專利名稱：一種新的兩級式交流光伏模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于高電壓增益的DC-DC變換器和単相混合箝位型三電平逆變器的新的兩級式交流光伏模塊。
背景技術(shù)：
近年來，隨著能源危機和環(huán)境問題日益嚴重，太陽能、風能、地熱能和潮汐能等可再生能源的利用越來越受到人們的關(guān)注。其中太陽能以其范圍廣、資源豐富、無污染、無噪音等優(yōu)點而擁有廣闊的應(yīng)用前景。隨著社會的發(fā)展，人們對于電カ的需求急速增長，在此情況下太陽能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)運而生，人們對于太陽能光伏發(fā)電的研究也越來越多。顧名思義，光伏發(fā)電就是將太陽能通過光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能的技木。近年來，交流光伏模塊作為小功率發(fā)電的重要技術(shù)受到廣泛應(yīng)用，這種技術(shù)也有了長足的進步。在這種模塊中，它將光伏模塊與逆變器集成起來，組成ー個整體的模塊，然后將所有的模塊輸出并入電網(wǎng)，這樣就解決了在傳統(tǒng)逆變器中存在的當逆變器和光伏模塊不匹配時出現(xiàn)的功率損耗問題。由于交流光伏模塊系統(tǒng)安置靈活，可實現(xiàn)系統(tǒng)中光伏組件最大功率點跟蹤的獨立控制，因此實驗證明在外部環(huán)境條件相同情況下其對光伏器件的利用率比其它光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高出12%。模塊集成逆變器(MIC, Module Integrated Converter)是交流光伏模塊系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，文獻[QuanLi ；ffolfs, P. ；A Review of the Single Phase Photovoltaic ModuleIntegrated ConverterTopologies With Three Different DC Link ConfigurationsPower Electronics，[J]. IEEETransactions on Volume 23，Issue 3，May 2008Page (s)1320-1333]回顧了多種不同的MIC結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。大多數(shù)拓撲都采用帶高頻變壓器的高頻升壓逆變技木，但高頻開關(guān)會増加開關(guān)損耗。為了提高逆變器的效率，有人采用無源或有源軟開關(guān)技木。然而，増加的無源或有源器件會使拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。由于太陽能電池板提供的直流電壓通常比較低，所以采用無隔離的變換器[Wuhua Li ；XiangningHe ；Revies of non-isolated high-step-up DC/DC converters in photovoltaicGrid-connected applications ；Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2011，page (s) 1239-1250]成為了可能。文獻[B. Sahan，A. Notholt-Vergara, A. Engler，P. Zacharias，Development of a single-stage three-phase PV module integratedconverter[C]，12th European Conference on Power Electronics and ApplicationsEPE, Aalborg，Denmark, September 2007，pp. 1-11]研究了一種單級三相電流源型非隔離MIC，但是該結(jié)構(gòu)局限應(yīng)用于幾百伏輸出電壓的薄膜光伏電池。多電平逆變器因其輸出諧波小，器件開關(guān)頻率低，電磁兼容性好等特性而成為高壓大功率領(lǐng)域的研究熱點，而這些優(yōu)良特性也正是交流光伏模塊逆變器所需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決直流側(cè)電容電壓平衡以及系統(tǒng)漏電流等問題，提供一種基于高電壓增益的DC-DC變換器和単相混合箝位型三電平逆變器的新的兩級式交流光伏模塊。具有高升壓比功能的DC-DC變換器的應(yīng)用省去了隔離變壓器，采用多級脈沖序列控制方法實現(xiàn)對DC-DC變換器直流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定控制，該控制方法同時減小了電壓的波動，提高了輸出功率，而單相三電平逆變器采用載波移相調(diào)制方法進行控制，方法簡單，便于設(shè)計。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案該交流光伏模塊采用兩級式的拓撲結(jié)構(gòu)，包括前級的DC-DC變換器和后級的單相混合箝位型三電平逆變器，其中DC-DC變換器由開關(guān)管M1、M2和電感L1、L2構(gòu)成，DC-DC變換器的輸入端與光伏電池連接，ー個輸出端與ニ極管Dl連接后，與另ー輸出端間并聯(lián)電容CO ;DC-DC變換器采用多級脈沖序列方式控制輸出電壓；単相混合箝位型三電平逆變器包括由串聯(lián)的ニ極管D2、D3以及跨接在ニ極管D2、D3串聯(lián)電路兩端的電容C3組成的混合箝位電路，以及由IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)和電容Cl、C2組成的逆變器，逆變器的輸出端經(jīng)電感L3輸出交流電；單相混合箝位電路采用載波移相控制方式對逆變器進行控制。所述多級脈沖序列方式控制是在連續(xù)的若干個開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)DC-DC變換器的工作狀態(tài)，通過多個不同等級的脈沖信號組成的脈沖序列來實現(xiàn)對電路的控制；即在開關(guān) 周期起始時刻，若電壓誤差信號Ve大于設(shè)定的臨界值Vref表明此時輸出電壓與基準值Vo差距較大，其中Ve = Vref-Vo，需要較大的能量來減小這個差距，因此將選定第一級脈沖P1作為控制信號；若Ve處于Vref與零之間，表明此時輸出電壓略低于基準值，需要較小的能量，因此選定第二級脈沖P2作為控制信號；若Ve處于零與-Vref之間，表明輸出電壓略高于基準值，將選定第三級脈沖P3作為控制信號；若Ve小于-Vref，表明輸出電壓超出基準值較大，將選定第四級脈沖P4作為控制信號，根據(jù)以上的原理，若干個周期的脈沖信號組成ー個脈沖序列來實現(xiàn)對變換器的控制。所述載波移相控制方式一般用在級聯(lián)型多電平逆變器和飛跨電容型多電平逆變器中。對三電平逆變器，每相采用2個具有相同頻率和相同峰峰值的三角載波與正弦波相比較；2個三角載波間相移180度。這個相移使得產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使最終疊加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的2倍，因此可在不提高開關(guān)頻率的條件下，大大減小輸出諧波。本發(fā)明的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，它由DC-DC變換器加単相三電平混合箝位型逆變器組合而成。系統(tǒng)前級為高增益DC-DC變換器，這種變換器具有較高的靜態(tài)升壓比，因此可以省去了隔離變壓器，這大大減小了系統(tǒng)的體積和重量。系統(tǒng)后級為ー個単相的混合箝位型的三電平逆變器，相較于ニ極管箝位的三電平逆變器來說，該種結(jié)構(gòu)有效解決了直流側(cè)的電容電壓不平衡的問題，同時系統(tǒng)的漏電流問題也得到解決。該電路省去了常用的變壓器，大大減小了系統(tǒng)的尺寸，使得整個模塊更加輕便，利于安裝和維護，但是也増加了開關(guān)的個數(shù)。本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理I高增益DC-DC變換器的原理該結(jié)構(gòu)中包含兩個開關(guān)，兩個電感，以及一個輸出ニ極管和一個輸出電容。兩個開關(guān)輸入相同的導(dǎo)通信號，如圖2a_c所示為電路在電流連續(xù)模式(CCM)及電流斷續(xù)模式(DCM)下的導(dǎo)通狀態(tài)，以及其電路的穩(wěn)態(tài)分析如下。
DC-DC變換器的等效電路圖2a開關(guān)導(dǎo)通，圖2b開關(guān)關(guān)斷，圖2cDCM模式下開關(guān)關(guān)斷DC-DC變換器的理想波形，圖3a電流連續(xù)模式，圖3b電流斷續(xù)模式。假設(shè)所有的器件都處于理想狀態(tài)，在理想狀態(tài)下做出電路的穩(wěn)態(tài)分析。I. I電流連續(xù)模式下的穩(wěn)態(tài)分析(I)在^t1之間，開關(guān)Ml和M2導(dǎo)通，如圖2a電感L1、L2開始儲能，輸出電容Co中的能量開始釋放，此時LI、L2的電壓為Vu = VL2 = Vin ；(2)在trt2之間，開關(guān)M1、M2關(guān)閉，如圖2b此時LI、L2的電壓為
權(quán)利要求
1.一種新的兩級式交流光伏模塊，其特征是，它包括前級的DC-DC變換器和后級的單相混合箝位型的三電平逆變器，其中DC-DC變換器由開關(guān)管Ml、M2和電感LI、L2構(gòu)成，DC-DC變換器的輸入端與光伏電池連接,一個輸出端與二極管Dl連接后，與另一輸出端間并聯(lián)電容CO ；DC-DC變換器采用多級脈沖序列方式控制輸出電壓； 單相混合箝位型的三電平逆變器包括由串聯(lián)的二極管D2、D3以及跨接在二極管D2、D3串聯(lián)電路兩端的電容C3組成的混合箝位電路，以及由Q1、Q2、Q3、Q4四個IGBT管和電容Cl、C2組成的單相逆變器，逆變器的輸出端經(jīng)電感L3輸出交流電；單相混合箝位電路采用載波移相控制方式對逆變器進行控制。
2.如權(quán)利要求I所述的新的兩級式交流光伏模塊，其特征是，所述多級脈沖序列方式控制是在連續(xù)的若干個開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)DC-DC變換器的工作狀態(tài)，通過多個不同等級的脈沖信號組成的脈沖序列來實現(xiàn)對電路的控制；即在開關(guān)周期起始時刻，若電壓誤差信號Ve大于誤差界值Vref表明此時輸出電壓與基準值Vo差距較大，其中Ve = Vref-Vo,需要較大的能量來減小這個差距，因此將選定第一級脈WP1作為控制信號；SVe處于Vref與零之間，表明此時輸出電壓略低于基準值，需要較小的能量，因此選定第二級脈沖P2作為控制信號；若Ve處于零與-Vref之間，表明輸出電壓略高于基準值，將選定第三級脈沖P3作為控制信號；若Ve小于-Vref,表明輸出電壓超出基準值較大，將選定第四級脈沖P4作為控制信號，根據(jù)以上的原理，若干個周期的脈沖信號組成一個脈沖序列來實現(xiàn)對變換器的控制。
3.如權(quán)利要求I所述的新的兩級式交流光伏模塊，其特征是，所述載波移相控制方式為對三電平逆變器，每相采用2個具有相同頻率和相同峰峰值的三角載波與正弦波相比較；2個三角載波間相移180度；在正弦波與三角波相交時刻,如果調(diào)制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件；反之，則關(guān)斷該器件；這個相移使得產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使最終疊加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的2倍，因此在不提聞開關(guān)頻率的條件下，大大減小輸出諧波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高電壓增益的DC-DC變換器和單相混合箝位型三電平逆變器的兩級式交流光伏模塊。它包括前級的DC-DC變換器和后級的單相混合箝位型的三電平逆變器，其中DC-DC變換器由開關(guān)管M1、M2和電感L1、L2構(gòu)成，DC-DC變換器的輸入端與光伏電池連接，一個輸出端與二極管D1連接后，與另一輸出端間并聯(lián)電容C0；DC-DC變換器采用多級脈沖序列方式控制輸出電壓；單相混合箝位型的三電平逆變器包括由串聯(lián)的二極管D2、D3以及跨接在二極管D2、D3串聯(lián)電路兩端的電容C3組成的單相混合箝位電路，以及由IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)和電容C1、C2組成的逆變器，逆變器的輸出端經(jīng)電感L3輸出交流電；單相混合箝位電路采用載波移相控制方式對逆變器進行控制。它減小了電壓的波動，提高了輸出功率，方法簡單，便于設(shè)計。
文檔編號H02M3/155GK102629836SQ201210120038
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者張承慧, 杜春水, 王洪禮, 陳阿蓮 申請人:山東大學