一種光伏微型逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光伏微型逆變器，所述逆變器包括升壓模塊和逆變模塊；所述升壓模塊包括前級DC?DC變換器和后級DC?DC變換器；光伏陣列(PV)、前級DC?DC變換器、后級DC?DC變換器和逆變模塊依次串聯(lián)。前級DC?DC變換器采用Sepic電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤和電壓的提升，后級DC?DC變換器負(fù)責(zé)進(jìn)一步抬升電壓達(dá)到電網(wǎng)等級，在升壓比大于10的同時實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。本發(fā)明充分利用開關(guān)損耗小的電路特點，發(fā)揮開關(guān)電容電路的高頻特性，可有效減小濾波器的體積和輸出紋波。
【專利說明】
一種光伏微型逆變器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光伏微型逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，光伏微型逆變器以其獨有的優(yōu)勢越來越受到關(guān)注。它是一種與單個光伏組件相連，可將光伏輸出的直流電直接變換成符合并網(wǎng)條件交流電的逆變器，功率一般在50?300W之間。光伏微型逆變器可以有效地防止局部陰影造成的功率損耗，通過簡化布線來降低安裝成本，利用相互獨立的架構(gòu)提高系統(tǒng)的整體可靠性。
[0003]光伏逆變器可分為單級結(jié)構(gòu)和兩級結(jié)構(gòu)。單級式的逆變器是指在一個功率環(huán)節(jié)中實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制、DC-AC逆變的光伏功率變換器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、逆變器效率高等優(yōu)點，但單級式逆變器要在一個功率環(huán)節(jié)實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制和逆變并網(wǎng)控制，控制對象多且相互耦合，增加了控制器的設(shè)計難度。兩級式的逆變器結(jié)構(gòu)雖然功率級數(shù)多，整機(jī)效率低于單級式逆變器，但其可以實現(xiàn)光伏板的最大功率點跟蹤與逆變器并網(wǎng)單獨控制，避免了逆變器并網(wǎng)工作對光伏器件輸出功率的影響，從整體上講更具經(jīng)濟(jì)價值。
[0004]目前很多規(guī)格的光伏電池的輸出電壓一般為30V左右，微逆變器就需要具備高增益的升壓功能，將直流側(cè)電壓提高至310V，才能完成逆變并網(wǎng)。普通的Boost電路在實際應(yīng)用中最高只能提供5倍的升壓比，因此無法單獨應(yīng)用于微型逆變器。而本專利所提出的拓?fù)渚邆涓咴鲆娴奶匦?，同時其功率密度大，諧振式開關(guān)電容的軟開關(guān)特性有助于提高效率，從升壓的角度非常適合應(yīng)用于微型逆變器中。但其調(diào)制范圍窄，不能實現(xiàn)最大功率點跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種光伏微型逆變器，通過設(shè)置升壓模塊實現(xiàn)了光伏電池的最大功率點跟蹤，同時將電壓提高便于直接逆變并網(wǎng)；并通過設(shè)置逆變模塊實現(xiàn)鎖相控制和直流側(cè)電壓控制，將直流電逆變成交流電并入電網(wǎng)。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種光伏微型逆變器，所述逆變器包括升壓模塊和逆變模塊;所述升壓模塊包括前級DC-DC變換器和后級DC-DC變換器;光伏陣列(PV)、前級DC-DC變換器、后級DC-DC變換器和逆變模塊依次串聯(lián)。
[0008]所述前級DC-DC變換器包括輸入電容ChSepic電路和輸出電容C2;
[0009]所述輸入電容電路并聯(lián)，Sepic電路與輸出電容C2并聯(lián)。
[0010]所述Sepic電路包括電感L1、電感L2、開關(guān)管Q1、二極管0!、電容C3和電容C2;所述開關(guān)管Q1采用N溝道MOSFET;
[0011]所述輸入電容C1與電感L1相連并且所連接處連接前級DC-DC變換器的輸入端，所述電感Li與開關(guān)管Qi串聯(lián)后與輸入電容Ci并聯(lián)，所述電容C3與電感L2串聯(lián)后與開關(guān)管Qi并聯(lián)，所述二極管Di與輸出電容C2相連后與電感L2并聯(lián)，二極管Di的陰極連接電容C2。
[0012]所述后級DC-DC變換器為諧振式開關(guān)電容電路；
[0013]所述后級DC-DC變換器包括開關(guān)管Q2、開關(guān)管Q3、諧振電容Cla、諧振電容Clb、諧振電容Cl。、穩(wěn)壓電容C2a、穩(wěn)壓電容C2b、穩(wěn)壓電容C2。、諧振電感Lr、二極管Dla、二極管D2a、二極管Dib、二極管D2b、二極管Dic以及二極管D2C ；
[0014]所述開關(guān)管出和開關(guān)管Q3均采用N溝道MOSFET。
[0015]所述開關(guān)管出和開關(guān)管Q3串聯(lián)形成出-03支路，所述Q2-Q3支路與后級DC-DC變換器的輸入端相接，所述開關(guān)管Q2的漏極連接后級DC-DC變換器的輸入端正極，其源極連接開關(guān)管Q3的漏極，所述開關(guān)管Q3的源極連接后級DC-DC變換器的輸入端負(fù)極；
[0016]所述諧振電感Lr一端連接開關(guān)管02的源級，其一端同時連接諧振電容Cla、諧振電容Clb和諧振電容C1。，所述二極管Dla的陽極與開關(guān)管出的漏極連接，所述二極管Dla、二極管D2a、二極管0^、二極管D2b、二極管0!。、二極管D2。按照先陽極后陰極依次連接，與穩(wěn)壓電容Cs。串聯(lián)后再與Q2-Q3支路并聯(lián)；
[0017]所述諧振電容Cla—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dla陰極連接;所述諧振電容Clb—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dlb陰極連接;所述諧振電容C1。一端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管D1。陰極連接；
[0018]所述穩(wěn)壓電容C2a—端與二極管D2a陰極連接，其另一端與開關(guān)管Q3的源極連接，所述穩(wěn)壓電容C2b—端與二極管D2b陰極連接，其另一端與管Q3的源極連接。
[0019]所述逆變模塊采用全橋逆變電路。
[0020]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下優(yōu)異效果:
[0021]l)Sepic電路運行在電感電流連續(xù)的模式下，開關(guān)管工作在零電流開通狀態(tài)下，開關(guān)損耗減小，諧振式開關(guān)電容電路中的開關(guān)管工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，開關(guān)損耗減??；
[0022]2)充分利用開關(guān)損耗小的電路特點，發(fā)揮開關(guān)電容電路的高頻特性，可有效減小濾波器的體積；
[0023]3)前級DC-DC變換器采用Sepic電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤和電壓的提升，后級DC-DC變換器負(fù)責(zé)進(jìn)一步抬升電壓達(dá)到電網(wǎng)等級，在升壓比大于10的同時實現(xiàn)了最大功率點跟足示O
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實施例中光伏微型逆變器的結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖2是本發(fā)明實施例中前級DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖3是本發(fā)明實施例中前級DC-DC變換器控制信號和電感電流波形圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實施例中后級DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖5是本發(fā)明實施例中后級DC-DC變換器的工作波形圖；
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明提供一種光伏微型逆變器，如圖1，所述逆變器包括升壓模塊和逆變模塊；升壓模塊實現(xiàn)了光伏電池的最大功率點跟蹤，同時將電壓提高便于直接逆變并網(wǎng)；逆變模塊實現(xiàn)鎖相控制和直流側(cè)電壓控制，將直流電逆變成交流電并入電網(wǎng)。
[0031 ]升壓模塊包括前級DC-DC變換器和后級DC-DC變換器;光伏陣列、前級DC-DC變換器、后級DC-DC變換器和逆變模塊依次串聯(lián)。
[0032 ] 如圖2，所述前級DC-DC變換器包括輸入電容C1、Sepi c電路和輸出電容C2;
[0033]所述輸入電容電路并聯(lián)，Sepic電路與輸出電容C2并聯(lián)。
[0034]所述Sepic電路包括電感U、電感L2、開關(guān)管Q1、二極管0工和電容C3;所述開關(guān)管&采用N溝道MOSFET;
[0035]所述輸入電容C1與電感L1相連并且所連接處連接前級DC-DC變換器的輸入端，所述電感Li與開關(guān)管Qi串聯(lián)后與輸入電容Ci并聯(lián)，所述電容C3與電感L2串聯(lián)后與開關(guān)管Qi并聯(lián)，所述二極管Di與輸出電容C2相連后與電感L2并聯(lián)，二極管0工的陰極連接電容C2。
[0036]所述Sepic電路，當(dāng)開關(guān)管控制信號為正時，開關(guān)管&處于導(dǎo)通狀態(tài)，所串接的電感電流逐漸增大；當(dāng)開關(guān)管信號為零時，開關(guān)管&處于關(guān)斷狀態(tài)，所串接的電感電流以更大的速率減少?？刂菩盘柡碗姼须娏鞯牟ㄐ稳鐖D3所示?？梢钥闯觯琒epic電路電流是連續(xù)的。此外，開關(guān)管Q1是零電流開通，降低了開關(guān)損耗。
[0037]所述后級DC-DC變換器為諧振式開關(guān)電容電路；
[0038]如圖4，所述后級DC-DC變換器包括開關(guān)管Q2、開關(guān)管Q3、諧振電容Cla、諧振電容Clb、諧振電容Cl。、穩(wěn)壓電容C2a、穩(wěn)壓電容C2b、穩(wěn)壓電容C2。、諧振電感Lr、二極管Dla、二極管D2a、二極管Dlb、二極管D2b、二極管Dlc以及二極管D2c ；
[0039]所述開關(guān)管出和開關(guān)管Q3均采用N溝道MOSFET。
[0040]所述開關(guān)管出和開關(guān)管Q3串聯(lián)形成出-03支路，所述Q2-Q3支路與后級DC-DC變換器的輸入端相接，所述開關(guān)管Q2的漏極連接后級DC-DC變換器的輸入端正極，其源極連接開關(guān)管Q3的漏極，所述開關(guān)管Q3的源極連接后級DC-DC變換器的輸入端負(fù)極；
[0041]所述諧振電感Lr一端連接開關(guān)管02的源級，其一端同時連接諧振電容Cla、諧振電容Clb和諧振電容C1。，所述二極管Dla的陽極與開關(guān)管出的漏極連接，所述二極管Dla、二極管D2a、二極管0^、二極管D2b、二極管0!。、二極管D2。按照先陽極后陰極依次連接，與穩(wěn)壓電容Cs。串聯(lián)后再與Q2-Q3支路并聯(lián)；
[0042]所述諧振電容Cla—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dla陰極連接;所述諧振電容Clb—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dlb陰極連接;所述諧振電容C1。一端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管D1。陰極連接；
[0043]所述穩(wěn)壓電容C2a—端與二極管D2a陰極連接，其另一端與開關(guān)管Q3的源極連接，所述穩(wěn)壓電容C2b—端與二極管D2b陰極連接，其另一端與管Q3的源極連接。
[0044]其理論上可以使輸入電壓提高4倍。同時，該后級DC-DC變換器通過加入一個諧振電感Lr，在特定的開關(guān)頻率下，利用準(zhǔn)諧振軟開關(guān)有效抑制了開關(guān)損耗。在開關(guān)管Q2SQ3任意一個開通時，由于諧振環(huán)的作用，開關(guān)管實現(xiàn)了零電流開通的機(jī)制。在諧振電流達(dá)到最大峰值后逐漸降低至零，由于二極管的作用電流不會繼續(xù)降到負(fù)值形成反向電流，使關(guān)斷時電流為零從而實現(xiàn)了軟開關(guān)，提高了整體效率。
[0045]諧振式開關(guān)電容變換器的開關(guān)器件控制信號，流經(jīng)開關(guān)管Q2、Q3和諧振電感Lr的理想電流波形如圖5所示。在開關(guān)管Q3開通時間to時，開關(guān)管出導(dǎo)通，由于諧振，電感流過正弦形式的電流。在電流截止時間^時，電流正向變?yōu)?，由于二極管的作用，電流不再變化。隨后關(guān)斷開關(guān)管Q3,在上管開通時間t2，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，電感流過反向的正弦形式的電流，在電流反向截止時間t3時，電感電流變?yōu)镺，由于二極管的作用，電流不再變化。隨后開關(guān)管出關(guān)閉，當(dāng)下管再次導(dǎo)通時，時間為t4，重復(fù)以上工作過程。電感的電流在to-tiM段正向正弦變化，tl_t2變?yōu)镺，t2_t3反向正弦變化，t3_t4變?yōu)镺。
[0046]諧振式開關(guān)電容變換器的每個工作周期可以分為4個模態(tài)，具體如下:
[0047]第一模態(tài)(to-ti):
[0048]to時刻，Q3導(dǎo)通，Q2關(guān)斷。Vi與Dla、Cla和Lr構(gòu)成回路，to時刻開始產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流從零開始逐漸上升，并按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流值再次達(dá)到零時，由于Dla的阻礙，電流不能反向，此后維持為零。此外，C2a、Dlb、Clb、Lr和Q3以及C2b、Dlc、Clc、Lr和Q3也都產(chǎn)生相同的諧振現(xiàn)象。因此，在t。時刻，Q3實現(xiàn)零電流開通。電壓栗升方面，Vi給Cla充電，C2a給Clb充電至2Vi，C2b給Clc充電至3Vi，C2c給負(fù)載供電。
[0049]第二模態(tài)Urt2):
[0050]諧振在^時刻停止，電感電流在此模態(tài)期間恒為零，兩個開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)。電容c2。給負(fù)載供電。
[0051]第三模態(tài)(t2-t3):
[0052]時刻，Q2導(dǎo)通，Q3關(guān)斷。Vi與D2a、Cla、C2a和Lr構(gòu)成回路，t2時刻開始產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流從零開始逐漸上升，并按照正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流值再次為零時，由于D2a的阻礙，電流不能反向，此后維持為零。此外，V1、Clb、D2b、C2b、Lr、Q2串聯(lián)構(gòu)成類似的回路。Vi還通過HC1c、D2。串聯(lián)在一起產(chǎn)生諧振，向負(fù)載供電。因此，t2時刻Q3實現(xiàn)了零電流開通。電壓栗升方面，Vi分別與 Cia、Clb、Clc 串聯(lián)在一起，將 C2a、C2b、C2c充電至 2V1、3V1、4Vi。
[0053]第四模態(tài)(七3-七4):
[0054]諧振在t3時刻停止，電感電流在此模態(tài)期間恒為零，兩個開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)。僅電容C2。再次給負(fù)載供電。
[0055]該諧振式開關(guān)電容變換器的可以實現(xiàn)從零負(fù)載到全負(fù)載范圍內(nèi)的軟開關(guān)，但其相關(guān)參數(shù)的選擇要滿足以下兩個條件才能保證變換器軟開關(guān)的正常工作。第一，開關(guān)頻率應(yīng)小于諧振頻率，開關(guān)動作應(yīng)在諧振電流經(jīng)正弦變化為零之后進(jìn)行;第二，諧振電容的電壓紋波應(yīng)予以限定。
[0056]所述逆變模塊采用全橋逆變電路。全橋逆變電路包括四個開關(guān)器件，兩組串連在一起的兩個開關(guān)管，定義為第一組和第二組。第一組兩個開關(guān)管中間位置接交流輸出側(cè)的一端，第二組兩個開關(guān)管中間位置接交流輸出側(cè)的另一端。第一組開關(guān)管和第二組開關(guān)管相并聯(lián)，與直流輸入相接。
[0057]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種光伏微型逆變器，其特征在于:所述逆變器包括升壓模塊和逆變模塊;所述升壓模塊包括前級DC-DC變換器和后級DC-DC變換器;光伏陣列、前級DC-DC變換器、后級DC-DC變換器和逆變模塊依次串聯(lián)； 所述前級DC-DC變換器包括輸入電容C1、S印i c電路和輸出電容C2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏微型逆變器，其特征在于:所述輸入電容&與5叩^電路并聯(lián)，Sep i c電路與輸出電容&并聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光伏微型逆變器，其特征在于:所述Sepic電路包括電感L1、電感1^2、開關(guān)管Q1、二極管D1、電容C3和電容&;所述開關(guān)管Q1采用N溝道MOSFET; 所述輸入電容C1與電感L1相連并且所連接處連接前級DC-DC變換器的輸入端，所述電感Li與開關(guān)管Qi串聯(lián)后與輸入電容Ci并聯(lián)，所述電容C3與電感L2串聯(lián)后與開關(guān)管Qi并聯(lián)，所述二極管D1與輸出電容C2相連后與電感L2并聯(lián)，二極管0工的陰極連接電容C2。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏微型逆變器，其特征在于:所述后級DC-DC變換器為諧振式開關(guān)電容電路； 所述后級DC-DC變換器包括開關(guān)管Q2、開關(guān)管Q3、諧振電容Cla、諧振電容Clb、諧振電容&。、穩(wěn)壓電容023、穩(wěn)壓電容021)、穩(wěn)壓電容02。、諧振電感1^、二極管013、二極管023、二極管011)、二極管D2b、二極管Dlc以及二極管D2c; 所述開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q3均采用N溝道MOSFET。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光伏微型逆變器，其特征在于:所述開關(guān)管出和開關(guān)管Q3串聯(lián)形成Q2-Q3支路，所述Q2-Q3支路與后級DC-DC變換器的輸入端相接，所述開關(guān)管Q3的漏極連接后級DC-DC變換器的輸入端正極，其源極連接開關(guān)管Q2的漏極，所述開關(guān)管Q2的源極連接后級DC-DC變換器的輸入端負(fù)極； 所述諧振電感Lr一端連接開關(guān)管出的漏級，其一端同時連接諧振電容Cla、諧振電容Clb和諧振電容C1。，所述二極管Dla的陽極與開關(guān)管出的源極連接，所述二極管Dla、二極管D2a、二極管Dlb、二極管D2b、二極管0工。、二極管D2。按照先陽極后陰極依次連接，與穩(wěn)壓電容C2。串聯(lián)后再與Q2-Q3支路并聯(lián)； 所述諧振電容Cla—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dla陽極連接;所述諧振電容Clb—端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dlb陰極連接;所述諧振電容C1。一端與諧振電感Lr連接，其另一端與二極管Dk陰極連接； 所述穩(wěn)壓電容C2a—端與二極管D2a陰極連接，其另一端與開關(guān)管Q3的漏極連接，所述穩(wěn)壓電容C2b—端與二極管D2b陰極連接，其另一端與管Q3的漏極連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏微型逆變器，其特征在于:所述逆變模塊采用全橋逆變電路。
【文檔編號】H02M3/155GK106099975SQ201610514059
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】周哲, 王光波
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 華北電力大學(xué)