CN102522766B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于公开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，该逆变器包括一个反激变换器和一个工频极性转换电路，反激变换器中设有一个功率解耦电路，使解耦电容电压等级高于太阳能光伏阵列的输出电压，允许解耦电容电压大范围波动，从而使解耦电容容量减小，仅需使用非电解电容即可实现功率解耦，从而避免了使用电解电容，延长了微型光伏并网逆变器的使用寿命，提高了可靠性。通过此控制方法，不仅实现了微型光伏并网逆变器输出功率与太阳能光伏阵列输出功率的解耦，而且能够让太阳能光伏阵列输出的直流电压和电流波形保持平缓，保证了太阳能光伏阵列的使用寿命，也有利于实现最大功率点跟踪（MPPT）。

Description

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

技术领域

本发明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。

背景技术

微型光伏并网逆变器由于其能量利用率高、***扩展性好、易于安装等优点，越来越受到人们的重视。特别是，将微型逆变器与单个太阳能光伏阵列相结合构成AC模块时，逆变器需要有与光伏阵列相匹配的寿命。

微型光伏并网逆变器中，太阳能光伏阵列由于MPPT的作用产生光滑直流的功率，而并网测的功率为两倍电网频率的功率脉动。通常在太阳能光伏阵列两端并联大容值的电解电容来解决这个瞬时功率不平衡的问题，实现功率解耦。然而电解电容的寿命很短，远低于太阳能光伏阵列的寿命。因此，电解电容成为制约逆变器寿命的关键因素，也降低了整个***的可靠性。

发明内容

本发明第一个目的是针对背景技术中并网逆变器存在的缺陷，为提高逆变器的寿命和可靠性，提供一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器。为此，本发明采用以下技术方案：

一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器，它包括一个反激变换器和一个工频极性转换电路；太阳能光伏阵列的输出电压通过一并联在太阳能光伏阵列的输出电压上的输入滤波电容与输出滤波电容和所述反激变换器的输入端相连接；所述反激变换器的输出端口与所述工频极性转换电路相连接；所述反激变换器中设有一个功率解耦电路，所述功率解耦电路输入端与太阳能光伏阵列和输入滤波电容相连接，输出端与所述反激变换器原边相连接。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述的功率解耦电路包括第一解耦开关管、第二解耦开关管、一个解耦二极管、一个解耦电感和一个解耦电容；所述第一解耦开关管和所述解耦电感串联后与太阳能光伏阵列和输入滤波电容连接；所述的解耦电容一端与太阳能光伏阵列的输出电压的正极性端和所述输入滤波电容的一端连接，所述的解耦电容另一端与解耦二极管的正极、所述第二解耦开关管的源极相连接；所述解耦二极管的负极与所述解耦开关管的源极和所述解耦电感的一端相连接，所述解耦电感的另一端与太阳能光伏阵列的输出电压的负极性端和所述输入滤波电容的另一端连接；所述第二解耦开关管的漏极与所有反激变换器原边开关管的漏极连接。

所述反激变换器包括原边开关管、变压器、副边开关管和副边整流二极管；所述反激变压器的原边绕组的同名端与太阳能光伏阵列的输出电压的正极性端和所述输入滤波电容的一端连接，所述反激变压器的原边绕组的非同名端与所述原边开关管的漏极、所述第二解耦开关管的漏极连接；所述原边开关管的源极与所述输入滤波电容的另一端以及太阳能光伏阵列的输出电压的负极性端连接；所述反激变压器的副边绕组的非同名端与所述副边开关管的漏接连接；所述副边开关管的源极与所述副边整流二极管的正极连接；所述副边整流二极管的负极与输出滤波电容的一端和相连接。所述反激变压器的副边绕组的同名端与所述输出滤波电容的另一端连接。

所述工频极性转换电路的输入与所述输出滤波电容相连接。所述工频极性转换电路是由四个开关管构成的全桥逆变电路；所述工频极性转换电路中四个开关管的工频驱动信号，对管驱动同相，上下管驱动反相。

所述输入滤波电容、输出滤波电容及解耦电容为非电解电容。

本发明另一个目的是提供一种上述光伏并网逆变器的控制方法。为此，本发明采用以下技术方案：所述反激变换器的变压器原边励磁电流采用峰值电流控制，将变压器副边输出平均电流调制为正弦半波形状；所述反激变换器的输出电压被电网电压嵌位；所述工频极性转换电路通过极性转换的方法处理所述反激变换器输出的正弦半波电流，并将其并入电网，实现输出正弦并网电流。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

当光伏并网逆变器的输出功率不大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述反激变换器原边开关管开通，所述变压器原边励磁电感按正弦电流基准充磁，随后所述反激变换器原边开关管关断，所述解耦电路工作，所述第一解耦开关管开通，所述解耦电感电流达到解耦峰值电流基准后所述第一解耦开关管关断；所述解耦电感电流经过太阳能光伏阵列，所述解耦电容和所述解耦二极管续流，直至电流降为零；随后所述反激变压器副边开关管导通，变压器存储的能量耦合到副边，通过所述工频极性转换电路释放给电网。

当光伏并网逆变器的输出功率大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述反激变换器原边开关管开通，所发变压器原边励磁电感按固定电流基准充磁，随后所述反激变换器原边开关管关断，所述第二解耦开关管开通，所述解耦电容继续给励磁电感充电，直至正弦电流基准后，所述第二解耦开关管关断，所述变压器副边开关管导通，变压器存储的能量耦合到副边，通过所述工频极性转换电路释放给电网。

当光伏并网逆变器的输出功率不大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述励磁电感的正弦电流基准i_refsin为：

所述解耦电感的解耦峰值电流基准i_decoupling为：

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率，V_pv为太阳能光伏阵列的输出电压值，T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感，L_d为解耦电感，V_d为解耦电容上的瞬时电压。

当光伏并网逆变器的输出功率大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述励磁电感的固定电流基准i_reffix为：

所述解耦电容继续给励磁电感充电时所述正弦电流基准i_refsin为：

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率， T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感。

本发明采用解耦电容通过解耦电路代替原直流母线上的电解电容起到解耦的作用，使解耦电容电压等级高于太阳能光伏阵列的输出电压，允许解耦电容电压大范围波动，从而使解耦电容容量减小，仅需使用非电解电容即可实现功率解耦，从而避免了使用电解电容，延长了微型光伏并网逆变器的使用寿命，提高了可靠性。通过此控制方法，不仅实现了微型光伏并网逆变器输出功率与太阳能光伏阵列输出功率的解耦，而且能够让太阳能光伏阵列输出的直流电压和电流波形保持平缓，保证了太阳能光伏阵列的使用寿命，也有利于实现最大功率点跟踪（MPPT）。

附图说明

图1为本发明的一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器电路原理图。

图2为一个工频周期内并网电压、电流及相应功率波形图。

图3为应用本发明控制方法的高频周期各信号波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细的描述。

参照图1，本发明的一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器10，它包括一个反激变换器101和一个工频极性转换电路103；太阳能光伏阵列20的输出电压通过一并联在太阳能光伏阵列的输出电压上的输入滤波电容与反激变换器101的输入端相连接；反激变换器101的输出端口与输出滤波电容和工频极性转换电路103相连接；反激变换器101中设有一个功率解耦电路102，功率解耦电路102输入端与太阳能光伏阵列20和输入滤波电容相连接，输出端与所述反激变换器101原边相连接。

功率解耦电路102包括第一解耦开关管1021、解耦电感1022、解耦二极管1023、解耦电容1024和第二解耦开关管1025；第一解耦开关管1021和解耦电感1022串联后与太阳能光伏阵列20和输入滤波电容连接；解耦电容1024一端与太阳能光伏阵列20的输出电压的正极性端和输入滤波电容的一端连接，解耦电容1024另一端与解耦二极管1023的正极、第二解耦开关管1025的源极相连接；解耦二极管1023的负极与第一解耦开关管1021的源极和解耦电感1022的一端相连接，解耦电感1022的另一端与太阳能光伏阵列20的输出电压的负极性端和输入滤波电容的另一端连接；第二解耦开关管1025的漏极与反激变换器原边开关管1012的漏极连接。

反激变换器101包括变压器1011、原边开关管1012、副边开关管1013和副边整流二极管；反激变压器1011的原边绕组的同名端与太阳能光伏阵列20的输出电压的正极性端和所述输入滤波电容的一端连接，反激变压器1011的原边绕组的非同名端与所述原边开关管1012的漏极、第二解耦开关管1025的漏极连接；原边开关管1012的源极与输入滤波电容的另一端以及太阳能光伏阵列20的输出电压的负极性端连接；所述反激变压器1011的副边绕组的非同名端与副边开关管1012的漏接连接；1013副边开关管的源极与副边整流二极管的正极连接；副边整流二极管的负极与输出滤波电容的一端和相连接。反激变压器1011的副边绕组的同名端与输出滤波电容的另一端连接。

工频极性转换电路30的输入与输出滤波电容相连接。工频极性转换电路30是由四个开关管构成的全桥逆变电路；所述工频极性转换电路中四个开关管的工频驱动信号；对管驱动同相，上下管驱动反相。

V_PV-太阳能光伏阵列20的直流输出电压；V_g-电网侧电压；T-反激变换器的变压器1011，原副边匝比为1：N；S_m-原边主开关管1012；S₁-第一解耦开关管1021；S₂-第二解耦开关管1025；L_d-解耦电感1022；D_d-解耦二极管1023；C_d-解耦电容1024；S_D-反激变换器副边开关管1013；D_D-反激变换器的副边整流二极管；S_AC1~ S_AC4-极性转换电路103的开关管；C_in-输入滤波电容；C_o-输出滤波电容；L_f-输出滤波器的滤波电感；C_f-输出滤波器的滤波电容；

本发明的光伏并网逆变器10的输入滤波电容、输出滤波电容及解耦电容1024为非电解电容。

参照图2，一个工频周期内，电网电压v_ac（t）、电流i_ac（t）为同相的正弦波，由此产生的瞬时功率为p_ac（t）：

 

  

而太阳能光伏阵列的输出功率为：

这样，输入输出的瞬时值的差值即解耦电路需要处理的功率p_d（t）：

图3为一个工频周期内，变压器励磁电感的电流基准及各开关管的驱动波形。其中，p_pv（t）为太阳能光伏阵列的输出功率，p_ac（t）为光伏逆变器输出到电网的瞬时功率。i₁为太阳能光伏阵列输出的瞬时电流，i_Lm为反激式变换器原边励磁电感的电流，i_s为逆变器副边的瞬时电流，S_m反激式变换器原边开关管的驱动信号，S₁为解耦电路中第一解耦开关管的驱动信号，S₂为解耦电路中第二解耦开关管的驱动信号，S_d为反激式变换器副边开关管的驱动信号。i_refsin为反激式变换器原边励磁电感的正弦电流基准, i_decoupling为解耦电路中解耦电感的解耦峰值电流基准，i_reffix为反激式变换器原边励磁电感的固定电流基准。

当光伏并网逆变器的输出功率不大于太阳能光伏阵列的输出功率时，其控制过程如下：反激变换器原边开关管1012开通，变压器1011原边励磁电感按正弦电流基准i_refsin充磁，随后反激变换器原边开关管1012关断，解耦电路102工作，第一解耦开关管1021开通，解耦电感1022的电流达到电流基准i_decoupling后第一解耦开关管1021关断。解耦电感1022电流经过太阳能光伏阵列20、解耦电容1024和解耦二极管1023续流，直至电流降为零。随后反激变压器副边开关管1013导通，变压器1011存储的能量耦合到副边，通过工频极性转换电路103释放给电网30。励磁电感的正弦电流基准i_refsin为：

解耦电感1022的电流基准i_decoupling为：

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率，V_pv为太阳能光伏阵列的输出电压值，T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感，L_d为解耦电感，V_d为解耦电容上的瞬时电压。

当光伏并网逆变器的输出功率大于太阳能光伏阵列的输出功率时，反激变换器原边开关管1012开通，变压器1011原边励磁电感按固定的电流基准i_reffix充磁，随后反激变换器原边开关管1012关断，第二解耦开关管1025开通，解耦电容1024继续给励磁电感充电，直至原边励磁电流达到正弦电流基准i_refsin后，第二解耦开关管1025关断，变压器副边开关管1013导通，变压器1011存储的能量耦合到副边，通过所述工频极性转换电路103释放给电网30。励磁电感的固定电流基准i_reffix为：

解耦电容1024继续给励磁电感充电时所述正弦电流基准i_refsin为：

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率， T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感。

根据图1所示的带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器，按照上述控制方法，可以将解耦电容容值降低至薄膜电容容值范围内，用长寿命的薄膜电容代替电解电容，从而实现提高微型光伏并网逆变器的寿命的目的。

Claims (9)

1.一种带有功率解耦电路的反激式微型光伏并网逆变器，其特征在于：它包括一个反激变换器和一个工频极性转换电路；太阳能光伏阵列的输出电压通过一并联在太阳能光伏阵列的输出电压上的输入滤波电容与所述反激变换器的输入端相连接；所述反激变换器的输出端口与输出滤波电容和所述工频极性转换电路相连接；所述反激变换器中设有一个功率解耦电路，所述功率解耦电路输入端与太阳能光伏阵列和输入滤波电容相连接，输出端与所述反激变换器原边相连接；

所述的功率解耦电路包括第一解耦开关管、第二解耦开关管、一个解耦二极管、一个解耦电感和一个解耦电容；所述第一解耦开关管和所述解耦电感串联后与太阳能光伏阵列和输入滤波电容并联；所述的解耦电容一端与太阳能光伏阵列的输出电压的正极性端和所述输入滤波电容的一端连接，所述的解耦电容另一端与解耦二极管的正极、所述第二解耦开关管的源极相连接；所述解耦二极管的负极与所述第一解耦开关管的源极和所述解耦电感的一端相连接，所述解耦电感的另一端与太阳能光伏阵列的输出电压的负极性端和所述输入滤波电容的另一端连接；所述第二解耦开关管的漏极与所述反激变换器原边开关管的漏极连接。

2.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述反激变换器包括原边开关管、变压器、副边开关管和副边整流二极管；所述反激变压器的原边绕组的同名端与太阳能光伏阵列的输出电压的正极性端和所述输入滤波电容的一端连接，所述反激变压器的原边绕组的非同名端与所述原边开关管的漏极、所述第二解耦开关管的漏极连接；所述原边开关管的源极与所述输入滤波电容的另一端以及太阳能光伏阵列的输出电压的负极性端连接；所述反激变压器的副边绕组的非同名端与所述副边开关管的漏接连接；所述副边开关管的源极与所述副边整流二极管的正极连接；所述副边整流二极管的负极与输出滤波电容的一端相连接，所述反激变压器的副边绕组的同名端与所述输出滤波电容的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述工频极性转换电路的输入端与所述输出滤波电容相连接，所述工频极性转换电路是由四个开关管构成的全桥逆变电路；所述工频极性转换电路中四个开关管的工频驱动信号，对管驱动同相，上下管驱动反相。

4.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器，其特征在于，所述输入滤波电容、输出滤波电容及解耦电容为非电解电容。

5.根据权利要求1所述的光伏并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述反激变换器的变压器原边励磁电流采用峰值电流控制，将变压器副边输出平均电流调制为正弦半波形状；所述反激变换器的输出电压被电网电压箝位；所述工频极性转换电路通过极性转换的方法处理所述反激变换器输出的正弦半波电流，并将其并入电网，实现输出正弦并网电流。

6.权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述光伏并网逆变器还具有权利要求2的结构；

当光伏并网逆变器的输出功率不大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述反激变换器原边开关管开通，所述变压器原边励磁电感按正弦电流基准充磁，随后所述反激变换器原边开关管关断，所述解耦电路工作，所述第一解耦开关管开通，所述解耦电感电流达到解耦峰值电流基准后所述第一解耦开关管关断；所述解耦电感电流经过太阳能光伏阵列，所述解耦电容和所述解耦二极管续流，直至电流降为零；随后所述反激变压器副边开关管导通，变压器存储的能量耦合到副边，通过所述工频极性转换电路释放给电网。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述光伏并网逆变器还具有权利要求2的结构；

当光伏并网逆变器的输出功率大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述反激变换器原边开关管开通，所述变压器原边励磁电感按固定电流基准充磁，随后所述反激变换器原边开关管关断，所述第二解耦开关管开通，所述解耦电容继续给励磁电感充电，直至正弦电流基准后，所述第二解耦开关管关断，所述变压器副边开关管导通，变压器存储的能量耦合到副边，通过所述工频极性转换电路释放给电网。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于当光伏并网逆变器的输出功率不大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述励磁电感的正弦电流基准i_refsin为：

$i_{\mathrm{ref}\sin }=2\sqrt{\frac{P_{\mathrm{pv}}{T}_s}{L_m}}\left|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\right|$

所述解耦电感的解耦峰值电流基准i_decoupling为：

$i_{\mathrm{decoupling}}=\sqrt{\frac{{2T}_s{P}_{\mathrm{pv}}}{L_d}(1-\frac{V_{\mathrm{pv}}}{V_d})\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)}$

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率，V_pv为太阳能光伏阵列的输出电压值，T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感，L_d为解耦电感，V_d为解耦电容上的瞬时电压。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于当光伏并网逆变器的输出功率大于太阳能光伏阵列的输出功率时，所述励磁电感的固定电流基准i_reffix为：

$i_{\mathrm{reffix}}=\sqrt{\frac{{2P}_{\mathrm{pv}}{T}_s}{L_m}}$

所述解耦电容继续给励磁电感充电时所述正弦电流基准i_refsin为：

$i_{\mathrm{ref}\sin }=2\sqrt{\frac{P_{\mathrm{pv}}{T}_s}{L_m}}\left|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\right|$

其中P_pv为太阳能光伏阵列的输出功率，T_s为反激变换器原边开关管的开关周期，L_m为反激变换器的励磁电感。