CN1929276A - 一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器 - Google Patents

Abstract

一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，它属于太阳能光伏并网发电技术领域，它解决了现有的用于太阳能光伏并网发电的逆变器无法同时改善开关损耗及功率解耦的问题。太阳能电池板光伏阵列(PV)输入的直流电压(v_s)施加在输入电容(C1)的两端，输入电容(C1)的一端连接第二电感(L1)的一端，第二电感(L1)的另一端连接第四可控开关管(S1)的集电极和第一电容(C2)的一端，第一电容(C2)的另一端连接第三二极管(D1)的正极端和第三可控开关管(S2)的发射极等端。本发明的逆变器可实现所有开关的软开关运行，从而减小开关损耗，提高***效率；可显著的减小解耦电容的体积和容量，从而改善功率解耦。

Description

一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器

技术领域

本发明属于太阳能光伏并网发电技术领域，具体涉及一种可用于太阳能光伏(Photovoltaic，简称PV)并网发电的软开关反激逆变器。

背景技术

随着传统能源消费的增长、生态环境的日益恶化和人类可持续发展的要求，世界各国都在积极开发无污染可再生的新能源。太阳能资源丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，使得太阳能光伏发电成为新能源开发中的主流。光伏逆变器是光伏发电***中的核心部分，其效率的高低、可靠性的好坏将直接影响整个光伏***的性能和投资。在传统的光伏发电***中，多组光电模块组成PV阵列来获取足够高的直流(DC)总线电压，再通过逆变器逆变产生交流(AC)电压并入电网。但是由于太阳辐射强度的变化以及附近建筑物、树木等障碍物的遮挡，PV阵列的总输出功率会有明显的变化。为了使光伏***始终工作在最大功率点上，AC模块的概念被提出。在这种AC模块***中，每组光电模块装配一个逆变器形成一个AC模块，这些AC模块的输出并联再接入电网。这种AC模块逆变器针对各自的光电模块，自身完成升压、最大功率点跟踪(MPPT)和逆变等功能。许多用于光伏并网发电的逆变器拓扑及其相应的控制策略被报道，其中以Buck-Boost逆变器和反激逆变器为典型，得到了很大的发展。Buck-Boost逆变器采用四个或五个开关实现升压和逆变，反激逆变器采用三个开关，它们虽然可以实现逆变和电气隔离，但这两种结构都采用高频开关方式，产生了大量的开关损耗，使得***效率降低。例如，如图1所示为传统的反激逆变器，它只用三个开关，采用三绕组变压器作为储能和隔离元件，由开关S₁控制输出电流的波形，开关S₂和S₃控制输出电流的极性，该逆变器的缺点是S₁以高频硬开关，损耗很大，限制了其实际应用，而且直流输入侧并联很大的电解电容，这增加了整个装置的体积，缩短了***的使用寿命。如图2所示为一种适用于AC模块中的反激式并网逆变器，它在传统反激逆变器的电路基础上增加了一个平波电路，将功率脉动转移到小容量的非电解电容C上，并且使直流侧的平波电容容量大大减小，延长了***寿命，平波电路的增加虽然改善了功率解耦，但输入侧的两个高频开关都硬关断，其开关损耗较传统的反激逆变器更大，***的效率也大大降低。如图3所示为一种基于高频反激变换器的软开关逆变器拓扑结构，它的***损耗更低，效率更高；但其结构并不能改善功率解耦，直流侧仍需要并联大容量的电解电容，这限制了其使用寿命。综上所述，到目前为止还没有一种拓扑能同时实现软开关和改善的功率解耦，而这两种功能对单相PV逆变器显然至关重要。因此，迫切需要一种新型的逆变器，除了能实现逆变和电气隔离外，还应具有以下两种功能：减小开关损耗和改善功率解耦。

发明内容

为了解决现有的用于太阳能光伏并网发电的逆变器无法同时改善开关损耗及功率解耦的问题，本发明提供了一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器。

本发明的软开关反激逆变器包括开关管驱动电路1、太阳能电池板光伏阵列PV、反激变压器T、第一可控开关管S3、第二可控开关管S4、第三可控开关管S2、第一二极管D3、第二二极管D4、输出电容C3和第一电感L_f，太阳能电池板光伏阵列PV位于反激变压器T的原边绕组L2的同一侧，反激变压器T的副边第一绕组L3的非同名端连接第一可控开关管S3的集电极，第一可控开关管S3的发射极连接第一二极管D3的正极端，第一二极管D3的负极端连接第一电感L_f的一端、输出电容C3的一端和第二二极管D4的正极端，第二二极管D4的负极端连接第二可控开关管S4的集电极，第二可控开关管S4的发射极连接反激变压器T的副边第二绕组L4的同名端，反激变压器T的副边第二绕组L4的非同名端连接反激变压器T的副边第一绕组L3的同名端和输出电容C3的另一端；所述软开关反激逆变器还包括输入电容C1、第二电感L1、第一电容C2、第二电容C_s1、第三电容C_s2、第四可控开关管S1、第三二极管D1和第四二极管D2，太阳能电池板光伏阵列PV输入的直流电压v_s施加在输入电容C1的两端，输入电容C1的一端连接第二电感L1的一端，第二电感L1的另一端连接第四可控开关管S1的集电极和第一电容C2的一端，第一电容C2的另一端连接第三二极管D1的正极端、第三可控开关管S2的发射极、第二电容C_s1的一端和第三电容C_s2的一端，第三可控开关管S2的集电极连接第四二极管D2的负极端和第三电容C_s2的另一端，第四二极管D2的正极端连接反激变压器T的原边绕组L2的非同名端和第二电容C_s1的另一端，反激变压器T的原边绕组L2的同名端连接第三二极管D1的负极端、第四可控开关管S1的发射极和输入电容C1的另一端，开关管驱动电路1的四个驱动信号的输出端分别连接所述第一可控开关管S3、第二可控开关管S4、第三可控开关管S2、第四可控开关管S1的栅极，输出电容C3和第一电感L_f的另一端输出交流电压v_o并入电网。所述第一可控开关管S3、第二可控开关管S4、第三可控开关管S2、第四可控开关管S1采用IGBT开关管，第四可控开关管S1和第三可控开关管S2为高频开关管，开关频率在10K～100KHZ范围内，且可以采用有反接二极管的开关管；第一可控开关管S3和第二可控开关管S4为工频开关管。所述输入电容C1、第一电容C2，第二电容C_s1的一端和第三电容C_s2均为容量很小的无极性电容。

如图4所示，本发明将Sepic变换器和传统的反激逆变器有机的结合在一起，得到具有软开关和改善的功率解耦两大功能的新型PV逆变器。如下表1和图5至图10所示，根据四个开关管(S1、S2、S3、S4)的运行状态和输出电流的正负情况，电路具有以下六种有效的工作模式。

                表1六种工作模式对比说明

方式	S1	S2	S3	S4	iL2	iL3	iL4	iC2	i2	io
											1	1	1	0	0	×	0	0	iL2	0	×
2	1	0	1	0	0	×	0	0	iL3	+
											3	1	0	0	1	0	0	×	0	iL4	-
4	0	0	1	0	0	×	0	iL1	iL3	+
											5	0	0	0	1	0	0	×	iL1	iL4	-
6	0	0	0	0	0	0	0	iL1	0	×

(上表中，“1”表示导通，“0”表示开关管的关断或电流大小为零，“×”表示无效，“+”表示电流大于零，“-”表示电流小于零。)

模式一：如图5，该模式下第四可控开关管S1和第三可控开关管S2开通，第一可控开关管S3和第二可控开关管S4关断，由于输入电压v_s直接加在第二电感L1上，输入电流i₁线性增长，第一电容C2上电压v_C2也对反激变压器T的原边绕组L2充电，使得流过L2的电流i_L1也线性增长。

模式二：如图6，S1和S3开通，S2和S4关断，由于S1仍然开通，所以输入电流i₁仍然线性增长，S2关断，使得流过C2和L2上的电流i_C2和i_L2为0。这个过程中，S3开通，S4关断，因此输出电流i_o大于0。

模式三：如图7，S1和S4开通，S2和S3关断，这个过程与模式二类似，不同的是，输出电流i_o小于0。

模式四：如图8，S1、S2和S4都关断，只有S3开通，输入电压和电感L1都对电容C2充电，同时由于开关S3开通，使得输出电流i_o大于0。

模式五：如图9，开关管S1、S2和S3都关断，只有S4开通，输入电压v_s和L1都对C2充电，同时由于S4开通，使得输出电流i_o小于0。

模式六：如图10，四个开关管都关断，与模式四和模式五一样，输入电压v_s和L1都对C2充电，由输出电容C3向电网提供电流。

对于本发明所提出的单相逆变器，当工作于单位功率因数时，其交流侧电压和电流可以表示如下：

       v_o＝V_osinω_ot                        (1)

       i_o＝I_osinω_ot                        (2)

因而，电路中就存在大量的功率脉动为：

       P_o＝V_oI_o(1-cos2ω_ot)                 (3)

上式中，ω_o为交流电压的频率，V_o为交流侧电压的幅值，I_o为交流侧电流的幅值。

为了使输出电流为正弦，必须使得流过L2的电流峰值包络为一个正弦波形。由上式可知，在本发明逆变器中，功率中含有低频(2倍频)分量，这个波动分量被转移到了第一电容C2上，从而使得直流输入电容C1上的电压保持不变，并能使C1的容量为一个很小的值。由于C2上的电压在一定的直流偏置上以两倍于工频的频率发生波动，这就使得驱动第三可控开关管S2的PWM信号占空比与流过L2的电流呈非线性关系，所以本发明采用峰值电流控制方法对S2进行控制。所述峰值电流控制方法是指：如图12所示，流过L2的电流i_L2通过电流传感器进行检测，在S2开通时，i_L2增加，当电流i_L2增加到正弦参考值时，输出低电平驱动信号使S2关断，这样就可以保证i_L2的电流峰值始终准确跟踪正弦参考值，从而控制输出电流i_o为标准的正弦波形。当然，本发明也可采用其它控制方案对S2进行控制，如通过检测C2上的电压，经过运算得到各个开关周期的占空比，输出驱动脉冲，从而完成对S2的控制，但实现起来与峰值电流控制方案相比较复杂。第四可控开关管S1控制着输入电流i_o的大小，从而决定了输入能量的大小。为了跟踪PV电池的最大功率，需要保证输入恒定的能量，这就要求S1以固定占空比工作。考虑到电路有效的工作状态，S1和S2应同时开通，且S2导通信号的占空比必须小于S1导通信号的占空比。第一可控开关管S3和第二可控开关管S4控制着输出电流i_o的极性，二者交替在工频正负半周期开通和关断，从而得到正负两个方向的输出电流i_o。

本发明所述结构中，高频开关S1和S2的软开关运行是靠第三可控开关管S2和第四二极管D2上的寄生电容以及所引入的第二电容C_s1和第三电容C_s2实现的(如图4所示)。如图11所示，给出了S1和S2上的电压电流波形，S1和S2同时导通，其上的电流从0线性增长，因此两个开关都以零电流(ZCS)软开通。当S2关断时，L2上的电流并不马上传到二次侧，而是先流过C_s1和C_s2，直到二次侧有电流，这样就实现了S2的零电压(ZVS)关断。而当S1关断时，输入电流也并不马上流过二极管D1，而是先给C_s1放电，直到D1导通，这样也就实现了S1的零电压关断。另外，开关管S3和S4工作于工频，这两个开关的开通和关断过程也和传统的反激逆变器一样，工作于软开关状态。

综上所述，本发明改善的功率解耦是由电路结构本身实现的，正是因为Sepic电路将功率脉动转移到电容C2上的电压上，才使得电容C1和C2的容量都能减小；而本发明的软开关特性是因为在电路中引入了第二电容C_s1和第三电容C_s2，从而保证两个高频开关在关断时也能实现软开关。而本发明提出的峰值电流控制方案则是为了向电网提供优质的输出电流而应用于本发明的电路中的，有了合适的控制方案，也能实现更好地改善功率解耦和软开关特性。

本发明的逆变器具有以下优点：(1)它的电路结构简单，只用了四个功率开关器件；(2)它可实现所有开关的软开关运行，从而减小开关损耗，提高***效率；(3)它通过将功率脉动转化为电容C2上的电压脉动，可显著的减小解耦电容的体积和容量，从而改善功率解耦；(4)开关S1工作于固定的占空比，开关S2采用峰值电流控制方案，开关S3和S4以工频运行，易于控制和实现；(5)它通过反激变压器，可实现输入输出的电气隔离；(6)它可向电网提供单位功率且低谐波的输出电流；(7)根据需要，通过合适的控制，可以实现谐波抑制和无功补偿功能。

附图说明

图1是传统的反激逆变器。

图2是现有技术中一种适用于AC模块中的反激式并网逆变器。

图3是现有技术中一种基于高频反激变换器的软开关逆变器拓扑结构。

图4是本发明的PV软开关反激逆变器的结构示意图。

图5至图10依次为本发明逆变器的六种有效工作模式的简单结构示意图，图中，i₁为输入电流，i_L1为流过第二电感L1的电流，i_C2为流过第一电容C2的电流，v_C2为第一电容C2上的电压，i_L2为流过反激变压器T的原边绕组L2的电流，i_L3为流过反激变压器T的副边第一绕组L3的电流，i_L4为流过反激变压器T的副边第二绕组L4的电流，i₂为反激变压器T的副边绕组电流，i_o为输出电流。

图11是第四可控开关管S1和第三可控开关管S2上的导通信号波形、电压波形及其电流波形示意图，图中，v_S1表示第四可控开关管S1上的电压，i_S1表示第四可控开关管S1上的电流，v_S2表示第三可控开关管S2上的电压，v_cs1表示第二电容C_s1两端的电压，v_cs2表示第三电容C_s2两端的电压，i_S2表示第三可控开关管S2上的电流。

图12是本发明逆变器的工作波形。

具体实施方式

参见图4所示，本具体实施方式的软开关反激逆变器由开关管驱动电路1、太阳能电池板光伏阵列PV、反激变压器T、第一可控开关管S3、第二可控开关管S4、第三可控开关管S2、第一二极管D3、第二二极管D4、输出电容C3、第一电感L_f、输入电容C1、第二电感L1、第一电容C2、第二电容C_s1、第三电容C_s2、第四可控开关管S1、第三二极管D1和第四二极管D2组成，太阳能电池板光伏阵列PV位于反激变压器T的原边绕组L2的同一侧，反激变压器T的副边第一绕组L3的非同名端连接第一可控开关管S3的集电极，第一可控开关管S3的发射极连接第一二极管D3的正极端，第一二极管D3的负极端连接第一电感L_f的一端、输出电容C3的一端和第二二极管D4的正极端，第二二极管D4的负极端连接第二可控开关管S4的集电极，第二可控开关管S4的发射极连接反激变压器T的副边第二绕组L4的同名端，反激变压器T的副边第二绕组L4的非同名端连接反激变压器T的副边第一绕组L3的同名端和输出电容C3的另一端；太阳能电池板光伏阵列PV输入的直流电压v_s施加在输入电容C1的两端，输入电容C1的一端连接第二电感L1的一端，第二电感L1的另一端连接第四可控开关管S1的集电极和第一电容C2的一端，第一电容C2的另一端连接第三二极管D1的正极端、第三可控开关管S2的发射极、第二电容C_s1的一端和第三电容C_s2的一端，第三可控开关管S2的集电极连接第四二极管D2的负极端和第三电容C_s2的另一端，第四二极管D2的正极端连接反激变压器T的原边绕组L2的非同名端和第二电容C_s1的另一端，反激变压器T的原边绕组L2的同名端连接第三二极管D1的负极端、第四可控开关管S1的发射极和输入电容C1的另一端，开关管驱动电路1的四个驱动信号的输出端分别连接所述第一可控开关管S3、第二可控开关管S4、第三可控开关管S2、第四可控开关管S1的栅极，输出电容C3和第一电感L_f的另一端输出交流电压v_o并入电网。第四可控开关管S1和第三可控开关管S2为高频IGBT开关管，开关频率在10K～100KHZ范围内；第一可控开关管S3和第二可控开关管S4为工频IGBT开关管。所述输入电容C1和第一电容C2为无极性电容。反激变压器T的变比为1∶n∶n(n＞1)。

如图12所示四个开关(S1、S2、S3、S4)的驱动信号波形，第一可控开关管S3和第二可控开关管S4互补工作在工频正负半周期；第三可控开关管S2的开通或关断依据流过反激变压器T的原边绕组L2的电流正弦波包络线采用峰值电流控制方法来进行控制；第四可控开关管S1以固定占空比高频运行，第四可控开关管S1导通信号的占空比总大于第三可控开关管S2导通信号的占空比，且第四可控开关管S1与第三可控开关管S2同时开通。

Claims (6)

1、一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，所述软开关反激逆变器包括开关管驱动电路(1)、太阳能电池板光伏阵列(PV)、反激变压器(T)、第一可控开关管(S3)、第二可控开关管(S4)、第三可控开关管(S2)、第一二极管(D3)、第二二极管(D4)、输出电容(C3)和第一电感(L_f)，太阳能电池板光伏阵列(PV)位于反激变压器(T)的原边绕组(L2)的同一侧，反激变压器(T)的副边第一绕组(L3)的非同名端连接第一可控开关管(S3)的集电极，第一可控开关管(S3)的发射极连接第一二极管(D3)的正极端，第一二极管(D3)的负极端连接第一电感(L_f)的一端、输出电容(C3)的一端和第二二极管(D4)的正极端，第二二极管(D4)的负极端连接第二可控开关管(S4)的集电极，第二可控开关管(S4)的发射极连接反激变压器(T)的副边第二绕组(L4)的同名端，反激变压器(T)的副边第二绕组(L4)的非同名端连接反激变压器(T)的副边第一绕组(L3)的同名端和输出电容(C3)的另一端；其特征在于所述软开关反激逆变器还包括输入电容(C1)、第二电感(L1)、第一电容(C2)、第二电容(C_s1)、第三电容(C_s2)、第四可控开关管(S1)、第三二极管(D1)和第四二极管(D2)，太阳能电池板光伏阵列(PV)输入的直流电压(v_s)施加在输入电容(C1)的两端，输入电容(C1)的一端连接第二电感(L1)的一端，第二电感(L1)的另一端连接第四可控开关管(S1)的集电极和第一电容(C2)的一端，第一电容(C2)的另一端连接第三二极管(D1)的正极端、第三可控开关管(S2)的发射极、第二电容(C_s1)的一端和第三电容(C_s2)的一端，第三可控开关管(S2)的集电极连接第四二极管(D2)的负极端和第三电容(C_s2)的另一端，第四二极管(D2)的正极端连接反激变压器(T)的原边绕组(L2)的非同名端和第二电容(C_s1)的另一端，反激变压器(T)的原边绕组(L2)的同名端连接第三二极管(D1)的负极端、第四可控开关管(S1)的发射极和输入电容(C1)的另一端，开关管驱动电路(1)的四个驱动信号的输出端分别连接所述第一可控开关管(S3)、第二可控开关管(S4)、第三可控开关管(S2)、第四可控开关管(S1)的栅极，输出电容(C3)和第一电感(L_f)的另一端输出交流电压(v_o)并入电网。

2、根据权利要求1所述的一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，其特征在于第四可控开关管(S1)和第三可控开关管(S2)为高频开关管，开关频率在10K～100KHZ范围内。

3、根据权利要求1所述的一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，其特征在于第一可控开关管(S3)和第二可控开关管(S4)为工频开关管。

4、根据权利要求1所述的一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，其特征在于所述输入电容(C1)和第一电容(C2)为无极性电容。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，其特征在于第一可控开关管(S3)和第二可控开关管(S4)互补工作在工频正负半周期；第三可控开关管(S2)的开通或关断依据流过反激变压器(T)的原边绕组(L2)的电流正弦波络线采用峰值电流控制方法来进行控制；第四可控开关管(S1)以固定占空比高频运行，第四可控开关管(S1)导通信号的占空比总大于第三可控开关管(S2)导通信号的占空比，且第四可控开关管(S1)与第三可控开关管(S2)同时开通。

6、根据权利要求5所述的一种用于太阳能光伏并网发电的软开关反激逆变器，其特征在于所述第一可控开关管(S3)、第二可控开关管(S4)、第三可控开关管(S2)、第四可控开关管(S1)采用IGBT开关管。

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