CN103929078A - 一种双母线正激式微逆变器前端电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光伏并网发电技术中的双母线正激式微逆变器前端电路及其控制方法，变压器的副边绕组同名端连接第一二极管的阳极，第一二极管阴极分别连接于储能电感一端、第二开关管的漏极和第四二极管阴极，储能电感的另一端连接第三开关管的漏极和第二二极管阳极，第二二极管阴极连接第五开关管的漏极，第五开关管源极分别连接薄膜电容的正极和第四开关管的漏极，第四开关管的源极分别连接于第二开关管的源极、第四二极管的阳极、第三二极管的阴极和滤波电感的一端；将直流电转换为整流正弦半波，经后级电路展开后即可转换为交流电，能大幅度减小解耦电容容量，微逆变器可采用薄膜电容，延长了光伏***的使用寿命，提高了***的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光伏并网发电技术领域，特别涉及一种双母线正激式微逆变器前端电路及其控制方法。
背景技术
光伏并网发电是解决世界能源危机的手段之一。现有装置中光伏器件广泛采用串联、并联或者串并联的形式，***不仅不易扩充，而且组件特性差异、局部阴影等问题还会导致光伏阵列输出功率大幅度下降。微逆变器能有效解决上述问题，限于结构及工作原理，其需要大容量电解电容用于功率解耦，但是其较短的工作寿命，高温下特性变差等缺点导致微逆变器可靠性变差。为解决该问题，采用可以在高温下长时间稳定工作的薄膜电容，但是薄膜电容价格较高，从成本角度考虑微逆变器只能采用小容量薄膜电容。两级或多级式微逆变器解耦电容较小，但器件多、效率低是它无法克服的缺点。对于单级微逆变器而言，有源功率解耦电路可以大幅度减小解耦电容容量，但是反激式微逆变器不利于功率密度的提高，变压器的设计及制作也比较复杂。将有源解耦电路引入Boost变换器，无变压器结构虽然有利于***效率的提高，可是对光伏器件供电电压变化要求较高。高增益DC-DC变换器可以在输入电压变化幅度较大的情况下满足逆变器并网工作，但复杂的结构和控制算法使其不适于用于价格敏感的微逆变器。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述电路的缺陷，提出一种基于正激式变换器的双母线微型逆变器前端电路及其控制方法，可将直流电转换为整流正弦半波，经后级电路展开后即可转换为交流电。它采用薄膜电容作为解耦器件，能够提高逆变器使用寿命。
本发明双母线正激式微逆变器前端电路采用的技术方案是：包括正激变换器和有源功率解耦电路，有源功率解耦电路与负载相连，正激变换器与光伏器件相连，其特征是：光伏器件输入源的正极分别连接于光伏侧滤波电容的正极和变压器的原边绕组的同名端，光伏器件输入源的负极连接光伏滤波电容的负极和第一开关管的源极，变压器的原边绕组的异名端连接第一开关管的漏极，变压器的副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接于储能电感的一端、第二开关管的漏极和第四二极管的阴极，储能电感的另一端连接第三开关管的漏极和第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接第五开关管的漏极，第五开关管的源极分别连接薄膜电容的正极和第四开关管的漏极，第四开关管的源极分别连接于第二开关管的源极、第四二极管的阳极、第三二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接输出侧滤波电容的正极和负载的一端，负载的另一端和输出侧滤波电容的负极、第三二极管的阳极、薄膜电容的负极、第三开关管的源极和变压器的副边绕组的异名端相连。
本发明双母线正激式微逆变器前端电路的控制方法采用的技术方案是：当光伏器件功率大于微逆变器输出功率时，第一开关管和第二开关管同时导通，第四开关管一直导通；当第二开关管关断时，第三开关管导通直至第一开关管关断；当光伏器件功率小于等于微逆变器输出功率时，第三开关管和第五开关管始终关断，第一开关管和第二开关管同步工作，当第一开关管和第二开关管都关断时开通第四开关管，当微逆变器的输出电流与参考电流相等时关断第四开关管。
本发明采用上述技术方案后具有的技术效果是：
（1）本发明双母线正激式微逆变器前端电路可将直流电转换为整流正弦半波，经后级电路展开后即可转换为交流电，能大幅度减小解耦电容容量，从而微逆变器可采用薄膜电容，延长了光伏***的使用寿命，提高了***的稳定性。
（2）本发明克服了两级或多级式微逆变器器件多、效率低的缺点，相比于反激式微逆变器它的功率密度得到了提高。
（3）本发明双母线正激式微逆变器前端电路的控制方法是基于传统的SPWM调制，易于实现。
（4）基于正激变换器的微逆变器拓扑变压器绕制方便，便于推广使用，更加适合不断增加的光伏器件额定输出功率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明一种双母线正激式微逆变器前端电路结构图；
图2为图1所示电路的主要工作波形图；
图3~图6是图1所示电路在各开关模态下的等效电路图；
图1~图6中的符号名称： 为光伏器件；为光伏输入电压；为输出电压；为光伏侧滤波电容；和分别为变压器的原边绕组和副边绕组；、、、及分别为第一、第二、第三、第四和第五开关管；、、及分别是第一、第二、第三和第四二极管；为薄膜电容；为储能电感、为滤波电感；为输出侧滤波电容；为负载；、、分别为变压器原边励磁电流、储能电感工作电流、滤波电感工作电流；、、、为时间。
具体实施方式
参见图1，本发明一种双母线正激式微逆变器前端电路由原边电路、副边电路和隔离变压器构成，其中原边电路与光伏器件相连，由正激变换器构成，正激变换器与光伏器件相连，副边由有源功率解耦电路与负载相连。其中，正激变换器由变压器、第一开关管、第一二极管构成；功率解耦电路由储能电感、第二二极管、第三二极管、薄膜电容以及第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管构成，薄膜电容用于存储、释放能量，分别控制第二开关管、第四开关管为后级电路供电，即双母线结构。
光伏器件的输入电压，输出电压，光伏器件输入源的正极分别连接于光伏侧滤波电容的正极和变压器的原边绕组的同名端，光伏器件输入源的负极连接光伏滤波电容的负极和第一开关管的源极，变压器的原边绕组的异名端连接第一开关管的漏极，变压器的副边绕组的同名端连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极分别连接于储能电感的一端、第二开关管的漏极和第四二极管的阴极，储能电感的另一端连接第三开关管的漏极和第二二极管的阳极，第二二极管的阴极连接第五开关管的漏极，第五开关管的源极分别连接薄膜电容的正极和第四开关管的漏极，第四开关管的源极分别连接于第二开关管的源极、第四二极管的阳极、第三二极管的阴极和滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接输出侧滤波电容的正极和负载的一端，负载的另一端和输出侧滤波电容的负极、第三二极管的阳极、薄膜电容的负极、第三开关管的源极和变压器的副边绕组的异名端相连。
本发明所述双母线正激式微逆变器前端电路的控制方法是根据光伏器件功率和逆变器输出功率的大小关系，有两种不同的控制方法：当光伏器件功率大于逆变器输出功率时，第一开关管和第二开关管同时导通，第一开关管用于控制光伏器件最大输出功率，第一开关管的占空比仅与光伏器件最大功率点跟踪控制有关，第二开关管的占空比和逆变器的输出与参考电流的大小关系有关，第四开关管一直导通，当第二开关管关断时，第三开关管导通直至第一开关管关断。当光伏器件功率小于等于逆变器输出功率时，第三开关管和第五开关管始终关断，第一开关管和第二开关管同步工作，当第一开关管和第二开关管都关断时开通第四开关管，当逆变器的输出电流与参考电流相等时，关断第四开关管。
根据附图1和上述分析可知，本发明所述一种双母线正激式微逆变器前端电路能够根据光伏器件的功率和逆变器输出功率的大小关系，在解耦电路作用下薄膜电容能进行有效功率解耦。
假设变压器原、副边绕组的匝数比满足1:n，同时假设输出滤波电容足够大，输出电压为平滑的直流，负载的电压为。下面结合图2~图6对本发明双母线正激式微逆变器前端电路的具体工作过程和控制方法进行描述，所述双母线正激式微逆变器前端电路的主要工作波形如图2所示，为变压器原边励磁流，为储能电感电流，为滤波电感电流。根据光伏器件输出功率、逆变器输出功率大小，微逆变器控制分为两种模式：第一种模式是：光伏器件功率大于微逆变器输出功率，第二种模式是：光伏器件功率小于等于微逆变器输出功率。
第一种模式：当光伏器件功率大于微逆变器输出功率时：
在[]时间阶段，如图2(a)：时刻，第一开关管、第二开关管同时导通，变压器原边励磁电流从零线性上升到设定值，即第一个峰值后第二开关管关断，等效电路如附图3所示：光伏器件经第一开关管和变压器的原边相连，通过变压器的副边经第一二极管和第二开关管将能量传递给负载（参见图3的虚线箭头线所示）。可得公式（1）：
（1）
上式中是微逆变器输出电压，是第一开关管的占空比，变压器原、副边绕组的匝数比=1:n， 是光伏器件的输出电压，是滤波电感的感值，为开关周期，是工作的参考电流，其根据逆变器输出功率变化，故随之变化。
该阶段光伏器件输出能量等于负载获得能量，根据能量平衡定律可得：
（2）
上式中为微逆变器输出功率，是第一开关管的占空比， 为光伏器件功率，为开关周期，设光伏器件输出功率不变，则随增加而变大。
在[]时间阶段：时刻第三开关管导通。等效电路如附图4所示：光伏器件经第一开关管和变压器的原边相连，通过变压器的副边经第一二极管和第三开关管将能量存储在电感中。励磁电流工作条件发生变化，具体见公式（3）。当光伏器件输出电流达到设定值（最大输出功率点对应工作电流）时，第一开关管和第一开关管同时关断。
（3）
上式中是第二开关管的占空比，变压器原、副边绕组的匝数比为1:n， 是光伏器件的输出电压，为储能电感的感值，为开关周期，根据逆变器输出功率变化变压器原边励磁电流上升到第二个峰值点。
在 []时间阶段：仅第五开关管导通，电感中的能量经、、及反向并联二极管转移到电容中，吸收能量会导致电容电压上升。等效电路如附图5所示：电感存储的能量经第二二极管、第五开关管、第三二极管、及第四二极管传递到电容中，由于该模式下电容不输出能量，电容电压显著增加直至电流降为零。
（4）
上式中变压器原、副边绕组的匝数比为1:n，为储能电感的感值，为薄膜电容的容值， 为变压器原边励磁电流的第二个峰值点，、分别对应、时刻两端电压。
第二种模式：当光伏器件功率小于等于微逆变器输出功率时：
该模式下光伏器件提供功率小于电路输出功率，所需剩余能量由储能电容提供，具体工作过程如下：
[]时间阶段：第一开关管、第二开关管在时刻同时导通，光伏器件输出电流和励磁电流逐步增加，当光伏器件达到最大功率点同时关断。该过程光伏器件能量直接传递给负载。等效电路如附图3所示：光伏器件经第一开关管和变压器的原边相连，通过变压器的副边经第一二极管和第二开关管将能量传递给负载，该阶段励磁电流依然满足公式（1），与第一种模式不同的是变压器传递给二次侧的功率等于光伏器件最大输出功率，故第一开关管的导通时间不变，峰值电流维持稳定。
[]时间阶段：等效电路如附图6所示：薄膜电容经第四二极管，滤波电感向负载放电。时刻仅开通第四开关管，其余可控性器件关断。电容根据逆变器输出功率将能量输送到负载中，如下列公式所示。该式表明，由于光伏器件输出功率稳定，输出功率与电网角频率有关，应工作在SPWM调制下。
（5）
上式中为光伏器件功率，为薄膜电容输出功率，、分别是微逆变器输出电压、电流，为电网角频率。
Claims (4)
1.一种双母线正激式微逆变器前端电路，包括正激变换器和有源功率解耦电路，有源功率解耦电路与负载相连，正激变换器与光伏器件相连，其特征是：光伏器件输入源的正极分别连接于光伏侧滤波电容（ ）的正极和变压器的原边绕组的同名端，光伏器件输入源的负极连接光伏滤波电容（）的负极和第一开关管（）的源极，变压器的原边绕组的异名端连接第一开关管（）的漏极，变压器的副边绕组的同名端连接第一二极管（）的阳极，第一二极管（）的阴极分别连接于储能电感（）的一端、第二开关管（）的漏极和第四二极管（）的阴极，储能电感（）的另一端连接第三开关管（）的漏极和第二二极管（）的阳极，第二二极管（）的阴极连接第五开关管（）的漏极，第五开关管（）的源极分别连接薄膜电容（）的正极和第四开关管（）的漏极，第四开关管的源极（）分别连接于第二开关管（）的源极、第四二极管（）的阳极、第三二极管（）的阴极和滤波电感（）的一端，滤波电感（）的另一端连接输出侧滤波电容（）的正极和负载的一端，负载的另一端和输出侧滤波电容（）的负极、第三二极管（）的阳极、薄膜电容（）的负极、第三开关管（）的源极和变压器的副边绕组的异名端相连。
2.一种如权利要求1所述双母线正激式微逆变器前端电路的控制方法，其特征是：
当光伏器件功率大于微逆变器输出功率时，第一开关管（）和第二开关管（）同时导通，第四开关管（）一直导通；当第二开关管（）关断时，第三开关管（）导通直至第一开关管（）关断；
当光伏器件功率小于等于微逆变器输出功率时，第三开关管（）和第五开关管（）始终关断，第一开关管（）和第二开关管（）同步工作，当第一开关管（）和第二开关管（）都关断时开通第四开关管（），当微逆变器的输出电流与参考电流相等时关断第四开关管（）。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当光伏器件功率大于逆变器输出功率时：在时间段，时刻，第一开关管（）、第二开关管（）同时导通，变压器原边励磁电流从零线性上升到设定值后第二开关管（）关断，光伏器件经第一开关管（）和变压器的原边相连，通过变压器的副边经第一二极管（）和第二开关管（）将能量传递给负载；
在时间段：时刻第三开关管（）导通，光伏器件经第一开关管（）和变压器的原边相连，通过变压器的副边经第一二极管（）和第三开关管（）将能量存储在储能电感（）中；当光伏器件输出电流达到设定值时第一开关管（）和第一开关管（）同时关断；
在时间段：仅第五开关管（）导通，储能电感（）中的能量经第一、第三二极管（、）、第五、第二开关管（、）转移到薄膜电容（）中。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：当光伏器件功率小于等于微小逆变器输出功率时：在时间段：第一开关管（）、第二开关管（）在时刻同时导通，当光伏器件达到最大功率点同时关断，光伏器件能量直接传递给负载；在时间段：薄膜电容（）经第四二极管（）、滤波电感（）向负载放电；时刻仅开通第四开关管（），薄膜电容（）将能量输送到负载。
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