12.功率半导体器件的击穿电压额定值与导通电阻之间存在权衡，因为通过合并更厚和更低掺杂的漂移区来增加击穿电压会导致更高的导通电阻。通过适当地选择第二功率转换电路的二极管和第一功率开关的击穿电压和导通电阻的参数，可以限制第一功率开关的正向导通的功率损耗，并且可以改进串联链接的第一功率开关和第二功率转换电路的反向击穿容差。
附图说明
13.本发明的主题将在下文中参考附图中示出的优选示例性实施例更详细地解释，在附图中：
14.图1a示出了说明mpp现象的pv模块的p
‑
v曲线；
15.图1b示意性地描绘了pv模块在各种操作条件下的不同p
‑
v曲线；
16.图2a示出了部分功率转换器在其输出端口处发生短路故障；
17.图2b示出了部分功率转换器在其输入端口处发生短路故障；
18.图3示出了根据本发明的实施例的pv功率转换器；
19.图4示出了根据本发明的另一实施例的pv功率转换器；
20.图5示出了根据本发明的另一实施例的pv功率转换器；以及
21.图6示出了根据本发明的另一实施例的pv功率转换器。
22.附图中使用的附图标记及其含义在附图标记列表中以概要形式列出。原则上，相同的部分在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
23.在以下描述中，出于解释而非限制的目的阐述了具体细节，诸如特定电路、电路组件、接口、技术等，以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说很清楚的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。在其他情况下，省略了对公知的方法和编程过程、设备和电路的详细描述，以免不必要的细节混淆本发明的描述。
24.尽管本发明易于具有各种修改和替代形式，但其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解的是，附图及其详细描述并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反，旨在涵盖落入如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代方案。注意，标题仅用于组织目的，并不旨在用于限制或解释说明书或权利要求。此外，注意，本技术中使用的“可以”一词是在允许的意义上(即，有潜力，能够)，而不是强制性的(即，必须)。术语“包括”及其派生词表示“包括但不限于”。术语“连接”表示“直接或间接连接”，术语“耦合”表示“直接或间接连接”。
25.图3是pv功率转换器的示例性实施例的电路图。在示例性实施例中，pv功率转换器2耦合在pv阵列(例如，pv阵列20)与dc链路之间。dc负载22可以跨dc链路定位。dc负载22可以包括但不限于电池充电器和/或并网逆变器，例如dc到ac逆变器。pv功率转换器2在本文中也称为部分功率转换器(ppc)，因为只有pv阵列20的一部分功率输出被pv功率转换器2转换。pv阵列20的功率输出的剩余部分被提供给pv功率转换器2，但在提供给dc链路21之前没有被pv功率转换器2转换和/或处理。
26.在示例性实施例中，pv功率转换器2被配置作为包括变压器23的全桥型转换器。虽然被示出为全桥型转换器，但可以使用任何其他合适的dc到dc转换器布置，诸如推挽式转换器。变压器23包括初级绕组23p和次级绕组23s。pv功率转换器2还包括第一输出端口p
out1
和第二输出端口p
out2
，通过输出端口可以将功率从pv功率转换器2提供给dc负载22。
27.pv功率转换器2还包括第一功率转换电路24和第二功率转换电路25。
28.第一功率转换电路24包括被配置为电耦合到pv阵列20的输出的第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
，并且第二输入端子t
in2
电耦合到pv功率转换器2的第二输出端口p
out2
。第一功率转换电路还具有电耦合到变压器23的初级绕组23p的第一输出端子t
out1
和第二输出端子t
out2
。第一功率转换电路24还包括至少一个可控半导体开关，例如四个可控半导体开关s1、s2、s3、s4。可控半导体开关s1、s2、s3、s4可以包括但不限于包括用硅或宽带隙材料(例如，碳化硅和/或氮化镓)实现的绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体
管(mosfet)或双极结晶体管(bjt)。在示例性实施例中，pv功率转换器2可以包括控制器(未示出)，控制器控制可控半导体开关s1、s2、s3、s4的操作以将来自pv阵列20的功率转换为ac功率。例如，控制器可以向可控半导体开关s1、s2、s3、s4提供控制信号，其中控制信号的占空比控制pv功率转换器2的电压输出。在dc链路21的电压由dc到ac逆变器调节的替代实施例中，pv功率转换器2借助于占空比控制来调节相关联的pv阵列(例如，pv阵列20)的输入电压以从pv阵列20提取最大功率。
29.第二功率转换电路25包括电耦合到变压器23的次级绕组23s的第一输入端e
in1
和第二输入端e
in2
。第二功率转换电路25还包括第一输出端e
out1
和第二输出端e
out2
，并且第一输出端e
out1
电耦合到pv功率转换器2的第一输出端口p
out1
，并且第二输出端e
out2
电耦合到第一功率转换电路24的第一输入端子t
in1
。在示例性实施例中，第二功率转换电路25还包括至少一个半导体器件，例如第一二极管d1和第二二极管d2。在示例性实施例中，次级绕组23s的两个部分之间的中心抽头c
t
电耦合到第一二极管d1和第二二极管d2的阴极，从而形成具有两个支路的半桥，每个支路具有相应二极管d1、d2。并且，它们的阳极电耦合到第一输入端e
in1
和第二输入端e
in2
。低通滤波器l、c电插入在半桥与输出端e
out1
、e
out2
之间。初级部分23p和次级部分23s互感耦合。在操作中，流经初级绕组23p的时变电流跨次级绕组23s感应出电压，该电压由在其第一输出端e
out1
和第二输出端e
out2
处提供dc输出的第二功率转换电路25调节。
30.pv功率转换器2还包括第一功率开关q1。在本实施例中，如图3所示，第一功率开关q1电插入在第二功率转换电路25的第一输出端e
out1
与pv功率转换器2的第一输出端口p
out1
之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。当pv功率转换器在正常条件下操作时，功率至少经由第一功率开关q1导通电流而从pv阵列流向负载。当第一功率转换电路24的第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
发生短路故障时，作为单向导通器件的第一功率开关q1阻断电流流动。第一功率开关q1可以包括但不限于包括用硅或宽带隙材料(例如，碳化硅和/或氮化镓)实现的绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结晶体管(bjt)。
31.图4和图5示出了根据本发明的其他实施例的pv功率转换器。作为图3的实施例的替代，第一功率开关q1可以设置在不同位置，并且通过具有实施例的这些变型，当pv功率转换器在正常条件下操作时，功率至少经由第一功率开关q1导通电流而从pv阵列流向负载。例如，如图4所示，第一功率开关q1布置在第一输入端子t
in1
与第二输出端e
out2
之间；如图5所示，第一功率开关q1布置在第二输入端子t
in2
与第二输出端口p
out2
之间。
32.通过使用本发明的实施例，通过跨第一输出端口p
out1
和第二输出端口p
out2
的dc电压而施加到第二功率转换电路25的dc侧的电压将在第一功率开关q1与第二功率转换电路25侧的那些二极管之间共享。第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
发生短路期间在第二功率转换电路的dc侧上的电压应力被降低。可以为第二功率转换电路选择击穿电压相对较低的半导体，这样可以降低转换器成本并且提高功率效率。附加的第一功率开关q1的功率损耗相对较低，因为它在正常操作期间始终在导通模式下工作。
33.当第一功率转换电路24的第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
发生短路故障时，作为单向导通器件的第一功率开关q1阻断电流流动。一般而言，第一功率开关q1电布置在第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
中的任一者与第一输出端口p
out1
和第二输出端口p
out2
中
的任一者之间，以具有允许单向电流流动的导通方向。
34.作为所提出的拓扑结构的第一功率开关q1可以是功率二极管，或者替代地被替换为反向阻断功率半导体，诸如反向阻断igbt。在正常操作期间，反向阻断igbt接通。当输入dc母线发生短路时，反向阻断igbt将与整流器一起承受输出dc母线电压。
35.图6示出了根据本发明的另一实施例的第二功率转换电路。如图6所示，与图2不同的是，第二功率转换电路25包括至少一个半导体器件，例如第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4。在示例性实施例中，四个二极管形成全桥整流器，该全桥整流器具有分别包括串联耦合的第一二极管d1和第二二极管d2以及串联耦合的第三二极管d3和第四二极管d4的两个支路。第一二极管d1与第二二极管d2之间的连接点以及第三二极管d3与第四二极管d4之间的连接点是第二功率转换电路的第一输入端e
in1
和第二输入端e
in2
。低通滤波器l、c电插入在全桥与输出端e
out1
、e
out2
之间。
36.对于根据本发明的每个实施例的第二功率转换电路25，第一功率开关q1的击穿电压被选择使得第一功率开关q1的击穿电压和至少一个支路中的击穿电压较低的支路的击穿电压的总和高于预定电平。
37.例如，在图3中，第一开关q1具有击穿电压v
breakdown_q1
，其中一个支路上的二极管d1具有击穿电压v
breakdown_d1
，另一支路上的二极管d2具有击穿电压v
breakdown_d2
。假定v
breakdown_d1
≥v
breakdown_d2
并且假定pv功率转换器的输出额定值为v
out
，则v
breakdown_q1
被选择使得v
breakdown_q1
+v
breakdown_d2
≥v
out
。
38.例如，在图6中，第一开关q1具有击穿电压v
breakdown_q1
，其中一个支路上的二极管d1、d2具有击穿电压v
breakdown_d1
、v
breakdown_d2
，另一支路上的二极管d3、d4具有击穿电压v
breakdown_d3
、v
breakdown_d4
。假定v
breakdown_d1
+v
breakdown_d2
≥v
breakdown_d3
+v
breakdown_d4
并且假定pv功率转换器的输出额定值为v
out
，则v
breakdown_q1
被选择使得v
breakdown_q1
+v
breakdown_d3
+v
breakdown_d4
≥v
out
。
39.此外，为了消除根据本发明的实施例的pv功率转换器的输出处发生的短路故障，第一功率转换电路24的一个或多个支路将被触发到直通状态，即，一个支路中的两个半导体(例如，igbt)都将导通。以这种方式，在第一输入端子t
in1
和第二输入端子t
in2
处从pv面板注入的故障电流被直通支路旁路，而不是在输出端口p
out1
、p
out2
处注入到dc短路点。由于dc输入母线侧(pv面板)处的短路电流较低，因此直通支路处的半导体不会经历过电流。
40.单独的旁路开关(可以是机械开关或功率半导体开关)并联连接到pv功率转换器的输入端子。旁路开关在正常操作期间将保持断开。当输出端口处存在dc短路故障时，旁路开关将闭合，以旁路从dc输入侧(pv面板)注入的故障电流。
41.虽然已经基于一些优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解，这些实施例决不应当限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和构思的情况下，对实施例的任何变化和修改均应当在本领域普通技术人员的理解范围内，并且因而落入由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。