CN102801179A

CN102801179A - 一种光伏并网微逆变器系统

Info

Publication number: CN102801179A
Application number: CN2011101378767A
Authority: CN
Inventors: 彭刚
Original assignee: WUHAN JINTIAN NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及光伏并网微逆变器系统，通过对单块太阳能电池板组件输入电压和电流的检测，采用Flyback拓扑电路结构，利用最大功率点跟踪(MPPT)技术，获得太阳能电池板最大能量输出，进行150W～250W光伏并网微逆变器的设计，对每块太阳能电池板进行独立的组件逆变，直接输出交流母线电压，从而可以从各组件分别获得最高功率和最大能量输出，使太阳能电池板阵列整体达到最大的能量转换效率。本发明摆脱了成本高、危险的高压直流电路，并且单独问题组件不会影响其它组件，从而不会显著降低系统整体效率，克服了传统集中式逆变器的缺点。具有故障率低、安装简易、灵活性强、维护方便的特点。

Description

一种光伏并网微逆变器系统

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，特别是涉及一种直接在光伏电池板组件上进行并网逆变的微功率逆变器系统。

背景技术

目前光伏并网逆变器常用的结构是集中式。所谓“集中式”是指若干光伏太阳能电池板通过并联和串联组成一个阵列，产生大功率的直流电压，然后在集中通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流馈入电网。“集中式”并网逆变器不仅有危险的高压直流电路，安装时组件也要求尽量一致，阵列结构变更和扩容困难。而且“集中式”并网逆变器对实际环境适应性差，实际应用中诸如出现阴影遮挡、云雾变化、污垢积累和组件效率衰减不均等内外部不理想条件时，单独问题组件会影响系统其它组件，从而显著降低了系统整体效率。一旦单个电池板出现故障会导致整个系统故障。当集中式逆变器出现故障时，整个太阳能电池板阵列产生的能量将白白浪费，能量损失大。而光伏并网微逆变器是一种直接在光伏电池板组件上进行并网逆变的微功率逆变器，更能体现太阳能的“分布式”特点。分布式架构的微功率逆变器，由于使每个电池板组件都具有MPPT功能，不仅可以比集中式逆变提高太阳能光电转换率20％，而且由于故障风险分散了，整个系统的故障率很低，不会因单点故障导致整个系统故障，克服了传统集中式逆变器的薄弱环节。安装时间和成本也降低15％～25％。

发明内容

本发明的目标是针对集中式光伏并网逆变器的缺点，直接在光伏电池板组件上进行逆变，直接输出交流母线电压，从而可以从各电池板组件分别获得最高功率和最大能量输出，使太阳能电池板阵列整体达到最大的能量转换效率。弥补了现有技术的不足。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：系统由FlyBack变换电路、桥式逆变电路、并网EMC电路、电网相位检测电路、微控制器构成。FlyBack变换电路从太阳能电池板组件得到光伏电压，变压器原边是2个推挽式高频SPWM工作的开关管，进行进网电流正弦调制以及MPPT控制，实现电流源高频变换。采用MPPT算法获得最大功率后中间通过变压器进行隔离，再通过桥式逆变电路进行逆变，副边两条支路各工作半个工频周期，每条支路有一个工频控制的开关管，副边两个开关管互补导通且与电网同步。同时，电网相位检测电路进行过零检测，将过零信号送给微控制器。由MPPT算法得到电流幅值与电网同相位的单位正弦半波相乘得到调制波，再与三角载波比较，经过比例积分控制得到原边开关管所需的SPWM驱动信号。而副边2个开关管驱动信号直接由电网采样信号经过零检测电路(ZCD：Zero Crossing Detection)得到，两者互补导通。这样，微控制器控制逆变电路产生的正弦波交流信号与电网同频率、同相位，经并网EMC电路馈入电网，完成组件逆变功能。

按照输出电压和二次侧电感电流的极性，该电路有四种工作模式。每一种工作模式相当于一个反激DC/DC变换器，构成一个flybcak变换器。当u_o＞0、i_o＞0时，S1高频斩波，S3常通，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＜0、i_o＞0时，S₃斩波，S₄常通，负载Z_L向电源U_i回馈能量；当u_o＜0、i_o＜0时，S₂高频斩波，S₄常通，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＞0、i_o＜0时，S₄斩波，S₃常通，负载ZL向电源Ui回馈能量。

为了使上述电路进行逆变，在隔离变压器副边和S₃、S₄之间分别串入2个二极管D₁₁和D₂₂，以及续流电感L_f。副边两个开关管互补导通，在工频正负半周两条支路上电压电流关系相同，在某次开关周期中，当原边某个开关管S导通时，此时反激变压器原边电感电流线性上升，其电流峰值由S的导通时间(占空比)决定。当原边开关管S关断时，此时副边二极管D₁₁导通。能量通过反激变压器副边释放到电网。之后副边电流线性下降，当副边电流降为零后，进入断续。此时滤波电容C_f向电网供电，直到原边开关管再导通，进入下一开关周期。

与现有技术相比，本发明的显著效益体现在：

1、本发明将传统的集中式光伏逆变结构改为组件逆变结构，摆脱了成本高、危险的高压直流电路，对实际环境适应性强。

2、对光伏板组件一致性要求降低，实际应用中诸如出现阴影遮挡、云雾变化、污垢积累和组件效率衰减不均等内外部不理想条件时，单独问题组件不会影响其它组件，从而不会显著降低系统整体效率，克服了传统集中式逆变器的薄弱环节。

3、由于每个光伏电池板组件都带有MPPT功能，系统整体效率比集中式逆变可提高20％。系统具有故障率低、安装简易、灵活性强、维护方便的特点。每个微逆变器结构相同，可以互换，方便扩容和维护。

附图说明

图1是本发明微逆变器结构示意图；

图2是本发明微逆变器原理示意图；

图3是本发明微逆变器主电路结构示意图；

图4是本发明主电路工作模式的示意图；

图5是本发明主电路另一工作模式的示意图；

图6是本发明主电路另一工作模式的示意图；

图7是本发明主电路另一工作模式的示意图

图8是本发明逆变电路示意图；

图9是本发明逆变电路工作过程示意图；

图10是本发明逆变电路另一工作过程示意图；

图11是本发明逆变电路另一工作过程示意图。

具体实施方式

如图1至图11所示，具体实施方式是：FlyBack变换电路①以推挽式电路拓扑的结构进行电流源高频变换，桥式逆变电路②进行工频逆变。可以看出该电路结构简单：变压器原边是2个推挽式高频SPWM工作的开关管，进行进网电流正弦调制以及MPPT控制；中间通过变压器进行隔离；副边两条支路各工作半个工频周期。其中，每条支路有一个工频控制的开关管，副边两个开关管互补导通且与电网同步。

按照输出电压和二次侧电感电流的极性，该电路有四种工作模式。每一种工作模式相当于一个反激DC/DC变换器。当u_o＞0、i_o＞0时，等效电路图4所示：S1高频斩波，S3常通，则U_i、S₁、W₁、W₃、S₃、C_f、Z_L和D₄构成一个flybcak变换器，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＜0、i_o＞0时，等效电路如附图5所示：S₃斩波，S₄常通，则U_i、D₂、W₂、W₃、S₃、C_f、Z_L和S₄构成一个flybcak变换器，负载Z_L向电源U_i回馈能量；当u_o＜0、i_o＜0时，等效电路如附图6所示：S₂高频斩波，S₄常通，则U_i、S₂、W₂、W₃、C_f、Z_L、S₄和D₃构成一个flybcak变换器，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＞0、i_o＜0时，等效电路如附图7所示：S₄斩波，S₃常通，则U_i、D₁、W₁、W₃、S₃、C_f、Z_L和S₄构成一个flybcak变换器，负载ZL向电源Ui回馈能量。

为了使上述电路进行逆变，在隔离变压器副边和S₃、S₄之间分别串入2个二极管D₁₁和D₂₂，以及续流电感L_f，如附图8所示。由于副边两个开关管互补导通，在工频正负半周两条支路上电压电流关系相同，因此以工频正半周为例，说明逆变器的工作过程。在某次开关周期中，当原边某个开关管S导通时，如附图9所示。此时反激变压器原边电感电流线性上升，其电流峰值由S的导通时间(占空比)决定。当原边开关管S关断时，如附图10所示。此时副边二极管D₁₁导通。能量通过反激变压器副边释放到电网。之后副边电流线性下降，当副边电流降为零后，进入断续，如附图11所示。此时滤波电容C_f向电网供电，直到原边开关管再导通，进入下一开关周期。

本发明将传统的集中式光伏逆变结构改为组件逆变结构，即微逆变器，摆脱了成本高、危险的高压直流电路，对实际环境适应性强。同时，对光伏板组件一致性要求降低，实际应用中诸如出现阴影遮挡、云雾变化、污垢积累和组件效率衰减不均等内外部不理想条件时，单独问题组件不会影响其它组件，从而不会显著降低系统整体效率，克服了传统集中式逆变器的薄弱环节。由于每个光伏电池板组件都带有MPPT功能，系统整体效率比集中式逆变可提高20％。系统具有故障率低、安装简易、灵活性强、维护方便的特点。

本发明与现有技术相比，整体结构灵活但紧凑，性能可靠，效率高，维护方便。每个微逆变器结构相同，可以互换，方便扩容和维护。

Claims

1.一种光伏并网微逆变器系统，其特征在于：系统由FlyBack变换电路、桥式逆变电路、并网EMC电路、电网相位检测电路和微控制器构成；FlyBack变换电路从太阳能电池板组件得到光伏电压，采用MPPT算法获得最大功率后通过桥式逆变电路进行逆变；同时电网相位检测电路进行过零检测，将过零信号送给微控制器；由MPPT算法得到电流幅值与电网同相位的单位正弦半波相乘得到调制波，再与三角载波比较，经过比例积分控制得到原边开关管所需的SPWM驱动信号；而副边两个开关管驱动信号直接由电网采样信号经过零检测电路(ZCD：Zero Crossing Detection)得到，两者互补导通；微控制器控制逆变电路产生的正弦波交流信号与电网同频率、同相位，经并网EMC电路馈入电网；FlyBack变换电路以推挽式电路拓扑的结构进行电流源高频变换，桥式逆变电路进行工频逆变；当u_o＞0、i_o＞0时，S1高频斩波，S3常通，则U_i、S₁、W₁、W₃、S₃、C_f、Z_L和D₄构成一个flybcak变换器，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＜0、i_o＞0时，S₃斩波，S₄常通，则U_i、D₂、W₂、W₃、S₃、C_f、Z_L和S₄构成一个flybcak变换器，负载Z_L向电源U_i回馈能量；当u_o＜0、i_o＜0时，S₂高频斩波，S₄常通，则U_i、S₂、W₂、W₃、C_f、Z_L、S₄和D₃构成一个flybcak变换器，电源U_i向负载Z_L传递能量；当u_o＞0、i_o＜0时，S₄斩波，S₃常通，则U_i、D₁、W₁、W₃、S₃、C_f、Z_L和S₄构成一个flybcak变换器，负载ZL向电源Ui回馈能量；为了使上述电路进行逆变，在隔离变压器副边和S₃、S₄之间分别串入2个二极管D₁₁和D₂₂，以及续流电感L_f；在某次开关周期中，当原边某个开关管S导通时，反激变压器原边电感电流线性上升，其电流峰值由S的导通时间(占空比)决定；当原边开关管S关断时，副边二极管D₁₁导通。能量通过反激变压器副边释放到电网；之后副边电流线性下降，当副边电流降为零后，进入断续，滤波电容C_f向电网供电，直到原边开关管再导通，进入下一开关周期。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述变压器原边是2个推挽式高频SPWM工作的开关管组成FlyBack变换电路进行电流源高频变换，即电流正弦调制以及MPPT控制。

3.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述逆变结构为桥式逆变电路，与FlyBack变换电路是通过变压器进行隔离。

4.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述变压器副边两条支路各工作半个工频周期，每条支路有一个工频控制的开关管，副边两个开关管互补导通且与电网同步。

5.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述电网相位检测电路进行过零检测，将过零信号送给微控制器；由MPPT算法得到电流幅值与电网同相位的单位正弦半波相乘得到调制波，再与三角载波比较，经过比例积分控制得到原边开关管所需的SPWM驱动信号。

6.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述变压器副边2个开关管驱动信号直接由电网采样信号经过零检测电路得到，两者互补导通；这样，微控制器控制逆变电路产生的正弦波交流信号与电网同频率、同相位，经并网EMC电路馈入电网。

7.根据权利要求1所述的一种光伏并网微逆变器系统，其特征是：所述微逆变器对每块太阳能电池板进行独立的组件逆变，直接输出交流母线电压，产生的光伏并网能量为150W～250W。