CN109412182B - 一种模块化无电解电容的光伏能量***及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化无电解电容的光伏能量***及其调制方法，***包括一体化光伏变换模块和经波动直流母线连接的光伏***主体模块；所述一体化光伏变换模块为即插即用式，由多个光伏电池和多个单相DC/DC变换器构成，每个所述光伏电池单独连接一个所述单相DC/DC变换器；所述光伏***主体模块由高功率密度储能模块和单相逆变模块构成，所述单相逆变模块的输入端与所述波动直流母线的输入端连接，所述波动直流母线的输出端接入电网。本发明的***及调制方法能够延长光伏***的使用寿命，提高***效率。

Description

一种模块化无电解电容的光伏能量***及其调制方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种模块化无电解电容的光伏能量***及其调制方法。
背景技术
自从十二五、十三五规划以来，国家越来越重视可再生能源技术的发展与应用，在现有的能源发电***中，太阳能发电在可再生能源中占有很大的比重，也因其无污染、资源丰富无限的特点，而具有广阔的前景，使得光伏电池也成为新的能量设备，但是由于光伏发电的波动性、随机性及间歇性等特性，使得输出电力不稳定且受环境因数的影响较大。
为了解决上述问题，通常采取在光伏发电***中引入储能***，通过合理的储能调制及控制方法，以平抑光伏电池输出电力波动，做备用电源和能量缓冲装置。光伏电池输出电力，主要是通过产生直流电流输出，再通过相应的换流器汇集到同一直流母线，然后再经过统一放大容量的DC/AC或DC/DC换流器变为交流电输送至电网。在典型的光伏逆变***中，通常需要经过两级变换来将光伏阵列变化的直流电压转换为电网固定频率的交流电压，第一级配置通过升压或降压DC/DC变换器将不稳定的光伏直流电压转换成稳定直流电压；第二级配置把稳定直流电压经过逆变器转变为可以注入电网的交流电压。而现有的光伏***通常在两级之间设置电解电容，用以实现两级之间的功率去耦，生成稳定直流电压；通常情况下一般光伏电池组件的使用寿命长达25年，但在两级之间加入了电解电容，而电解电容在高温工作条件下只能使用5年甚至更低，导致光伏能量***的使用寿命严重下降。
同时，在现有的技术中大多数的光伏能力***在两级变换之间还设置有高频开关，高频开关的逆变器高频逆变器不能接满负荷的感性负载，并且过载能力差会，影响整体两级变换光伏逆变***的效率，且开关损耗大，降低光伏太阳能的利用率。
此外，现阶段的光伏能量装置大都联合***技术，多集中在联合发电***的拓扑结构和潮流定向控制，以及光伏最大功率跟踪及并网控制策略反面。在传统HPWM调制方法调制下，无论直流母线电压是恒定值抑或正弦变化，单相逆变器其中一桥臂工作在高频开关状态，另一条桥臂工作在工频开关状态，开关损耗较高。对于单相逆变器对称设计中，两个桥臂开关管开关损耗由于开关状态的差异导致开关损耗相差较大，进一步导致热不均衡，而且调制控制电路相对复杂，控制效率低，难以有效优化、稳定***的运行。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明提供一种模块化无电解电容的光伏能量***及其调制方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种模块化无电解电容的光伏能量***，其特征在于：包括一体化光伏变换模块和经波动直流母线连接的光伏***主体模块；所述一体化光伏变换模块为即插即用式，由多个光伏电池和多个单相DC/DC变换器构成，每个所述光伏电池单独连接一个所述单相DC/DC变换器；所述光伏***主体模块由高功率密度储能模块和单相逆变模块构成，所述单相逆变模块的输入端与所述波动直流母线的输入端连接，所述波动直流母线的输出端接入电网。
作为本发明的进一步改进，所述高功率密度储能模块包含高功率密度储能单元和双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器与所述波动直流母线连接；所述高功率密度储能单元与所述双向DC/DC变换器并联。
作为本发明的进一步改进，所述单项逆变模块由4个开关管(M1，M2，M3，M4)、电感LF、电容CF及电阻RL构成；其中，开关M1和开关M2串联，开关M3和开关M4串联，且4个开关管(M1，M2，M3，M4)各自并联一个二极管；电感LF的一端连接在开关M1和开关M2之间，另一端分别连接电容CF和电阻RL的一端，电容CF和电阻RL的另一端连接到开关M3和开关M4之间，电容CF和电阻RL并联连接。
本发明另一个目的在于提供一种模块化无电解电容的光伏能量***的调制方法，该方法是在恒定直流时间内(4θ)，全桥开关只有一组桥臂以较高频率在通断，另一组桥臂开关处于导通或关断状态，并且所有的开关在高频工作期间都在低电流的范围内进行换向；在正弦波动直流时间内(2π-4θ)，全桥开关全部处于导通或关断状态，θ为可控***调制角度。
作为本发明的进一步改进，所述的调制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)t0-t1区间，直流电压是一个恒定的值，开关管M3断开，开关管M4开通，开关管M1、开关管M2以较高的频率互补导通，开关管M1的调制信号为sin(ωt)/sinθ。
(2)t1-t2区间，直流电压为正弦波，开关管M3处于断开状态，M4处于开通状态，开关管M1关断，M2开通。
(3)t2-t3区间，开关管开通情况和t0-t1区间状态一样。
(4)t3-t4区间，直流电压是一个恒定值，开关管M3开通，开关管M4关断，开关管M1、开关管M2以较高的频率互补导通，开关管M1的调制信号为1+sin(ωt)/sinθ。
(5)t4-t5区间，直流电压为正弦波，开关管M3处于开通状态，M4处于关断状态，开关管M1关断，开关管M2开通。
(6)t5-t6区间，开关管开通情况和t3-t4区间状态一样。；
其中，t0-t1为0～θ的区间，t1-t2为0～π-θ区间，t2-t3为(π-θ)～π区间；t3-t4为π～(π+θ)区间；t4-t5为(π+θ)～(2π+θ)区间；t5-t6为(2π-θ)～2π区间；ω为工频角速度，θ为可控***调制角度。
本发明的有益效果是：
1、本发明的光伏能量***取消光伏变换模块中光伏电池侧电解电容，取消光伏变换模块和单相逆变器之间的电解电容，解决了因电解电容存在影响光伏***使用年限的问题，有利于延长光伏***的使用年限。
2、本发明***的高功率密度储能模块双向DC/DC变换器能够实现能量储存，可以满足更多的需求；而且多光伏模块***中的光伏模块可以被配置成具有与其他光伏模块不同的等级额定值，在光伏能源***改变的情况下，保持光伏模块的可互换性，使得光伏能量***能最大限度地利用可用的屋顶空间。此外，多个光伏模块可以被配置为提供具有不同方向取向的多个光伏阵列，增强了光伏能量***的太阳跟踪能力和能量收集能力。
3、本发明的***中，光伏变换模块输出功率恒定，利于光伏最大功率点跟踪；并网单相逆变电路采用改进型混合脉宽调制(HPWM)方法，单相逆变器开关损耗可以降低50％以上。
4、本发明***的调制方法此用改进型混合脉宽调制(HPWM)，由低频范围内的脉动直流调制和高频范围内的二次调制组成，二次调制用于高频下转换器软开关的实现，可以进一步降低开关损耗；
附图说明
图1新型光伏能量***原理图。
图2光伏能量***单相逆变电路拓扑结构图。
图3光伏能量***逆变电路改进型混合脉宽调制(HPWM)波形图。
图4改进型HPWM调制下的光伏能量***仿真波形图。
图5.直流母线电压控制框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1显示了根据本发明优选实施方式的一种模块化无电解电容的光伏能量***的结构示意图。
本发明的一个实施例的光伏能量***电路框图如图1所示，包括一体化光伏变换模块和经波动直流母线连接的光伏***主体模块，其中一体化光伏变换模块为即插即用式，由多个光伏电池和多个单相DC/DC变换器构成；每个光伏电池单独连接一个单相DC/DC变换器，优选的本实施例的每个光伏电池与单相DC/DC变换器之间无电解电容；本实施例的光伏***主体模块由高功率密度储能模块和单相逆变模块构成，单相逆变模块的输入端与波动直流母线连接，波动直流母线的输出端接入电网。高功率密度储能模块包含并联的高功率密度储能单元和双向DC/DC变换器，优选的双向DC/DC变换器采用无电解电容设计，且双向DC/DC变换器与波动直流母线连接。
进一步优选的，在本实施例中，一体化光伏变换模块其与光伏***主体模块连接可采用即插即用的接口，而一体化光伏变换模块的数目和等级由不同条件的应用场景来决定。本实施例中优选的，多个光伏电池和多个单相DC/DC变换器采用模块化设计，即光伏电池与单相DC/DC一体化设计，组合成一个整体，以利于光伏能量***快速设计和安装。而单相DC/DC变换器可根据光伏电池的需求采用传统的buck、boost、fly-back等拓扑结构，光伏电池与单相DC/DC变换器直接连接，中间无电解电容，在本发明中单相DC/DC变换器采用公知常识的变换器，本实施例中优选的，单相DC/DC变换器采用能实现其相对应的光伏电池电源的最大功率点跟踪(MPPT)，向波动直流母线馈入低频变化的功率。
本发明的光伏能量***，波动直流母线的直流母线电压选择由恒定直流和正弦波动直流组成的复合变化波形，如图3所示。在每个工频周期，恒定直流占据4θ，正弦波动直流占据2π-4θ。在孤网模式下，波动直流母线由光伏***主体模块中的高功率密度储能模块控制。在并网模式下，正弦波动部分为电网电压，直流部分由高功率密度储能模块控制。孤网输出电流或者并网馈网电流由单相逆变模块和高功率密度储能模块共同决定，例如最常规的控制方法为解耦控制，因此光伏输出功率和单相逆变器间的功率去耦可以由高功率密度储能模块来承担。
在本实施例中，单项逆变模块的单相逆变电路如图2所示采用全桥拓扑，由4个开关管(M1，M2，M3，M4)、电感LF、电容CF及电阻RL构成，输出侧并入电网，具体是开关M1和开关M2串联，开关M3和开关M4串联，且4个开关管(M1，M2，M3，M4)各自并联一个二极管；电感LF的一端连接在开关M1和开关M2之间，另一端分别连接电容CF和电阻RL的一端，电容CF和电阻RL的另一端连接到开关M3和开关M4之间，电容CF和电阻RL并联连接。
本发明在如图2所示的电路上，采用本发明的HPWM调制方法来控制开关管的开通和关断。调制时全桥开关在恒定直流时间内(4θ)，只有一组桥臂以较高频率在通断，另一组桥臂开关处于导通或关断状态，并且所有的开关在高频工作期间都在低电流的范围内进行换向，使得DC/AC逆变器开关损耗大大降低。在正弦波动直流时间内(2π-4θ)，全桥开关全部处于导通或关断状态。因此，单相逆变电路中只有一半的开关管在较短的时间内(4θ)工作在高频，其他的开关管在大部分时间内保持开通或者关断状态，相比于采用传统HPWM调制的单相逆变器，开关损耗显著降低。
本发明具体的HPWM调制过程以如图3所示为例进行说明：
(1)t0-t1区间，直流电压是一个恒定的值，开关管M3断开，M4开通，M1、M2以较高的频率互补导通，M1的调制信号为sin(ωt)/sinθ。
(2)t1-t2区间，直流电压为正弦波，开关管M3处于断开状态，M4处于开通状态，开关管M1关断，M2开通。
(3)t2-t3区间，开关管开通情况和t0-t1区间状态一样。
(4)t3-t4区间，直流电压是一个恒定值，开关管M3开通，M4关断，M1、M2以较高的频率互补导通，M1的调制信号为1+sin(ωt)/sinθ。
(5)t4-t5区间，直流电压为正弦波，开关管M3处于开通状态，M4处于关断状态，开关管M1关断，M2开通。
(6)t5-t6区间，开关管开通情况和t3-t4区间状态一样。
从图3可以发现，在一段时间内M1&M2工作在高频开关状态，M3&M4工作在工频开关状态。一段时间后，M1&M2工作在工频开关状态，M3&M4工作在高频开关状态。通过该轮转机制，实现开关管开关损耗的均衡和响应的热均衡。
本发明的HPWM调制方法，DC/AC单相逆变器也可采用非对称设计，即两桥臂的开关管可以有不同的选择。例如，M1&M2选取适于高频开关的器件，而M3&M4选取适于低频开关的器件；同时取消轮转机制，让M1&M2一直工作在高频状态，M3&M4一直工作在工频状态，而由于低频开关器件价格低廉，合理的非对称设计可以实现在一定程度上兼顾***低成本和热均衡。
采用本发明的型HPWM调制方法进行调制得到如图4所示的光伏能量***仿真波形图。图4中，Vin为***母线电压，Vg1为开关管M1的驱动信号，Vout为单相输出电压，Iout为单相输出电流，仿真θ取值为30°。从图4中可以发现，在高功率密度储能模块控制下，即母线电压控制外环给定值设置为恒定直流和正弦波动直流的组合；内环采用控电感电流的控制方式，实现最大功率点跟踪，具体如图5所示，从图5的控制电路图中可知***母线电压由恒定直流和正弦波动直流组成，开关管M1的驱动信号Vg1表明在HPWM调制下，开关管部分时间工作在高频状态，降低了***开关损耗和提高***的效率。因而，本发明的整个光伏能量***，采用无电解电容设计，大大提高***的使用寿命和可靠性。***单相输出电压和电流为低谐波的正弦波形，验证了改进型HPWM和***设计的可行性。
综上所述，本发明具有如下优点：
1、本发明的光伏能量***取消光伏变换模块中光伏电池侧电解电容，取消光伏变换模块和单相逆变器之间的电解电容，解决了因电解电容存在影响光伏***使用年限的问题，有利于延长光伏***的使用年限。
2、本发明***的高功率密度储能模块双向DC/DC变换器能够实现能量储存，可以满足更多的需求；而且多光伏模块***中的光伏模块可以被配置成具有与其他光伏模块不同的等级额定值，在光伏能源***改变的情况下，保持光伏模块的可互换性，使得光伏能量***能最大限度地利用可用的屋顶空间。此外，多个光伏模块可以被配置为提供具有不同方向取向的多个光伏阵列，增强了光伏能量***的太阳跟踪能力和能量收集能力。
3、本发明的***中，光伏变换模块输出功率恒定，利于光伏最大功率点跟踪；并网单相逆变电路采用改进型混合脉宽调制(HPWM)方法，单相逆变器开关损耗可以降低50％以上。
4、本发明***的调制方法此用改进型混合脉宽调制(HPWM)，由低频范围内的脉动直流调制和高频范围内的二次调制组成，二次调制用于高频下转换器软开关的实现，可以进一步降低开关损耗；
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种模块化无电解电容的光伏能量***的调制方法，其特征在于：该方法是在恒定直流时间内，全桥开关只有一组桥臂以较高频率在通断，另一组桥臂开关处于导通或关断状态，并且所有的开关在高频工作期间都在低电流的范围内进行换向；在正弦波动直流时间内，全桥开关全部处于导通或关断状态，其中，恒定直流时间为4θ，正弦波动直流时间为2π-4θ，θ为可控***调制角度;
其中，控制***包括一体化光伏变换模块和经波动直流母线连接的光伏***主体模块；
所述一体化光伏变换模块为即插即用式，由多个光伏电池和多个单相DC/DC变换器构成，每个所述光伏电池单独连接一个所述单相DC/DC变换器；
所述光伏***主体模块由高功率密度储能模块和单相逆变模块构成，所述单相逆变模块的输入端与所述波动直流母线的输入端连接，所述波动直流母线的输出端接入电网。
2.根据权利要求1所述的模块化无电解电容的光伏能量***的调制方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）t0-t1区间，直流电压是一个恒定的值，开关管M 3断开，开关管M 4开通，开关管M 1、开关管M 2以高频率互补导通，开关管M 1的调制信号为sin(ωt)/sinθ；
（2）t1-t2区间，直流电压为正弦波，开关管M 3处于断开状态，M 4处于开通状态，开关管M 1关断，M 2开通；
（3）t2-t3区间，开关管开通情况和t0-t1区间状态一样；
（4）t3-t4区间，直流电压是一个恒定值，开关管M 3开通，开关管M 4关断，开关管M 1、开关管M 2以高频率互补导通，开关管M 1的调制信号为1+sin(ωt)/sinθ；
（5）t4-t5区间，直流电压为正弦波，开关管M 3处于开通状态，M 4处于关断状态，开关管M 1关断，开关管M 2开通；
（6）t5-t6区间，开关管开通情况和t3-t4区间状态一样；
其中，t0-t1为0～θ的区间，t1-t2为0～π-θ区间，t2-t3为（π-θ）～π区间；t3-t4为π～（π+θ）区间；t4-t5为（π+θ）～（2π+θ）区间；t5-t6为（2π-θ）～2π区间；ω为工频角速度，θ为可控***调制角度。
3.根据权利要求1所述的模块化无电解电容的光伏能量***的调制方法，其特征在于：所述高功率密度储能模块包含高功率密度储能单元和双向DC/DC变换器，所述双向DC/DC变换器与所述波动直流母线连接；所述高功率密度储能单元与所述双向DC/DC变换器并联。
4.根据权利要求1所述的模块化无电解电容的光伏能量***的调制方法，其特征在于：所述单相 逆变模块由4个开关管M 1，M 2，M 3，M 4、电感L F 、电容C F 及电阻R L 构成；其中，开关M 1和开关M 2串联，开关M 3和开关M 4串联，且4个开关管M 1，M 2，M 3，M 4各自并联一个二极管；电感L F 的一端连接在开关M 1和开关M 2之间，另一端分别连接电容C F 和电阻R L 的一端，电容C F 和电阻R L 的另一端连接到开关M 3和开关M 4之间，电容C F 和电阻R L 并联连接。
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