CN103095163A - 高位差储能光伏逆变器 - Google Patents

Abstract

高位差储能光伏逆变器是用于光伏发电领域，把光伏发出的直流电逆变为工频交流电。传统的光伏逆变器对输入直流电与交流电直接的功率差，采用最前级的大电容储能滤波。这种方法在低电压输入的小型或微型光伏逆变中，由于前级的储能电容要求容量大，所以当前只有采用电解电容。但电解电容有工作温度范围窄，寿命短等缺点。本发明采用恒功率传输推高电路和高位差储能电容的构造解决了这个问题。本发明省略了位于前端的低电压、小波动的低频储能电解电容，从而大大扩宽了逆变器的控制温度范围和使用寿命。

Description

高位差储能光伏逆变器

技术领域

本发明属于新能源中的光伏发电领域，是实现光伏发出的直流电变成交流电，即逆变中的一种技术。

背景技术

当前光伏发电技术中，逆变器是核心环节之一，它的可靠性和寿命至关重要。现在一般光伏电池板的寿命达到了20年以上，但当前逆变器做到这么长的寿命比较困难或者成本太高。逆变器中，尤其是在小型和微型逆变器中，寿命的最薄弱环节是铝电解电容，铝电解电容的寿命在105摄氏度下是10000小时以下，温度每降低10度寿命增加一倍。但由于逆变器是功率转换器件，自身有能量消耗，能量消耗导致温度上升，温度上升导致寿命缩短。所以要降低温度，就需要提高效率或增加散热。但当效率提高到一定程度，要进一步提高效率的话，代价将成指数增加，必须采用昂贵的器件和一些复杂电路(比如软开关电路等)。如果增加散热，就要增加风扇或水冷等。这些又大大增加了产品的成本和复杂度。那为什么要用铝电解电容呢？原因如下：

光伏电池的PV特性导致了，只有当***在特定的电压点时才能发出最多的电，PV特性参考图4。所以为了发出最多的电，逆变器的输入工作电压恒定的工作在最大功率点电压比较合适，这样光伏能持续的按照最大功率发电。但光伏逆变器输出的是工频电，输出的功率是以两倍工频波动的，参考图2、图3、图4。光伏逆变器从暂态看，输入功率是相对稳定的(图4中的P_pv)，输出功率是以两倍工频波动的(图4中的P_out)，所以在逆变器中必定有以两倍工频吸收和释放的储能元件。图4中P_pv下部的阴影部分是逆变器中储能元件吸收的能量，P_pv上部的阴影部分是逆变器中储能元件释放的能量。图2是传统光伏逆变器简化示意图，其中C_in是储能电容。现在出现的光伏逆变器的两倍工频储能元件都是用最前级的电容C_in完成。电容的能量储存为C*U²/2，在电容不变的情况下，能量靠电压的变化储存和释放的。所以要保证PV在固定的电压点附近工作，发出最多的电，就必须保证光伏电压波动很小，即储能电容C_in的电压波动很小。储能电容C_in经过推导和实验得知：

C_in≈K×P_pv/(V_pv×ΔV_in)              公式1

上式中K为一个与输出频率相关的常数，当输出频率为50hz时K≈0.0032。

波动电压(图1中的ΔV_in)越小，光伏发电效率越高，但根据公式1得知，这要求储能电容C_in越大；V_pv越小，也要求储能电容越大。比如，一个光伏组件的最佳工作电压是25V，输出功率是200W，要求光伏电压波动ΔV_in小于1V，连接它的微逆变器的输入侧储能电容则为：200/(314×25×1)≈25.6mF。25.6mF的电容，以现在的工业水平只有锅电解电容比较合适。这就是为什么当前的光伏逆变器，尤其是小型和微型的光伏逆变器(因为输入电压低)，普遍选用铝电解电容。因为这么大容量其他类型的电容太贵了。

由于采用了铝电解，导致逆变器的工作温度范围受限，寿命不容易保证，而且为了解决热的问题增加了许多成本。

发明内容

本发明解决了上述问题，采用的方法是在逆变器前级用一个恒功率传输电压推高电路和一个高位差储能电容C_m代替原来的位于前级的储能电容C_in。即整个逆变器有三部分组成：恒功率传输电压推高电路、高位差储能电容和DC/AC电路。在稳态时，恒功率传输电压推高电路用高频开关电路把光伏发出的电能以在工频周期内恒定的功率推送到位于中间的高位差蓄能电容C_m和后级逆变电路。参考图5和图6。恒功率传输电压推高电路推送的功率即为光伏的发电功率，即逆变器工频交流输出的平均功率，这里所谓的恒功率并不是绝对的恒定不变，只是在工频周期内，不是以工频或两倍工频波动的，与逆变器的暂态输出功率相比是相对恒定的(请参考图7，P_t为恒功率传输电路的传输功率，P_out为逆变器的暂态输出功率)；但从长时间看，它当然是随逆变器的平均输出功率变化的。高位差储能电容C_m以比光伏输出电压较高的电压和电压波动缓冲工频交流的输出功率波动，参考图6中的高位差储能电容的C_m电压V_m波形。由于有恒功率传输电压推高电路的隔挡，高位差储能电容C_m的电压波动ΔV_m不影响光伏发电电压，也就不影响光伏的发电效率，所以C_m可以有较大的电压波动ΔV_m。之所以C_m被称之为高位差电容是因为它的电位V_m较光伏电压V_pv高，并且位差ΔV_m也可以很大。为了储存和平抑逆变器工频交流输出的功率波动，C_m的容值选择与C_in类似：

C_m≈K×P_pv/(V_m×ΔV_m)                   公式2

上式中K与公式1中相同，当逆变器输出频率为50hz时，K≈0.0032。

比较公式1和公式2，就可以得知：由于V_m、ΔV_m较V_in、ΔV_in可以大很多，所以C_m就可以比C_m小很多。这样实现同样的蓄能，采用本发明的技术以后就可以采用容值小很多的电容了。由于电容量小了，就可以避免使用电解电容了，采用长寿命的薄膜电容就可以了。

当然所谓恒功率传输电压推高电路只是在运行条件、工频负载等不变的情况是恒功率的，是在工频周期中相当逆变器工频输出的功率波动是恒定的。由于恒功率传输电压推高电路是有高频开关电路实现，从高频是看，也可能会是波动的，实时波动的幅度很小频率很高，从工频看就近似是恒定的了。这里所谓的高频是指10KHz以上的频率。

本发明从框架结构上很像传统光伏逆变的两级结构，参考图5和图8，但他们实质是不同的。本发明中的恒功率电压推高电路与传统两级结构的光伏逆变器的区别是：

1.本发明中的恒功率传输电压推高电路向后级传送的功率，在环境和工频负载没有改变时，在工频周期内向输送的功率是恒定的；而传统两级结构的光伏逆变器中的升压DC/DC，从工频周期内观察，向后级传输的是与逆变器输出功率相同，是以两倍工频的频率波动的。参考图7和图9，

2.本发明中的恒功率传输电压推高电路的控制策略从工频周期内观察是向后级输送恒定的功率为目的的；而传统两级结构的光伏逆变器中的升压DC/DC的控制策略从工频周期内观察是为后级提供相当稳定的电压为目的的

3.本发明中的逆变器输出功率的两倍工频波动的能量缓冲是由恒功率电压推高电路的后级电容C_m的电压波动实现的；而传统两级结构的光伏逆变器，平抑逆变器输出功率的两倍工频波动是由位于前级的C_in电压波动实现的

本发明的有益效果主要是大大缩小了平抑逆变器功率输出波动的储能电容容量需求，从而避免了使用寿命短、对温度敏感的电解电容。由于不需要使用电解电容了，所以克服了传统光伏逆变器，尤其是低电压输入的微型、小型光伏逆变器的寿命和可靠性瓶颈，大大提高了光伏逆变器的寿命和工作温度范围。另外，由于把平抑输出功率的两倍频波动的储能电容从最前端移到逆变器的中部，并且恒功率传输电压推高电路是恒定功率把光伏的发电功率推送到高位差储能电容上的，从而大大减小了光伏电压输出的波动，可以更有效率的完成光伏电池的最大功率点发电，提高光伏的发电效率。

附图说明

本说明书有11个附图：

图1，光伏发电的功率电压特性；

图2，传统光伏逆变器示意图；

图3，传统光伏逆变器电压电流曲线；

图4，传统光伏逆变器功率电压曲线；

图5，本发明的光伏逆变器原理示意图

图6，本发明的光伏逆变器电压电流曲线；

图7，本发明的光伏逆变器功率电压曲线；

图8，传统两级结构的光伏逆变器方框图；

图9，传统两级结构的光伏逆变器功率电压曲线；

图10，本发明的光伏逆变器实施例示意图；

图11，本发明的光伏逆变器实施例示意图；

具体实施方式

图10是使用本发明的原理实现一个输出50Hz/220V微逆变器的例子。这里分析稳态情况：在某温度和日照下，光伏组件输出的最大功率点工作电压为25V，电流为8A，发电功率为200W。图10中恒功率传输电压推高电路采用无隔离的类boost电路，图中的C_i为高频蓄能电容，C_m电为低频高位差蓄能电容，Q1为高频MOSFE开关。C_i为高频蓄能电容，它是为了平抑恒功率传输电压推高电路中高频功率波动用的，由于工作频率很高，每次储能的时间很短，所以储能量小，所以容量要求也小。本例中如果开关频率为100KHz，恒功率传输200瓦，工作电压25V的话，光伏电压波动允许0.5V的话，C_i为的容量为10uF就足够了。甚至，如果L1选用电感量比较大的话C_i也可以不用。图10中，控制电路没有画出。控制电路不断调整Q1开关信号的频率和占空比，保证通过本部分电路的传输功率恒定为逆变器的平均输出功率。图11是本例中的一些关键信号的电压电流，由于低频蓄能电容从最前级移到了中级，所以光伏的发出的电压电流在工频周期内是稳定的，而高位差蓄能电容C_m的电压以两倍工频的频率在120V～160V之间波动。

图10中，恒功率电压推高电路采用了无隔离的类boost拓扑，当然也可以根据需要采用非隔离或带高频隔离的其他拓扑结构，比如CUK、SEPIC，反激拓扑、正激、推挽、桥式等拓扑电路。这里采用简单的非隔离boost只是为了说明本发明的原理。这里的类boost电路，与传统的两级结构光伏逆变器的前级boost使用方式不同的，传统的两级结构光伏逆变器前级boost是为了给后级提高一个高于交流输出电压峰值的V_out-peak的稳定电压，整个逆变器的低频蓄能还是在最前端的C_in；而这里的恒功率电压推高电路的类boost电路是为了把光伏发出的电以恒定功率推送到高位差储能电容C_m上，整个逆变器的低频蓄能是在位于中段的C_m。

如前文所知，如果采用传统光伏逆变器结构(如图2，图8)，如果要求光伏输出电压的抖动的1V之内，则根据公式1，输入侧蓄能电容要至少为25.5mF。如果采用本发明的原理实现的光伏逆变器，则低频蓄能电容转移到了恒功率传输电压推高电路的后级C_m上了，如果这里设计C_m的电压波动为图11中的大小，则根据公式2，高位差储能电容C_m的容值为0.23mF。0.23mF相比25.6mF小了两个数量级。根据当前的产业能力，比较经济的实现25.5mF的电容容量只有铝电解电容比较合适，实现这么大电容容量其他类型的电容就太贵了。但如果实现0.23mF的电容，就可以采用工作温度范围宽、寿命长的薄膜电容了。

Claims (3)

1.高位差储能光伏逆变器，是一种把光伏发出的直流电转换成工频交流电的产品，其特征在于它是由恒功率传输电压推高电路、高位差储能电容和后级的DC/AC变换电路组成，在***稳态时，恒功率传输电压推高电路把光伏发出的电能用高频开关电路以恒定的功率推向后级，而高位差储能电容的电压以两倍工频的频率波动来平抑逆变器工频输出的在工频周期内的功率波动。

2.如权利要求1所述的高位差储能光伏逆变器其特征在于以两倍工频波动的交流输出功率与光伏发出的直流稳定功率之间的差主要是由位于中部的高位差储能电容以两倍工频的频率的电压波动来平抑的，即整个逆变器的低频储能电容位于逆变器的中部。

3.如权利要求1所述的高位差储能光伏逆变器其特征在于其中的恒功率传输电压推高电路的高频开关控制策略是以相对恒定的功率传输为主要目的的，不是以为后级提供一个相对高的稳定电压为主要目的的。

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