CN102904454B - 光伏发电***中高效隔离直流变换器*** - Google Patents

光伏发电***中高效隔离直流变换器*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电***中高效隔离直流变换器***，直流变换器使绝大部分功率通过高效率直流变压器(DCX）传输到母线电压，而小部分功率通过功率补偿器(PVR)传递，即功率补偿器的输出电压即受控电压源电压补偿母线电压与DCX输出电压的差值，当输入电压越高，通过PVR传输的功率就越高，***效率相对偏低，反之，绝大部分功率通过DCX传输，***效率相对较高。其中DCX选择不调压的隔离型变换器，起电压转换和电气隔离的作用，PVR选择隔离型变换器工作在稳压和MPPT两种工作模式,当太阳能电池的最大输出功率大于负载所需功率时,变换器工作在稳压模式；反之，工作在MPPT模式。

Description

光伏发电***中高效隔离直流变换器***
技术领域
本发明涉及一种应用于光伏发电***的高效隔离型直流变换器***结构，属于新能源供电***领域。
背景技术
世界范围内使用化石能源带来的环境问题和传统能源的日益枯竭使太阳能成为本世纪备受瞩目的替代能源，但其也面临着光伏电池板能量转换效率较低的问题，提高光伏发电***的整体效率是有待解决的问题。传统的高频隔离型的光伏并网***，***变换环节复杂，使***效率受到影响，并且存在着直流变换器的工作特点和光伏串输出功率特性没有较好地互补融合的问题。
常用的直流变换器有单级式和两级式发电***。单级式发电***常采用全桥直流变换器，它采用移相控制可以实现软开关，但存在变压器副边占空比丢失现象，对变压器的设计带来一定的复杂性，并且由于输入电压范围较宽，对***的效率有一定影响。两级式发电***通常采用Boost变换器加全桥直流变换器的结构。Boost变换器将太阳能电池的输出电压升到100 V左右，再经过全桥直流变换器可以升压到380 V。由于全桥直流变换器采用移相控制可以实现软开关，并且工作在不可调压状态，所以全桥直流变换器的效率很高，但是全部功率都得通过两级变换器的传输，增加了***功率损耗，其次光伏串输出功率和Boost变换器的工作效率没有配合上，影响了整个***的功率变换效率。
有学者提出一种用于提高采用DC-DC串联DC-AC功率架构的光伏并网发电***在全输入电压范围内效率的功率补偿方法：即用一个与光伏串相串联的受控电压源去补偿光伏串输出电压与直流母线电压的差值，但这种方法对光伏串的输出电压要求较高，且要求功率补偿器器必须是隔离型，但整个***尚未实现隔离，存在漏电流，具有一定的安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有的直流变换器***结构进行研究改进，提出一种应用于光伏发电***的输入并联，输出串联的高效隔离型直流变换器***结构及其控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种光伏发电***中高效隔离直流变换器***，其输入源由光伏电池提供，光伏电池的电压经过DC/DC变换器传输到直流母线上，所述DC-DC变换器由直流变压器DCX与功率补偿器PVR组成；其中光伏电池的电压输出端分别与所述直流变压器DCX的输入端、功率补偿器PVR的输入端连接，所述直流变压器DCX的输出端与功率补偿器PVR的输出端串联后与直流母线连接；其中：
直流变压器DCX采用不可调压控制，当输入电压越高，由直流变压器DCX传输至直流母线的功率占DC-DC变换器总输出功率的比例就越高，由功率补偿器PVR输出的功率用于补偿母线电压与直流变压器DCX输出电压的差值。
进一步的，本发明的光伏发电***中高效隔离直流变换器***，所述直流变压器DCX为起电压转换和电气隔离作用的不调压的隔离型变换器；功率补偿器PVR为起太阳能最大功率点跟踪作用的可调压隔离型变换器。
进一步的，本发明的光伏发电***中高效隔离直流变换器***，所述功率补偿器PVR为反激电路；所述直流变压器DCX由全桥LLC变换器、谐振网络、整流电路组成；具体结构如下：
所述反激电路括第一输入滤波电容、第一开关管、第一隔离变压器、续流二极管、滤波电容；全桥LLC变换器包括第二输入滤波电容、第二至五开关管；谐振网络包括谐振电感、励磁电感、谐振电容；整流电路包括第二至第五二极管、滤波电容；
其中第一输入滤波电容的一端分别与外部输入电压的正极、第一隔离变压器的原边串联后与第一开关管的集电极连接，所述第一开关管的发射极分别与第一输入滤波电容的另一端、外部输入电压的负极连接；所述第一隔离变压器的副边的异名端与续流二极管串联后分别与滤波电容的一端、以及直流母线的输入端连接，所述滤波电容的另一端与第一隔离变压器副边的同名端连接；
所述第二输入滤波电容的一端分别与外部输入电压的正极、第二开关管的集电极、第三开关管的集电极连接，第二输入滤波电容的另一端分别与第四开关管的发射极、第五开关管的发射极、外部输入电压的负极连接；所述第二开关管的发射极分别与第四开关管的集电极、谐振电感的一端连接，所述第五开关管的集电极分别与所述第三开关管的发射极、谐振电容一端连接；
所述谐振电感的另一端分别与第二隔离变压器原边的同名端、励磁电感的一端连接；谐振电容的另一端分别与所述第二隔离变压器原边异名端、励磁电感的另一端连接；
所述第二隔离变压器边的同名端分别与第二二极管的阳极、第四二极管的阴极连接，第二隔离变压器副边的异名端分别与第三二极管的阳极、第五二极管的阴极相连接；所述滤波电容的一端分别所述第二二极管的阴极、第三二极管的阴极连接，所述滤波电容的另一端分别与第五二极管的阳极、第四二极管的阳极以及直流母线的输出端连接。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
通过将高效率直流变压器DCX与功率补偿器PVR输入端并联，输出端串联，绝大部分功率通过高效率的不可调压的直流变压器DCX传输到直流母线上，只有少部分能量通过功率补偿器PVR传送到直流母线，即功率补偿器的输出电压补偿母线电压与直流变压器DCX输出电压的差值，解决了传统DC-DC变换器工作特点和光伏串输出功率特性没有较好地互补融合的问题，提高了整个***的功率变换效率，并且实现太阳能电池的最大功率输出，极大地提高了***的工作效率，作为一个隔离型的直流变换器，也保证了***的安全可靠性。
附图说明
图1是本发明的应用于光伏发电***的输入并联输出串联的直流变换器的***结构框图。
图2是本发明采用的一种应用于光伏发电***的输入并联输出串联直流变换器的电路结构示意图。
图3是本发明直流变换器***结构对其功率补偿器所补偿的功率和工作的效率的要求示意图。
图中标号：1-反激电路；2-全桥LLC变换器；3-谐振网络；4-整流电路；V PV  是太阳能电池输出电压；V R 是功率补偿器PVR输出电压；V DCX 是直流变压器DCX输出电压；I PV 是太阳能电池输出电流；I in 是功率补偿器PVR输入电流；I o 是DC-DC变换器输出电流；C 1、C 2分别是第一、第二输入滤波电容；Q 1、Q 2、Q 3、Q 4、Q 5分别是第一至第五开关管；C 3 、C 8 分别是滤波电容；D R1 、D R2 、D R3 、D R4 、D R5 分别是第一至第五开关管的管体二极管；C 4 、C 5 、C 6 、C 7 分别是第二至第五开关管的管体寄生电容；D 2 、D 3 、D 4 、D 5 分别是第二至第五整流二极管；D 1是续流二极管；T r1 、T r2 分别是第一、第二隔离变压器；L r 是谐振电感；L m 是励磁电感；C r 是谐振电容；V o 是***输出电压；                                               是DC-DC变换器效率；是PVR变换器效率。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明的***结构是：光伏电池经过DC/DC变换器，将功率传输到直流母线上，其中DC-DC变换器由高效率直流变压器DCX与功率补偿器PVR组成，其中直流变压器DCX与功率补偿器PVR的输入端并联，直流变压器DCX与功率补偿器PVR的输出端串联。直流变压器DCX可选择不调压的隔离型变换器起电压转换和电气隔离的作用，例如全桥变换器，半桥变换器，正激电路，反激电路等各种隔离型电路拓扑；功率补偿器PVR同样也可选择全桥变换器，半桥变换器，反激电路，正激电路等。由于直流变压器DCX是不可调压控制，当输入电压固定时，直流变压器DCX的隔离变压器的匝比越大，其传输的功率也越大；因此可通过控制直流变压器DCX的隔离变压器原副边的匝数比，使该***中的直流变换器使绝大部分功率通过高效率直流变压器DCX传输到母线电压，而小部分功率通过功率补偿器PVR传递，即功率补偿器PVR的输出电压补偿母线电压与直流变压器DCX输出电压的差值。输入电压越高，直流变压器DCX传输功率的比例越高，***效率也越高。
实现***稳压和MPPT两种工作模式的切换, 当太阳能电池的最大输出功率小于负载所需功率时, 直流变换器工作在MPPT模式，使太阳能电池输出最大功率，母线电压由后级电路或负载控制使之稳定；反之，其工作在稳压模式，保证直流母线电压恒定。
图2为本发明的具体电路，包括反激电路1、全桥LLC变换器2、谐振网络3、整流电路4。其中反激电路1的输入端与全桥LLC变换器2的输入端并联，反激电路1的输出端与整流电路4的输出端串联。
参见图2所示，反激电路1由输入滤波电容依次串联的开关管Q 1 、隔离变压器T r1 、二极管D 1 、滤波电容C 3 构成。
全桥LLC变换器2由四个开关管Q 2 、Q 3 、Q 4 、Q 5 组成，其中四个开关管为MOSFET。
谐振网络3由谐振电感L r 、励磁电感L m 和谐振电容C r 组成。隔离变压器T r2 实现隔离和改变电压的作用。
整流电路4是由四个整流二极管D 2 、D 3 、D 4、 D 5 组成。
为了充分利用太阳能，最大限度发挥太阳能电池的效用，必须使太阳能电池时刻工作在最大功率点，即需要采用最大功率点跟踪技术。目前太阳能电池最大功率点跟踪技术控制算法有很多种，本发明采用扰动观察法(Perturbation & Observation，P&O)。
图3给出了所提出的光伏并网发***对其功率补偿器所补偿的功率和工作的效率的要求。可见，光伏串输出电压越低，功率补偿器补偿的功率就越大，要求其功率转换效率就越高。反之，输出电压越高，功率补偿器补偿的功率就越小，要求其功率转换的效率就越低。
本发明的一个具体实例如下：
太阳能光伏电池输入直流电压：V PV =30~38V；
输出直流母线电压：V o =380V；输出功率：P o =1kW；
直流变压器DCX即全桥LLC变换器2的开关频率：f s =120kHz；谐振频率：f r =120kHz；谐振电感：L r =1.13uH；谐振电容：C r =1uF；励磁电感：L m =7.78uH；第二隔离变压器T r2 原副边变比：1:10；开关管 Q 2 、Q 3 、Q 4 、Q 5 ：IPP030N10N3G；
直流变压器DCX输出电流：I o_LLC =2.6A；整流二极管 D R5、D R6、D R7、D R8：IDT10S60C。
功率补偿器PVR即反激电路1开关频率：f s =50kHz；第一隔离变压器Tr 1 原副边变比：1：1；开关管Q 1 ：IPP200N25N3G；电感：L=163uH；续流二极管 D 1 ：STPS101700C。
由以上描述可知，本发明提出的应用于光伏发电***的输入并联输出串联的直流变换器***结构及能量管理控制，具有如下优点：
***将直流变压器DCX与功率补偿器PVR输入端并联，输出端串联，使绝大部分功率通过高效率直流变压器DCX传输到母线电压，而小部分功率通过功率补偿器PVR传递，即功率补偿器PVR的输出电压补偿母线电压与直流变压器DCX输出电压的差值，解决了传统直流变换器工作特点和光伏串输出功率特性没有较好地互补融合的问题，提高了整个***的功率变换效率，并且作为一个隔离型的直流变换器，保证了***的安全可靠性。
本发明***中，为了实现***的高效隔离，直流变压器DCX可选择不调压的隔离型变换器起电压转换和电气隔离的作用，例如全桥变换器，半桥变换器，正激电路，反激电路等各种隔离型电路拓扑；功率补偿器PVR同样也可选择全桥变换器，半桥变换器，正激电路等，可以根据不同的应用背景选择适合的电路拓扑。
本发明可以工作在两种工作模态，在一定的输入电压范围内高效工作，在保证负载正常稳定工作的前提下，充分地利用太阳能。

Claims (1)

1.一种光伏发电***中高效隔离直流变换器***，其输入源由光伏电池提供，光伏电池的电压经过DC/DC变换器传输到直流母线上，其特征在于：所述DC-DC变换器由直流变压器DCX与功率补偿器PVR组成，所述直流变压器DCX为起电压转换和电气隔离作用的不调压的隔离型变换器；功率补偿器PVR为起太阳能最大功率点跟踪作用的可调压隔离型变换器；其中光伏电池的电压输出端分别与所述直流变压器DCX的输入端、功率补偿器PVR的输入端连接，所述直流变压器DCX的输出端与功率补偿器PVR的输出端串联后与直流母线连接；其中：
直流变压器DCX采用不可调压控制，当输入电压越高，由直流变压器DCX传输至直流母线的功率占DC-DC变换器总输出功率的比例就越高，由功率补偿器PVR输出的功率用于补偿母线电压与直流变压器DCX输出电压的差值；
所述功率补偿器PVR为反激电路(1)；所述直流变压器DCX由全桥LLC变换器(2)、谐振网络(3)、整流电路(4)组成；具体结构如下：
所述反激电路(1)包括第一输入滤波电容(C1)、第一开关管(Q1)、第一隔离变压器(Tr1)、续流二极管(D1)、第一滤波电容(C3)；全桥LLC变换器(2) 包括第二输入滤波电容(C2)、第二至五开关管(Q2、Q3、Q4、Q5)；谐振网络(3)包括谐振电感(L r )、励磁电感(L m )、谐振电容(C r )；整流电路(4)包括第二至第五二极管（D 2 、D 3 、D 4 、D 5 ）、第二滤波电容(C 8 )；
其中第一输入滤波电容(C1)的一端分别与外部输入电压的正极、第一隔离变压器(Tr1)的原边串联后与第一开关管(Q1)的集电极连接，所述第一开关管(Q1)的发射极分别与第一输入滤波电容(C1)的另一端、外部输入电压的负极连接；所述第一隔离变压器(Tr1)的副边的异名端与续流二极管(D1)串联后分别与第一滤波电容(C3)的一端、以及直流母线的输入端连接，所述第一滤波电容(C3)的另一端与第一隔离变压器(Tr1)副边的同名端连接；
所述第二输入滤波电容(C2)的一端分别与外部输入电压的正极、第二开关管(Q2)的集电极、第三开关管(Q3)的集电极连接，第二输入滤波电容(C2)的另一端分别与第四开关管(Q4) 的发射极、第五开关管(Q5)的发射极、外部输入电压的负极连接；所述第二开关管（Q2）的发射极分别与第四开关管(Q4)的集电极、谐振电感(L r )的一端连接，所述第五开关管（Q5）的集电极分别与所述第三开关管(Q3)的发射极、谐振电容(C r )一端连接；
所述谐振电感(L r )的另一端分别与第二隔离变压器(Tr 2 )原边的同名端、励磁电感(L m )的一端连接；谐振电容(C r )的另一端分别与所述第二隔离变压器(Tr 2 )原边异名端、励磁电感(L m )的另一端连接；
所述第二隔离变压器(Tr 2 )副边的同名端分别与第二二极管（D 2 ）的阳极、第四二极管（D 4 )的阴极连接，第二隔离变压器(Tr 2 )副边的异名端分别与第三二极管(D 3 )的阳极、第五二极管（D 5 )的阴极相连接；所述第二滤波电容(C8)的一端分别所述第二二极管（D 2 ）的阴极、第三二极管（D 3 ）的阴极连接，所述第二滤波电容(C8)的另一端分别与第五二极管（D 5 ）的阳极、第四二极管（D 4 ）的阳极以及直流母线的输出端连接。
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