CN204928737U

CN204928737U - 一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置

Info

Publication number: CN204928737U
Application number: CN201520556360.XU
Authority: CN
Inventors: 张庆海; 李洪博; 刘安华; 蔡军; 刘英倩; 孔鹏; 鲍景宽; 郭维明; 顾卫山; 董海涛; 张蕊; 孙新生; 张涛; 张斌; 郭亚峰
Original assignee: Liaocheng Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: Liaocheng Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2025-07-29

Abstract

本实用新型公开了一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置，包括光伏阵列、Boost升压电路、三电感双Buck逆变器。Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪；双Buck逆变器采用三电感双Buck逆变器，交流滤波电感正负半周期交替运行提高了滤波电感磁芯的利用率，有效地减小了整个光伏发电装置的体积重量；两个直流滤波电感进一步提高磁性元件的利用率，同时还减小逆变器的附加损耗，从而提高了光伏发电的效率和可靠性。

Description

一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置，属于新能源发电与智能电网领域。

背景技术

近年来，随着能源危机和环境污染的加剧，太阳能等可再生能源作为替代能源已经得到广泛应用。太阳能经由发电装置转化为电能，再通过电力电子装置进行电能变换使之符合相关标准；变换后的电能可直接提供给负载，也可并入主干电网。逆变器就是完成能量变换所需的最常用的电力电子装置。然而桥式逆变器开关管的寄生二极管的反向恢复电流大，导致很大的开关损耗，限制了开关频率的提高。此外，桥式逆变器还存在桥臂直通的问题，大大降低了逆变器的可靠性。

为了提高逆变器的可靠性，主要有以下两类方法：（1）采用反向恢复电荷小的开关器件来减小桥式逆变器续流二极管的反向恢复损耗；（2）采用没有直通问题的逆变器，如Z源逆变器和双Buck逆变器。由于Z源逆变器电感大、控制复杂以及功率密度和转换效率低，在功率密度和变换效率要求高的机载应用场合，目前仍未见应用。双Buck逆变器的桥臂是开关管与二极管串联的结构，反向恢复过程短，电磁干扰小；且两个开关管之间有较大的电感，因此不存在桥臂直通的问题，可靠性高。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，发明了一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置，Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪；双Buck逆变器采用三电感双Buck逆变器，交流滤波电感正负半周期交替运行提高了滤波电感磁芯的利用率，有效地减小了整个光伏发电装置的体积重量；两个直流滤波电感进一步提高磁性元件的利用率，同时还减小逆变器的附加损耗，从而提高了光伏发电的效率和可靠性。

本实用新型的技术方案为：一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置，包括光伏阵列、Boost升压电路、三电感双Buck逆变器，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为负载供电；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C₁和C₂；三电感双Buck逆变器包括开关器件S₁及其反并联二极管D_S1、开关器件S₁的结电容C_S1、开关器件S₂及其反并联二极管D_S2、开关器件S₂的结电容C_S2、二极管D₁及其结电容C_D1、二极管D₂及其结电容C_D2、直流滤波电感L_dc1和L_dc2、交流滤波电感L_ac、滤波电容C_f、负载；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、开关器件S₁的集电极、反并联二极管D_S1的阴极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C₁的另一端与直流侧储能电容C₂的一端相连并接地，直流侧储能电容C₂的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D₁的阳极、滤波电容C_f的一端、开关器件S₂的发射极、反并联二极管D_S2的阳极、光伏阵列输出负极相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_S1的阳极、二极管D₁的阴极、直流滤波电感L_dc1的一端相连，直流滤波电感L_dc1的另一端与直流滤波电感L_dc2的一端、交流滤波电感L_ac的一端相连，直流滤波电感L_dc2的另一端与二极管D₂的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_S2的阴极相连，交流滤波电感L_ac的另一端与滤波电容C_f的另一端相连，负载与滤波电容C_f并联连接，开关器件S₁的结电容C_S1接于开关器件S₁的集电极和发射极之间、开关器件S₂的结电容C_S2接于开关器件S₂的集电极和发射极之间、二极管D₁的结电容C_D1与二极管D₁并联连接、二极管D₂的结电容C_D2与二极管D₂并联连接。

本实用新型的有益效果：1、Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪；三电感双Buck逆变器交流滤波电感正负半周期交替运行提高了滤波电感磁芯的利用率，有效地减小了整个光伏发电装置的体积重量；2、两个直流滤波电感进一步提高磁性元件的利用率，同时还减小逆变器的附加损耗，从而提高了光伏发电的效率和可靠性；如果将两个直流滤波电感耦合，不仅进一步提高磁芯的利用率，而且减少了两直流电感与功率器件寄生容谐振带来的附加损耗，且稳态工作时没有环流产生。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型各电感电流和输出电压的波形示意图。

图3为开关器件S₁导通期间直流滤波电感L_dc2的电流i_Ldc2断续情况下关键波形图。

图4为开关器件S₁导通期间直流滤波电感L_dc2的电流i_Ldc2连续情况下关键波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步阐述，但不限于此。

图1所示为基于双Buck逆变器的光伏发电装置结构示意图，包括光伏阵列、Boost升压电路、三电感双Buck逆变器，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为负载供电；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C₁和C₂；三电感双Buck逆变器包括开关器件S₁及其反并联二极管D_S1、开关器件S₁的结电容C_S1、开关器件S₂及其反并联二极管D_S2、开关器件S₂的结电容C_S2、二极管D₁及其结电容C_D1、二极管D₂及其结电容C_D2、直流滤波电感L_dc1和L_dc2、交流滤波电感L_ac、滤波电容C_f、负载；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、开关器件S₁的集电极、反并联二极管D_S1的阴极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C₁的另一端与直流侧储能电容C₂的一端相连并接地，直流侧储能电容C₂的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D₁的阳极、滤波电容C_f的一端、开关器件S₂的发射极、反并联二极管D_S2的阳极、光伏阵列输出负极相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_S1的阳极、二极管D₁的阴极、直流滤波电感L_dc1的一端相连，直流滤波电感L_dc1的另一端与直流滤波电感L_dc2的一端、交流滤波电感L_ac的一端相连，直流滤波电感L_dc2的另一端与二极管D₂的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_S2的阴极相连，交流滤波电感L_ac的另一端与滤波电容C_f的另一端相连，负载与滤波电容C_f并联连接，开关器件S₁的结电容C_S1接于开关器件S₁的集电极和发射极之间、开关器件S₂的结电容C_S2接于开关器件S₂的集电极和发射极之间、二极管D₁的结电容C_D1与二极管D₁并联连接、二极管D₂的结电容C_D2与二极管D₂并联连接。

Boost升压电路实现光伏阵列输出最大功率跟踪。为简化分析，做如下假设：1、由于逆变器的开关频率远远高于输出电压频率，假定逆变器输出电压U_o在一个开关周期内恒定不变；2、直流侧储能电容C₁和C₂的电压是均等的，皆为U_in；3、直流滤波电感L_dc1=L_dc2；4、在一个开关周期内开关器件S₁导通期间，由于流过直流滤波电感L_dc2的电流i_Ldc2远小于流过直流滤波电感L_dc1的电流i_Ldc1，故可以认为L_dc1和L_ac串联分压，三电感交点电压U_d为定值：U_o+(U_in-U_o)L_ac/(L_dc1+L_ac)；同理在S₁关断期间，U_d的值为：U_o-(U_in+U_o)L_ac/(L_dc1+L_ac)。

图2所示为各电感电流和输出电压的波形示意图。由于电感电流和输出电压相位不同，在一个逆变器输出周期内，包括负向能量回馈阶段、正向能量传递阶段、正向能量回馈阶段和负向能量传递阶段4个阶段，各阶段又包含若干工作模式；其中负向能量回馈阶段和正向能量传递阶段的交流滤波电感电流均为正，开关器件S₁工作，S₂不工作。以交流滤波电感电流i_Lac为正时逆变器工作状态进行分析，i_Lac为负时逆变器的工作状态类似。由于占空比和负载的变化，开关器件S₁导通期间直流滤波电感L_dc2的电流i_Ldc2会出现断续和连续两种情况。i_Ldc2断续情况下关键波形图3所示；i_Ldc2连续时的关键波形如图4所示，其工作模态分析见i_Ldc2断续情况的模态分析，不再叙述。

i_Ldc2断续情况下可分为6个工作区间，下面结合图3所示关键波形详细分析各工作模态。

1、工作模态1[t₀-t₁]：在t₀时刻开关器件S₁导通，S₂、D₁和D₂均关断，输入电源2U_in、L_dc1、L_dc2和结电容C_S2构成的回路对C_S2充电，C_D2经L_dc1、L_dc2进行放电，电感电流i_Ldc1、i_Ldc2谐振上升，C_S2两端电压上升，C_D2两端电压下降。直至C_D2电压下降为零，C_S2电压上升为2U_in时该工作模态结束。

2、工作模态2[t₁-t₂]：在t₁时刻C_D2两端电压下降为零后，D₂自然导通续流，此时，S₁依然导通，S₂和D₁均关断，电流i_Ldc1线性上升，电流i_Ldc2线性下降；电流i_Ldc2下降为零该工作模态结束。

3、工作模态3[t₂-t₃]：在t₂时刻电流i_Ldc2下降为零，此时D₂关断，电容C_D2、C_S2和电感L_dc2谐振，由于L_dc1<L_ac，因此i_Ldc2可以近似为零。当开关器件S₁关断，该工作模态结束。

4、工作模态4[t₃-t₄]：在t₃时刻开关器件S₁关断，D₁导通续流，S₂、S₁和D₂均关断，C_D2经输入电源2U_in、L_dc1、L_dc2和D₁回路进行充电，C_S2经L_dc1、L_dc2和D₁回路进行放电，L_dc2电流反向谐振上升，C_D2两端电压上升，C_S2两端电压下降；直至C_S2电压下降为零，C_D2电压上升为2U_in时该工作模态结束。

5、工作模态5[t₄-t₅]：在t₄时刻C_S2两端电压下降为零，开关器件S₂体二极管D_S2导通续流，此时，D₁依然导通，S₁、S₂和D₂均关断；电流i_Ldc1线性下降，i_Ldc2反向线性下降；i_Ldc2为零时该工作模态结束。

6、工作模态6[t₅-t₆]：在t₅时刻i_Ldc2为零，电容C_D2、C_S2和电感L_dc2谐振，开关器件S₁导通时该模态结束。

Claims

1.一种基于双Buck逆变器的光伏发电装置，其特征在于，包括光伏阵列、Boost升压电路、三电感双Buck逆变器，光伏阵列输出的直流电能变换成为交流电能，为负载供电；Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、Boost升压电路开关器件S₀、Boost升压电路二极管D₀、直流侧储能电容C₁和C₂；三电感双Buck逆变器包括开关器件S₁及其反并联二极管D_S1、开关器件S₁的结电容C_S1、开关器件S₂及其反并联二极管D_S2、开关器件S₂的结电容C_S2、二极管D₁及其结电容C_D1、二极管D₂及其结电容C_D2、直流滤波电感L_dc1和L_dc2、交流滤波电感L_ac、滤波电容C_f、负载；光伏阵列与光伏侧储能电容C₀并联连接，光伏阵列输出正极与Boost升压电感L₀相连，Boost升压电感L₀另一端与Boost升压电路开关器件S₀的集电极、Boost升压电路二极管D₀的阳极相连，Boost升压电路二极管D₀的阴极与直流侧储能电容C₁的一端、开关器件S₁的集电极、反并联二极管D_S1的阴极、二极管D₂的阴极相连，直流侧储能电容C₁的另一端与直流侧储能电容C₂的一端相连并接地，直流侧储能电容C₂的另一端与Boost升压电路开关器件S₀的发射极、二极管D₁的阳极、滤波电容C_f的一端、开关器件S₂的发射极、反并联二极管D_S2的阳极、光伏阵列输出负极相连，开关器件S₁的发射极与反并联二极管D_S1的阳极、二极管D₁的阴极、直流滤波电感L_dc1的一端相连，直流滤波电感L_dc1的另一端与直流滤波电感L_dc2的一端、交流滤波电感L_ac的一端相连，直流滤波电感L_dc2的另一端与二极管D₂的阳极、开关器件S₂的集电极、反并联二极管D_S2的阴极相连，交流滤波电感L_ac的另一端与滤波电容C_f的另一端相连，负载与滤波电容C_f并联连接，开关器件S₁的结电容C_S1接于开关器件S₁的集电极和发射极之间、开关器件S₂的结电容C_S2接于开关器件S₂的集电极和发射极之间、二极管D₁的结电容C_D1与二极管D₁并联连接、二极管D₂的结电容C_D2与二极管D₂并联连接。