專利名稱：光伏發(fā)電系統(tǒng)的串聯(lián)諧振dc/dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC變換器，具體是輸入電壓可變化的、高頻的、串聯(lián)諧振軟開 關(guān)的、用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC/DC變換器。
背景技術(shù)：
DC/DC變換器是一種是用半導(dǎo)體開關(guān)器件，配合電感、電容器、變壓器等器件，通過 控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的快速導(dǎo)通、關(guān)斷來控制輸出直流電壓的變換電路，其功能是將不穩(wěn) 定、不可控的直流電壓變換為滿足系統(tǒng)要求的、可控的直流電壓。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，因為 光伏陣列輸出電壓隨溫度和光照強度等條件變化劇烈，無法直接與三相逆變器相連接向三 相電網(wǎng)中饋送電能。現(xiàn)階段國內(nèi)外的光伏逆變系統(tǒng)中，DC/DC變換器根據(jù)有無隔離變壓器，分為隔離型 的和非隔離型的。其中，隔離型DC/DC變換器，通常接入工頻隔離變壓器，這種結(jié)構(gòu)安全性 高、通過變壓器升壓幅度大，但是也存在一些缺點，工頻變壓器笨重、響應(yīng)慢，無法實現(xiàn)最大 功率點跟蹤，且對輸入電壓的范圍有限制。在千瓦級別的系統(tǒng)中，通過光伏陣列已經(jīng)能夠獲 得較高的輸入電壓，采用不隔離的DC/DC變換器代替隔離型變換器成為了可能。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，謝文濤、張東、呂征宇《光伏發(fā)電系統(tǒng)中前端DC/DC 變換器的設(shè)計》(機電工程，2007年第24卷第9期，P101-104)設(shè)計了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中 的前端DC/DC變換器。該變換器采用Boost電路拓撲，不但可使輸出電壓升高，滿足后級三 相逆變器的要求，而且可以達到很到的效率，滿足系統(tǒng)對效率的要求。另外，采用Boost電 路可以方便地跟蹤光伏陣列的最大功率點，實現(xiàn)負載匹配。但是，Boost電路的升壓幅度有 限，當(dāng)大幅度升壓時，開關(guān)器件的占空比較大，很難控制開關(guān)器件的通斷，且輸出的電壓易 不穩(wěn)定；光伏陣列與三相逆變器之間無隔離變壓器，兩者會互相影響，使得系統(tǒng)中諧波含量 高，影響并網(wǎng)的穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種隔離型的串聯(lián)諧振DC/ DC變換器。該變換器可適應(yīng)較寬的光伏陣列的輸出電壓變化，采用高頻隔離變壓器體積小、 響應(yīng)快，可實現(xiàn)快速最大功率點跟蹤。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括單極變換器、串聯(lián)諧振電路、高 頻隔離變壓器和快速不可控整流器，其中單極變換器用于將光伏陣列的直流電壓變換為 單極性脈沖電壓；串聯(lián)諧振電路用于將單極性脈沖電壓轉(zhuǎn)換為固定頻率的正弦電壓；高頻 隔離變壓器用于升壓和隔離作用；快速不可控整流器用于將高頻正弦電壓整流為穩(wěn)定的直 流電壓，為三相逆變器提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的直流母線電壓。所述的單極變換器，包括2個開關(guān)器件和2個快速二極管，開關(guān)器件分別與快速二 極管反并聯(lián)。通過控制兩個開關(guān)器件，單極變換器工作在3種模式下，且在諧振電流過零點 時控制開關(guān)器件的通斷，無開關(guān)損耗。3種模式分別為正諧振、零諧振和負諧振，正諧振是光伏陣列向串聯(lián)諧振電路注入電能，諧振的幅度增加；零諧振是光伏陣列對串聯(lián)諧振電路無 影響，單極變換器的輸出電壓為零；負諧振是串聯(lián)諧振電路通過快速二極管向光伏陣列中 回饋電能，調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率。所述的串聯(lián)諧振電路，由外加電容器與高頻隔離變壓器的漏感組成，如果高頻隔 離變壓器的漏感不足，可外加電感。電容器容量與電感容量確定其固有諧振頻率，單極變換 器中的開關(guān)器件切換頻率為固有諧振頻率。單極變換器的3種狀態(tài)模式作用時間是固有諧振周期的一半，且同一狀態(tài)模式無 法連續(xù)出現(xiàn)，3種狀態(tài)必須交替工作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果第一、采用隔離型DC/DC變換器，安 全性高；第二、隔離變壓器為高頻變壓器，體積小、響應(yīng)快，達到光伏陣列跟蹤最大功率點的 要求；第三、通過變壓器升壓，升壓倍數(shù)可以很高，而且整流后的直流電壓質(zhì)量高、穩(wěn)定；第 四、單極變換器只需2個開關(guān)器件，且基于串聯(lián)諧振軟開關(guān)控制，無開關(guān)損耗，開關(guān)頻率可 大幅提高。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例；圖2為單極變換器的三種工作狀態(tài)，1-單極變換器的輸出電壓，2-諧振電流，I-正 諧振狀態(tài)，II-零諧振狀態(tài)，III-負諧振狀態(tài)；圖3為DC/DC變換器的仿真結(jié)果圖，1-光伏陣列的輸出電壓，2-DC/DC變換器輸出 的電壓，其中變壓器的初級、次級繞組匝數(shù)比為1 1。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的實施例包括穩(wěn)壓電容8、單極變換器40、串聯(lián)諧振電路 50、高頻隔離變壓器16和快速不可控整流器20，其中穩(wěn)壓電容8增強光伏陣列輸出電壓 的穩(wěn)定性；單極變換器40用于將光伏陣列10的直流電壓26變換為單極性脈沖電壓；串聯(lián) 諧振電路50用于將單極性脈沖電壓轉(zhuǎn)換為固定頻率的正弦電壓；高頻隔離變壓器16用于 升壓和隔離作用；快速不可控整流器20用于將高頻正弦電壓整流為穩(wěn)定的直流電壓28，為 三相逆變器30提供高質(zhì)量、穩(wěn)定的直流母線電壓。如圖2所示，單極變換器40的輸出為零電壓或光伏陣列的電壓26，單極變換器40 的輸出電壓與諧振電流24的方向決定了其3種工作狀態(tài)。諧振電流24為正時，單極變換 器只能工作在正諧振狀態(tài)或零諧振狀態(tài)，正諧振狀態(tài)時，單極變換器40輸出光伏陣列電壓 26，諧振電流24與電壓26同向，此時開關(guān)器件2導(dǎo)通、6關(guān)斷；零諧振狀態(tài)時，單極變換器 40無輸出電壓，此時開關(guān)器件2關(guān)斷、6關(guān)斷，快速二極管36自動導(dǎo)通形成回路。諧振電流 24為負時，單極變換器只能工作在負諧振狀態(tài)或零諧振狀態(tài)，負諧振狀態(tài)時，單極變換器 40輸出光伏陣列電壓26，諧振電流24與電壓26反向，串聯(lián)諧振電路向光伏陣列10中回饋 電能，此時開關(guān)器件2和6都關(guān)斷，快速二極管32自動導(dǎo)通形成回路；零諧振狀態(tài)時，單極 變換器40無輸出電壓，此時開關(guān)器件2關(guān)斷、6導(dǎo)通。
單極變換器40的每種工作狀態(tài)持續(xù)時間為固有諧振周期的一半，由于單極變換 器40只能輸出單極性電壓，因此同一狀態(tài)無法連續(xù)工作兩個諧振半周期，必須是3種狀態(tài) 相互組合、交替出現(xiàn)。外加電容器12與高頻隔離變壓器16的漏感組成了串聯(lián)諧振電路50，如果漏感不 足以達到給定的諧振周期，可以另加電感14。電容器和電感的容量確定，串聯(lián)諧振的周期即 固定，單極變換器40的3種工作狀態(tài)的作用時間和開關(guān)頻率也確定。電容器的電壓12需 要檢測，用于故障保護和限定諧振的幅度，以保護開關(guān)器件。隔離變壓器16是高頻變壓器，體積較小，響應(yīng)速度快，輸出的高頻交流電壓經(jīng)過 快速不可控整流器20得到穩(wěn)定、高質(zhì)量的電壓28，作為三相逆變器30的直流母線電壓，經(jīng) 三相逆變器30調(diào)制后向三相電網(wǎng)饋送與電網(wǎng)電壓同頻率同相位的交流電流。該DC/DC變 換器可將輸出電壓28穩(wěn)定的升壓到較高倍數(shù)，因此可用于對高壓的三相電網(wǎng)饋送電能。如圖3所示，該DC/DC變換器的仿真圖例，高頻隔離變壓器初級、次級繞組匝數(shù)比 為1 1，高頻變壓器16只用于隔離，諧振頻率根據(jù)電容器和電感的選擇，設(shè)置為100kHz， 因此開關(guān)頻率是100kHz，單極變換器的3種工作狀態(tài)的作用時間為5us。從圖中看到，輸入 電壓26不穩(wěn)定，在極短的時間0. 5ms內(nèi)波動，該DC/DC變換器可對如此波動快速響應(yīng)，輸出 電壓28不受輸入電壓變化的影響穩(wěn)定在500V。元件列表
(2)開關(guān)器件
(6)開關(guān)器件
(8)電容器
(10)光伏陣列
(12)諧振電容器
(14)諧振電感
(16)高頻隔離變壓器
(20)快速不可控整流器
(22)諧振電容電壓
(24)諧振電流
(26)光伏陣列的輸出電壓
(28) DC/DC變換器的輸出電壓
(30)三相逆變器
(32)快速二極管
(36)快速二極管
(40)單極變換器
(50)串聯(lián)諧振電路
權(quán)利要求
一種串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，包括單極變換器(40)、串聯(lián)諧振電路(50)、高頻隔離變壓器(16)和快速不可控整流器(20)，其中單極變換器(40)用于將光伏陣列(10)的直流電壓(26)變換為單極性脈沖電壓；串聯(lián)諧振電路(50)用于將單極性脈沖電壓轉(zhuǎn)換為固定頻率的正弦電壓；高頻隔離變壓器(16)用于升壓和隔離保護作用；快速不可控整流器(20)用于將高頻正弦電壓整流為穩(wěn)定的直流電壓(28)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，其特征是，單極變換器(40) 包括開關(guān)器件(2，6)和快速二極管(32，36)，快速二極管(32)與開關(guān)器件(2)反并聯(lián)，快速 二極管(36)與開關(guān)器件(6)反并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，其特征是，根據(jù)諧振電流(24) 的方向，單極變換器(40)可輸出零電壓或光伏陣列(10)的電壓(26)，且有3種工作狀態(tài)， 分別為正諧振、零諧振和負諧振，每個狀態(tài)的工作時間為串聯(lián)諧振半周期，且同一狀態(tài)無法 連續(xù)出現(xiàn)，3種狀態(tài)必須交替工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，其特征是，諧振電流(24)為 正時，開關(guān)器件(6)保持關(guān)斷，變換器(40)只能工作在正諧振狀態(tài)或零諧振狀態(tài)，開關(guān)器件 (2)導(dǎo)通，則是正諧振狀態(tài)，開關(guān)器件(2)關(guān)斷，快速二極管(36)導(dǎo)通形成回路則是零諧振 狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，其特征是，諧振電流(24)為 負時，開關(guān)器件(2)保持關(guān)斷，變換器(40)只能工作在負諧振狀態(tài)或零諧振狀態(tài)，開關(guān)器件 (6)導(dǎo)通，則是零諧振狀態(tài)，開關(guān)器件(6)關(guān)斷，快速二極管(32)導(dǎo)通形成回路向光伏陣列 回饋電能，則是負諧振狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)諧振DC/DC變換器(100)，其特征是，在諧振電流(24) 的過零點時控制開關(guān)器件的通斷，開關(guān)頻率為串聯(lián)諧振固有頻率。
全文摘要
一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中的串聯(lián)諧振DC/DC變換器，包括單極變換器(40)、串聯(lián)諧振電路(50)、高頻隔離變壓器(16)和快速不可控整流器(20)，其中單極變換器(40)用于將光伏陣列(10)的直流電壓(26)變換為單極性脈沖電壓；串聯(lián)諧振電路(50)用于將單極性脈沖電壓轉(zhuǎn)換為固定頻率的正弦電壓；高頻隔離變壓器(16)用于升壓和隔離保護作用；快速不可控整流器(20)用于將高頻正弦電壓整流為穩(wěn)定的直流電壓(28)。該變換器(100)只有2個開關(guān)器件，控制方式簡單，無開關(guān)損耗，可用于較大規(guī)模的光伏陣列升壓、穩(wěn)壓，以便通過三相逆變器并網(wǎng)或向蓄電池中充電。
文檔編號H02M3/28GK101976952SQ20101050050
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者劉闖 申請人:劉闖