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CN109256974B - 一种太阳能逆变电路 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能逆变电路，其包括：升压电路、高频斩波电路、逆变电路以及控制器，升压电路输入端与太阳能电池正极连接，升压电路的输出端与高频斩波电路第一输入端连接；高频斩波电路的第一输入端与升压电路的输出端连接，高频斩波电路的第二输入端与升压电路的输入端连接，高频斩波电路的输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路输入端与高频斩波电路的输出端连接，逆变电路输出端与市电连接。由于通过在太阳能电池和第一电感之间设置第二开关管，使得在太阳能电池电压高于市电电压时，不需要采用升压电路对电池电压进行升压后再供给逆变电路，而是直接通过第二开关管直接将太阳能电池的电能供给逆变电路，提高了能源转换效率。

Description

一种太阳能逆变电路
技术领域
本申请涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种太阳能逆变电路。
背景技术
现在的光伏逆变电路中，因为光伏面板的输入电压属于不稳定电压，很多设计会在光伏输入端加入boost升压电压电路提高光伏逆变器的输入范围，但是逆变电路则实际为buck电路输出，一升一降使得系统的能源转换效率有所降低。
另外，在光伏逆变电路中，因为光伏面板对大地有一个寄生电容，在传统的隔离逆变电路中，太阳能电池对大地会产生高频的波动，导致共模电流过大，很容易造成漏电流过大等故障。
发明内容
本申请提供一种太阳能逆变电路，以提高能源转换效率。
根据第一方面，一种实施例中提供一种太阳能逆变电路，其包括：升压电路、高频斩波电路、逆变电路以及控制器，升压电路的输入端与太阳能电池正极连接，升压电路的输出端与高频斩波电路连接，升压电路用于将太阳能电池电压升高后输出至高频斩波电路；；高频斩波电路的输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路输出端与市电连接，用于将直流电转换为交流电；所述高频斩波电路包括第一开关管，第二开关管，第一电感，第一电容；第一开关管一端与升压电路输出端连接，另一端与第一电感串联后与逆变电路的输入端连接；第二开关管一端与太阳能电池正极连接，另一端连接在第一开关管和第一电感之间的节点上；第一电容连接在升压电路输出端与太阳能电池负极之间；所述控制器用于实时比较太阳能电池电压以及市电电压，当太阳能电池电压高于市电电压时，控制器控制第一开关管关断，控制器控制第二开关管按照开关周期不断地导通和关断进行高频斩波；当太阳能电池电压低于市电电压时，控制器控制第一开关管按照开关周期不断地导通和关断进行高频斩波。
优选地，当太阳能电池电压低于市电电压时，控制器还控制第二开关管一直导通。
优选地，所述升压电路包括第二电容、第二电感、第七开关管，第二电容连接于太阳能电池正极与负极之间，第二电感连接在升压电路的输入端与输出端之间，第七开关管的集电极连接于升压电路的输出端，第七开关管的发射极与太阳能电池负极连接，第七开关管的栅极或基极与控制器连接，所述控制器用于当太阳能电池电压低于市电电压峰值时，升压电路将太阳能电池电压升压后送入到第一电容。
优选地，所述逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管；第三开关管的集电极与高频斩波电路的输出端连接，第三开关管的发射极与市电火线连接；第四开关管的集电极与市电火线连接，第四开关管的发射极与太阳能电池负极连接；第五开关管的集电极与市电地线连接，第五开关管的发射极与太阳能电池负极连接；第六开关管的集电极与高频斩波电路的输出端连接，第六开关管的发射极与市电地线连接，上述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管的栅极受控于控制器。
依据上述实施例的太阳能逆变电路，由于通过在太阳能电池和第一电感之间设置第二开关管，使得在太阳能电池电压高于市电电压时，不需要采用升压电路对电池电压进行升压后再供给逆变电路，而是直接通过第二开关管直接将太阳能电池的电能供给逆变电路，提高了能源转换效率。同时，在逆变电路中，当使用的电平数目越多时，输出的谐波会越好，开关管的应力也会越小，同时输出滤波电感因为电平数的增加也可以相应减少，本申请由于引入了第二开关管，第二开关管在斩波时，增加了电平数目。进一步，控制器控制第一开关管高频斩波时，还控制第二开关管一直导通，使得太阳能电池仍参与对第一电感续流，提供能量，充分利用能量，第二开关管参与续流还会产生多电平，提高转换效率。进一步，逆变电路采用低频逆变电路，使得太阳能电池与大地不会产生高频的充放电，继而也就不会产生高频的共模电流。
附图说明
图1为一实施例电路图；
图2为一实施例太阳能电池电压与市电电压的波形图；
图3为图2的电压波形下第一开关管和第二开关管的驱动示意图；
图4为另一实施例太阳能电池电压与市电电压的波形图；
图5为图4的电压波形下第一开关管和第二开关管的驱动示意图；
图6为第三至第六开关管的驱动示意图；
图7为节点D O之间的电压差；
图8为节点CO之间的电压与A点市电电压的对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1，太阳能逆变电路包括升压电路10、高频斩波电路20、逆变电路30、控制器。
升压电路10输入端与太阳能电池PV正极连接，升压电路10的输出端与高频斩波电路20第一输入端连接；升压电路10包括第二电容C2，第二电感L2，第七开关管S7，第三二极管D3，第二电容C2连接于太阳能电池正极与负极之间，第二电感L2与第三二极管D3串联后连接在升压电路10的输入端与输出端之间，第七开关管S7的集电极连接于第二电感L2和第三二极管D3之间的节点上，第七开关管S7的发射极与太阳能电池PV负极连接，第七开关管S7的栅极或基极与控制器连接。其中，太阳能电池负极接地。
高频斩波电路20的第一输入端与升压电路10的输出端连接，高频斩波电路20的第二输入端与升压电路10的输入端连接，高频斩波电路20的输出端与逆变电路30的输入端连接。高频斩波电路20包括第一开关管S1，第二开关管S2，第一电感L1，第一电容C1，第一二极管D1，第二二极管D2；第一开关管S1与第一电感L1串联后连接在升压电路10的输出端与逆变电路的输入端之间；第二开关管S2与第二二极管D2串联后一端与太阳能电池正极连接，另一端连接在第一开关管S1和第一电感L1之间的节点上；第一电容C1连接在升压电路输出端与太阳能电池负极之间；第一二极管D1负极端连接在第一开关管S1和第一电感L1之间的节点上，正极端与太阳能电池负极连接。第一开关管S1和第二开关管S2的栅极或基极均与控制器连接。
逆变电路30输入端与高频斩波电路20的输出端连接，逆变电路30输出端与市电50连接。逆变电路30包括第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6；第三开关管S3的集电极与高频斩波电路20的输出端连接，第三开关管S3的发射极与市电50的火线连接；第四开关管S4的集电极与市电50的火线连接，第四开关管S4的发射极与太阳能电池PV负极连接；第五开关管S5的集电极与市电50的地线连接，第五开关管S5的发射极与太阳能电池PV负极连接；第六开关管S6的集电极与高频斩波电路20的输出端连接，第六开关管S6的的发射极与市电50的地线连接。第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6的栅极或基极分别与控制器连接。
开关管可以选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或半导体场效应晶体管(MOSFET)，控制器可以采用PWM调制器和比较电路构成。
下面结合附图，对本申请太阳能逆变电路的工作原理进行说明。
控制器实时比较太阳能电池电压和市电电压，请参考图1和图2，图2中的B点电压为图1中节点B的电压(即太阳能电池电压升压后的电压，B点电压为A点市电峰值电压加30V的固定值，)，图2中的PV电压为太阳能电池电压，图2中的曲线部分的A点市电电压即为图1中节点A的电压。当PV电压低于AO市电峰值电压与30V(典型值)之和时，由第七开关管S7、第三二极管D3和第二电感L2组成的升压电路会一直工作，并确保B点的电压＝A点电压峰值加30V，例如经典的360V。在t0-t1时间段，太阳能电池电压(即图中PV电压)大于市电电压，太阳能电池足以直接向市电供电，控制器驱动第一开关管S1和第二开关管S2的导通与关断如图3中t0-t1所示，驱动第一开关管S1关断，驱动第二开关管S2进行高频斩波。在t1-t2时间段，PV电压小于市电电压，此时太阳能电池不足以直接向市电供电，控制器驱动第一开关管S1和第二开关管S2的导通与关断如图3中t1-t2所示，驱动第二开关管S2在此时间段内全程导通，驱动第一开关管S1进行高频斩波，第二开关管S2在此时间段内全程导通，再加上第一开关管的两个电平，使得电路进入三电平工作状态，提高转换效率，减少第一电感的压差。与t0-t1时间段内一样，在t2-t3时间段中，PV电压大于市电电压，控制器驱动第一开关管S1和第二开关管S2的导通与关断如图3中t0-t1所示，驱动第一开关管S1关断，驱动第二开关管S2进行高频斩波。与t1-t2时间段内一样，在t3-t4时间段内，PV电压小于市电电压，控制器驱动第一开关管S1和第二开关管S2的导通与关断如图3中t1-t2所示，驱动第二开关管S2在此时间段内全程导通，参与续流，提供能量，充分利用能量，驱动第一开关管S1进行高频斩波。第一开关管S1高频斩波时，是按照开关周期不断地导通和关断进行高频斩波，第一开关管S1斩波占空比计算值D1＝市电电压瞬时值/PV电压*开关周期，第二开关管S2的斩波占空比计算值D2＝(VA-VPV)/(VB-VPV)，其中，VA为节点A的电压，VPV为太阳能电池电压，VB为节点B的电压。
以上过程可以看出，在太阳能电池电压大于市电电压时第一开光管是断开状态，太阳能电池通过第二开关管S2进行高频斩波直接向市电供电，而不必通过升压电路来对电池电压进行升压后再供给逆变电路，避免了先升压再降压，提高了能源转换效率。
为了方便理解三电平，PV电压小于市电电压，驱动第二开关管S2在此时间段内全程导通，驱动第一开关管S1进行高频斩波，使得DO电压如图7所示，可以看到DO电压存在0，V1，V2三种电平，其中V1为太阳能电池电压。V2为B点电压，而常规传统的逆变电路只会存在0，V1这样两个电平。另外也可以看到，在V2电平阶段，有V1电压参与续流。第一电感两端压差不大，这样的操作可以减少电感的损耗以及开关管损耗，提高转换效率。
第一开关管S1或第二开关管S2将直流电压转换成方波后通过第一电感L1输送给你逆变整流电路30，逆变整流电路30在控制器的控制下，使第三开关管S3至第六开关管S6的驱动状态如图6，并在50HZ的低频率下变换电压，使逆变整流电路30将直流电转换为交流电。
因为在光伏系统中，光伏面板对大地有一个寄生电容，这个寄生电容等效在图1中节点C和节点O之间，所以如果CO之间(即市电地线与太阳能电池负极之间)有高频电压波动，即会对这个寄生电容进行高频的充放电，继而产生高频的共模电流。
请参考图1和图8，逆变整流电路30中的第三开关管S3至第六开关管S6采用低频50Hz的开关控制信号，因此逆变整流电路30为低频逆变电路，使得节点C与节点O之间的电压呈现为低频状态，那么市电地线与太阳能电池负极之间就不会高频的充放电，也就不会产生高频的共模电流，这有益于电路不受干扰和破坏。
请参考图4，PV电压高于市电电压峰值，可以看到，输入的PV电压始终高于市电电压。控制器对第一开关管S1和第二开关管S2的驱动波形波形如图5所示。
控制器给第七开关管S7栅极低电平使第七开关管S7关断，控制器驱动第驱动第一开关管S1关断，驱动第二开关管S2进行高频斩波。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种太阳能逆变电路，其特征在于包括：升压电路、高频斩波电路、逆变电路以及控制器，升压电路的输入端与太阳能电池正极连接，升压电路的输出端与高频斩波电路连接，升压电路用于将太阳能电池电压升高后输出至高频斩波电路；高频斩波电路的输出端与逆变电路的输入端连接；逆变电路输出端与市电连接，用于将直流电转换为交流电；所述高频斩波电路包括第一开关管，第二开关管，第一电感，第一电容；第一开关管一端与升压电路输出端连接，另一端与第一电感串联后与逆变电路的输入端连接；第二开关管一端与太阳能电池正极连接，另一端连接在第一开关管和第一电感之间的节点上；第一电容连接在升压电路输出端与太阳能电池负极之间；所述控制器用于实时比较太阳能电池电压以及市电电压，当太阳能电池电压高于市电电压峰值时，控制器控制第一开关管关断，控制器控制第二开关管按照开关周期不断地导通和关断进行高频斩波；当太阳能电池电压低于市电电压峰值时，控制器控制第一开关管按照开关周期不断地导通和关断进行高频斩波；
当太阳能电池电压低于市电电压峰值时，控制器还控制第二开关管一直导通；
所述升压电路包括第二电容、第二电感、第七开关管，第二电容连接于太阳能电池正极与负极之间，第二电感连接在升压电路的输入端与输出端之间，第七开关管的集电极连接于升压电路的输出端，第七开关管的发射极与太阳能电池负极连接，第七开关管的栅极或基极与控制器连接，所述控制器用于当太阳能电池电压低于市电电压峰值时，升压电路将太阳能电池电压升压后送入到第一电容；
所述逆变电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管；第三开关管的集电极与高频斩波电路的输出端连接，第三开关管的发射极与市电火线连接；第四开关管的集电极与市电火线连接，第四开关管的发射极与太阳能电池负极连接；第五开关管的集电极与市电地线连接，第五开关管的发射极与太阳能电池负极连接；第六开关管的集电极与高频斩波电路的输出端连接，第六开关管的发射极与市电地线连接；控制器以低频控制上述第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管的栅极电平；
所述控制器包括PWM调制器和比较电路；
所述高频斩波时，斩波占空比为市电电压瞬时值除以太阳能电池电压再乘以开关周期。
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