CN203911800U - 一种高频隔离型光伏逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高频隔离型光伏逆变器。该光伏逆变器包括前级高频隔离CUK电路和后级全桥逆变电路，该前级高频隔离CUK电路由电感L1、开关管Q1、电容C1、变压器T1、电容C2、二极管D1、电感L2、电容C3组成，开关管Q1采用IGBT管，该后级全桥逆变电路由四个开关管组成，上桥臂开关管Q2、Q4采用IGBT管，下桥臂开关管Q3、Q5采用MOSFET管。本实用新型公开的一种高频隔离光伏逆变器，具有驱动电路简单，传输效率高，体积小等优点，能够实现太阳能电池板与电网的电气隔离，可广泛应用在太阳能光伏并网发电系统中。

Description

一种高频隔离型光伏逆变器

技术领域

本实用新型属于发电技术领域，涉及一种太阳能光伏并网发电设备，尤其是一种高频隔离型光伏逆变器。

背景技术

光伏并网发电系统主要由太阳能电池板、光伏逆变器和电网组成。光伏逆变器是连接太阳能电池板和电网的核心设备。用来控制太阳能电池板运行于最大功率点和向电网注入正弦电流的功能。

目前的光伏逆变器采用的拓扑结构分为无变压器隔离型和变压器隔离型。

无变压器隔离型光伏逆变器具有成本低、体积小、重量轻的优点，广泛应用在小功率发电系统的场合。但由于没有变压器隔离，太阳能电池板阵列和电网之间存在电气连接，严重时会危害人身安全。同时并网电流中的直流分量控制和漏电流实时监测等技术问题是该类逆变器需要面对的难题。

变压器隔离型光伏逆变器能够实现太阳能电池板与电网的电气隔离，容易与薄膜电池配合使用。该类型逆变器又可分为工频隔离型和高频隔离型。

工频隔离逆变器先通过DC/AC变换，将太阳电池直流电能转化为交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成升压以及和电网的隔离。音频噪音大、体积大且笨重，转换效率低，这是工频隔离逆变器的主要缺点。

高频隔离逆变器先通过隔离DC/DC变换器将太阳电池的直流电升压转化为直流高压，然后通过逆变电路逆变输出，经低通滤波器后直接和电网相连。由于高频变压器的隔离作用，可以直接将逆变器的输出通过电感直接连接电网，大大减少了其设备体积和噪声，且提高了控制的灵活性。具有重量轻、体积小、成本低及太阳能电池板与电网隔离的优点。

高频隔离拓扑结构有正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式。对于正激式、反激式、推挽式结构中，存在变压器单相偏磁，利用率低的问题；对于半桥式、全桥式，存在驱动电路复杂，上、下开关管直通的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种高频隔离型光伏逆变器，该逆变器的拓扑结构能够实现太阳能电池板阵列与电网的电气隔离，并且控制简易，能量传输效率高。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种高频隔离型光伏逆变器，包括前级高频隔离CUK电路和后级全桥逆变电路，该前级高频隔离CUK电路包括电感L1、开关管Q1、电容C1、变压器T1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3，电感L1一端与输入电压Vpv相连，另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与变压器T1输入端相连，开关管Q1一端接入电感L1与电容C1之间，另一端分别与输入电压Vpv和变压器T1输入端相连，电容C2一端与变压器T1输出端相连，一端经电感L2后与输出电压Vdc相连，输出电压Vdc还与变压器T1输出端相连，二极管D1一端接入电容C2与电感L2之间，另一端与变压器T1输出端相连，电容C3一端与输出电压Vdc相连，另一端与变压器T1输出端相连；后级全桥逆变电路包括上桥臂开关管Q2、Q3和下桥臂开关管Q4、Q5四个开关管以及分别对应连接在开关管Q2、Q3、Q4、Q5上的二极管D2、D3、D4、D5，输出电压Vdc之间接入有串联的开关管Q2、Q3和串联的开关管Q4、Q5，电感L3与电容C4串联后，电感L3接入开关管Q2、Q3之间，电容C4接入开关管Q4、Q5之间，电容C4上连接有交流电压。

开关管Q1采用IGBT管，上桥臂开关管Q2、Q4采用IGBT管，下桥臂开关管Q3、Q5采用MOSFET管。

高频隔离CUK电路的输出电压Vdc与输入电压Vpv的关系为Vdc＝Vpv×D/n(1-D)，其中变压器的匝比n＝n1/n2(原边/副边)，脉冲占空比D＝ton/T，ton为导通时间，T为导通周期。

高频隔离CUK电路的开关管Q1的驱动信号为频率15KHz的方波信号，方波信号的占空比D与输入电压Vpv的大小成反比。

全桥逆变电路的上桥臂IGBT开关管Q2、Q4作为极性控制器，工作在工频50Hz，下桥臂的MOSFET开关管Q3、Q5进行高频切换，控制逆变输出的幅值。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的高频隔离型光伏逆变器，具有驱动电路简单，传输效率高，体积小等优点，能够实现太阳能电池板与电网的电气隔离，具有体积小，重量轻的特点。可广泛应用在太阳能光伏并网发电系统中。且由于开关管无论在导通还是在截止期间，能量都能通过电感和电容传递到输出端，因此能量传输高。

本实用新型全桥逆变电路采用IBGT、MOSFET混合电路。由于MOSFET管的导通压降是线性的，在轻载的情况下有更低的导通压降，而IGBT管的导通压降是非线性特性，在满载情况下具有小的导通压降。采用IGBT管、MOSFET管混合组成逆变全桥电路，具有很高的逆变效率，不论在轻载还是满载情况下。

附图说明

图1是一种高频隔离型光伏逆变器电路原理图。

图2是高频隔离型CUK电路在开关导通时的等效电路图。

图3是高频隔离型CUK电路在开关截止时的等效电路图。

图4是逆变电路的驱动信号以及输出电压、逆变电流仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，一种高频隔离型光伏逆变器，包括前级高频隔离CUK电路和后级全桥逆变电路，该前级高频隔离CUK电路包括电感L1、开关管Q1、电容C1、变压器T1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3；电感L1一端与输入电压Vpv相连，另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与变压器T1输入端相连，开关管Q1一端接入电感L1与电容C1之间，另一端分别与输入电压Vpv和变压器T1输入端相连，电容C2一端与变压器T1输出端相连，一端经电感L2后与输出电压Vdc相连，输出电压Vdc还与变压器T1输出端相连，二极管D1一端接入电容C2与电感L2之间，另一端与变压器T1输出端相连，电容C3一端与输出电压Vdc相连，另一端与变压器T1输出端相连；后级全桥逆变电路包括上桥臂开关管Q2、Q3和下桥臂开关管Q4、Q5四个开关管以及分别对应连接在开关管Q2、Q3、Q4、Q5上的二极管D2、D3、D4、D5，输出电压Vdc之间接入有串联的开关管Q2、Q3和串联的开关管Q4、Q5，电感L3与电容C4串联后，电感L3接入开关管Q2、Q3之间，电容C4接入开关管Q4、Q5之间，电容C4上连接有交流电压。其中，开关管Q1采用IGBT管，上桥臂开关管Q2、Q4采用IGBT管，下桥臂开关管Q3、Q5采用MOSFET管。

其中，高频隔离CUK电路的输出电压Vdc与输入电压Vpv的关系为Vdc＝Vpv×D/n(1-D)，其中变压器的匝比n＝n1/n2(原边/副边)，脉冲占空比D＝ton/T，ton为导通时间，T为导通周期。高频隔离CUK电路的开关管Q1的驱动信号为频率15KHz的方波信号，方波信号的占空比D与输入电压Vpv的大小成反比。

同时，全桥逆变电路采用单极性双边调制方式。全桥逆变电路的上桥臂IGBT开关管Q2、Q4作为极性控制器，工作在工频50Hz，下桥臂的MOSFET开关管Q3、Q5进行高频切换，控制逆变输出的幅值。

图1是本实用新型的硬件电路基础。包括高频隔离CUK电路和后级逆变全桥电路。

如果输入电压Vpv小于Vdc(设置为400V)，CUK电路增大占空比，升压为Vdc后输出，为后级逆变全桥电路提供足够的母线电压，将直流电逆变为交流电注入电网。

如果输入电压Vpv大于Vdc，CUK电路减小占空比，降压为Vdc后输出，为后级逆变全桥电路提供足够的母线电压，将直流电逆变为交流电注入电网。

如果输入电压Vpv等于Vdc，CUK电路调整占空比，保持Vdc后隔离输出，为后级逆变全桥电路提供足够的母线电压，将直流电逆变为交流电注入电网。

CUK电路的输出电压Vdc与输入电压Vpv的关系为Vdc＝Vpv×D/n(1-D),其中变压器的匝比n＝n1/n2(原边/副边),脉冲占空比D＝ton/T,ton为导通时间，T为导通周期。

电容C3采用多个450V/1000uF铝电解电容并联的方式来达到设计目标的耐压值、容量值，实现功率解耦功能。

后级逆变全桥电路由四个开关管组成。采用单极性双边调制方式。全桥电路的上桥臂IGBT开关管Q2、Q4作为电流极性控制器，控制逆变输出的正弦交流电的极性，工作在工频50Hz。下桥臂的MOSFET开关管Q3、Q5进行高频切换，控制逆变输出的正弦交流电流的幅值。

后级逆变电路的工作过程是：电网电压正半周时，开关管Q2导通，开关管Q5高频开通关断，开关管Q3、Q4关断；开关管Q5导通时，逆变电流经开关管Q2、电感L3、交流电网、开关管Q5向电网供电。开关管Q5关断时，并网电流经过开关管Q2、、电感L3、交流电网、二极管D4构成续流回路续流。

类似地，电网电压负半周时，开关管Q4导通，开关管Q3高频开通关断，开关管Q2、Q5关断；开关管Q3导通时，电流经开关管Q3、电感L3、交流电网、开关管Q4向电网供电。开关管Q3关断时，并网电流经过开关管Q3、电感L3、交流电网、二极管D5构成续流回路续流。

图2是高频隔离型CUK电路在开关导通时的等效电路图。其工作过程是：在开关管Q1导通期间，输入电压Vpv直接加载到电感L1上对电感L1充电，C1上的电压直接加载到变压器T1的原边，C1放电，变压器T1的副边感应出的电流对负载供电，这时C1、C2都处于放电状态。C2的放电电流对负载供电并供电感L2储能，续流二极管因反偏二截止。

图3是高频隔离型CUK电路在开关截止时的等效电路图。其工作过程是：在开关管Q1截止期间，电感L1释放能量，电容C1充电储能，充电电流通过变压器T1感应到副边对C2充电，负载电流从续流二极管流过，电感L2将储能释放给负载供电。

图4是逆变电路的驱动信号以及输出电压、逆变电流仿真图。从上到下依次为开关管Q5、Q4、Q3、Q2驱动波形、滤波前电压波形、输出并网电流波形。

本实用新型提供的全桥逆变电路采用IBGT、MOSFET混合电路。由于MOSFET管的导通压降是线性的，在轻载的情况下有更低的导通压降，而IGBT管的导通压降是非线性特性，在满载情况下具有小的导通压降。采用IGBT管、MOSFET管混合组成逆变全桥电路，具有很高的逆变效率，不论在轻载还是满载情况下。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高频隔离型光伏逆变器，其特征在于，包括前级高频隔离CUK电路和后级全桥逆变电路，该前级高频隔离CUK电路包括电感L1、开关管Q1、电容C1、变压器T1、电容C2、二极管D1、电感L2和电容C3；电感L1一端与输入电压Vpv相连，另一端与电容C1一端相连，电容C1另一端与变压器T1输入端相连，开关管Q1一端接入电感L1与电容C1之间，另一端分别与输入电压Vpv和变压器T1输入端相连，电容C2一端与变压器T1输出端相连，一端经电感L2后与输出电压Vdc相连，输出电压Vdc还与变压器T1输出端相连，二极管D1一端接入电容C2与电感L2之间，另一端与变压器T1输出端相连，电容C3一端与输出电压Vdc相连，另一端与变压器T1输出端相连；后级全桥逆变电路包括上桥臂开关管Q2、Q3和下桥臂开关管Q4、Q5四个开关管以及分别对应连接在开关管Q2、Q3、Q4、Q5上的二极管D2、D3、D4、D5，输出电压Vdc之间接入有串联的开关管Q2、Q3和串联的开关管Q4、Q5，电感L3与电容C4串联后，电感L3接入开关管Q2、Q3之间，电容C4接入开关管Q4、Q5之间，电容C4上连接有交流电压。

2.根据权利要求1所述的高频隔离型光伏逆变器，其特征在于，开关管Q1采用IGBT管，上桥臂开关管Q2、Q4采用IGBT管，下桥臂开关管Q3、Q5采用MOSFET管。

3.根据权利要求1所述的高频隔离型光伏逆变器，其特征在于，高频隔离CUK电路的输出电压Vdc与输入电压Vpv的关系为Vdc＝Vpv×D/n(1-D)，其中变压器的匝比n＝n1/n2(原边/副边)，脉冲占空比D＝ton/T，ton为导通时间，T为导通周期。

4.根据权利要求1所述的高频隔离型光伏逆变器，其特征在于，高频隔离CUK电路的开关管Q1的驱动信号为频率15KHz的方波信号，方波信号的占空比D与输入电压Vpv的大小成反比。

5.根据权利要求2所述的高频隔离型光伏逆变器，其特征在于，全桥逆变电路的上桥臂IGBT开关管Q2、Q4作为极性控制器，工作在工频50Hz，下桥臂的MOSFET开关管Q3、Q5进行高频切换，控制逆变输出的幅值。