專利名稱：高效率光伏逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電子功率變換，具體上涉及很高變換效率的、并 網(wǎng)的、單相光伏(PV)逆變器。
背景技術(shù)：
光伏(PV)電池產(chǎn)生直流(DC)功率，并且DC電流的等級依賴于太陽 輻照，并且DC電壓的等級依賴于溫度。當(dāng)期望交流電(AC)功率時，使 用逆變器來將DC能量變換為AC能量。典型的PV逆變器使用兩個級 來用于功率處理，第一級被配置來用于提供不變的DC電壓，第二級被 配置來用于將不變的DC電壓變換為AC電流。經(jīng)常地，第一級包括升 壓變換器，第二級包括單相或者三相逆變器系統(tǒng)。兩級逆變器的效率是 影響PV系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，并且是各個級效率的乘積，每個級典型 地導(dǎo)致系統(tǒng)損耗的一半。
單相光伏逆變器一般要求兩級變換功率電路，用于將PV陣列的變 化的DC電壓變換為電網(wǎng)的固定頻率的AC電壓。傳統(tǒng)的PV逆變器使 用DC鏈路來作為中間的能量存儲級，這意味著變換器首先將穩(wěn)定的DC 電壓變換為可以凈皮注入到電網(wǎng)內(nèi)的電流。
傳統(tǒng)的單相PV逆變器也不合需要地使用多個，即5個，開關(guān)器件 以固定開關(guān)頻率來控制功率電路，所述開關(guān)器件對整體的開關(guān)損耗有貢 獻(xiàn)。當(dāng)使用傳統(tǒng)的PV逆變器時，通過將開關(guān)頻率保持為低，將開關(guān)損 耗典型地保持得盡可能低。
具有優(yōu)點和益處的是，提供一種與居住有關(guān)的光伏逆變器，其使用 比傳統(tǒng)的PV逆變器所使用的更少的高頻開關(guān)器件。如果PV逆變器可 以使用自適應(yīng)數(shù)字控制技術(shù)來保證PV逆變器總是運(yùn)行在峰值效率，則 更具有優(yōu)點。
發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)一個實施例， 一種光伏(PV)逆變器包括降壓變換器，其被配置來響應(yīng)于可用的PV陣列功率驅(qū)動的電壓加
變換器運(yùn)行裕量，每當(dāng)其大于公用電網(wǎng)電壓時，產(chǎn)生整流的正弦波電流； 以及
電;危展開電^各(current unfolding circuit),其^J己置來響應(yīng)于所述 整流的正弦波電流而向所述〃〉用電網(wǎng)內(nèi)注入電;克。
根據(jù)另一個實施例， 一種光伏(PV)逆變器包括單個DC向AC變 換器，其被配置來對于大于所連接的公用電網(wǎng)的瞬時電壓加變換器運(yùn)行 裕量的PV陣列電壓等級，在降壓模式下運(yùn)行，并且進(jìn)一步被配置來對 于小于所述所連接的公用電網(wǎng)電壓的PV陣列電壓等級加裕量，在升壓 模式下運(yùn)行，使得所述PV逆變器響應(yīng)于所述可用的PV陣列功率而產(chǎn) 生整流的正弦波電流，并且進(jìn)一步使得所述PV逆變器響應(yīng)于所述整流 的正弦波電流而產(chǎn)生公用電網(wǎng)電流。
根據(jù)另一個實施例， 一種光伏(PV)逆變器^f皮配置來當(dāng)瞬時公用電網(wǎng) 電壓減去變換器運(yùn)行裕量小于PV陣列電壓時，作為降壓變換器運(yùn)行， 并且當(dāng)所述瞬時公用電網(wǎng)電壓減去變換器運(yùn)行裕量大于所述PV陣列電 壓時，作為升壓變換器運(yùn)行。
當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)說明時，將更好地理解本發(fā)明的這些和
其他特征、方面和優(yōu)點，其中，在全部附圖內(nèi)，類似的字符表示類似的
部分，其中
圖1圖解了本領(lǐng)域已知的光伏逆變器拓樸；
圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏逆變器拓樸；
圖3是圖解根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏逆變器硬開關(guān)拓樸的仿
真逆變器性能的圖4是圖解用于實現(xiàn)在圖3內(nèi)描繪的仿真逆變器性能的降壓升壓工
作周期的圖5圖解了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的、包括波紋電流消除電路 的光伏逆變器拓樸。
雖然上述附圖給出了替代實施例，但是也可以預(yù)期本發(fā)明的其他實 施例，如在討論內(nèi)所述。就一切情況而論，本7>開通過陳述而不是限制， 提供了本發(fā)明的說明性的實施例。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以設(shè)計多個其
5他修改和實施例，它們落在本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)。
具體實施例方式
圖1圖解了在本領(lǐng)域內(nèi)公知的光伏逆變器10的拓樸。光伏逆變器
IO使用兩級功率電路，以將PV陣列12的變化的DC電壓轉(zhuǎn)換為電網(wǎng) 14的固定頻率AC電壓。光伏逆變器10使用DC鏈路16來實現(xiàn)中間的 能量存儲級。這意味著PV逆變器IO首先將不穩(wěn)定的PVDC電壓18經(jīng) 由升壓變換器變換為大于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定的DC電壓20，隨后將穩(wěn)定的 DC電壓20經(jīng)由PWM電路24變換為隨后可以被注入到電網(wǎng)14內(nèi)的電 流22。光伏逆變器IO拓樸使用5個開關(guān)器件44、 46、 48、 50、 52,它 們在高頻下開關(guān)，并且不合需要地對兩級變換器的整體開關(guān)損耗做出貢 獻(xiàn)。
圖2圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光伏逆變器30硬開關(guān)拓樸。 光伏逆變器30拓樸克服了使用諸如參考圖1上述的DC鏈路來實現(xiàn)中間 的能量存儲級的必要，因為PV逆變器30拓樸將PV陣列12電壓直接 變換為等同于整流的電網(wǎng)電流的電流32。這個特征的實現(xiàn)是通過使用大 電容34來使PV陣列12增強(qiáng)穩(wěn)性(stiffen ),從而有效地將DC鏈路轉(zhuǎn) 移到PV陣列12。隨后的逆變器級36僅僅需要將電流32展開(unfold) 到電網(wǎng)14內(nèi)，并且這樣做沒有開關(guān)損耗。因此，與具有諸如圖1內(nèi)所 描繪的具有開關(guān)損耗的5個開關(guān)器件44、 46、 48、 50、 52的傳統(tǒng)變換 器相比，第一級40是具有來自單個器件42的開關(guān)損耗的僅有的級。光 伏逆變器30被配置來通過對器件54、 56進(jìn)行開關(guān)并且將器件40保持 為接通來在低輸入電壓下在升壓模式下運(yùn)行，由此消除它的開關(guān)損耗， 因此器件54和56是僅在這個升壓模式期間對開關(guān)損耗做出貢獻(xiàn)的僅有 器件。
作為進(jìn)一步的說明，光伏逆變器30當(dāng)它在下面進(jìn)一步詳細(xì)說明的 降壓模式下運(yùn)行時，使用單個高速開關(guān)42。光伏逆變器30當(dāng)它在下面 詳細(xì)說明的升壓模式下運(yùn)行時，也使用一對高速開關(guān)54、 56。
諸如參考圖1上述的傳統(tǒng)逆變器使用固定的開關(guān)頻率來控制功率電 路。本發(fā)明人認(rèn)識到當(dāng)變換效率很高時，可以通過使用自適應(yīng)數(shù)字控制 技術(shù)來獲得改進(jìn)。因此，可以使用自適應(yīng)數(shù)字控制器，其調(diào)節(jié)開關(guān)頻率 來補(bǔ)償對于各種運(yùn)行條件和溫度的半導(dǎo)體器件42、 54、 56和電感器58性能的改變，以便獲得盡可能高的變換效率。
作為總結(jié)說明，光伏逆變器30拓樸有益地通過大大減少在任何時
間點將在高頻下進(jìn)行開關(guān)的功率電子器件的數(shù)量而起作用。這個特征提 供了另外的益處，這是由于與可以被選擇來實現(xiàn)逆變器系統(tǒng)的較慢器件 相關(guān)聯(lián)的較低導(dǎo)通損耗而產(chǎn)生的。
在圖2內(nèi)所描繪的從電源到公共設(shè)施的串聯(lián)路徑也具有最少可能數(shù) 量的組件來將導(dǎo)通損耗保持為低。與在圖2內(nèi)所示的光伏逆變器30相 比，在圖1內(nèi)所示的光伏逆變器IO使用三個開關(guān)和串聯(lián)的兩個電感器， 圖2內(nèi)所示的光伏逆變器30具有三個開關(guān)和僅僅一個電感器58,該三 個開關(guān)其中之一被優(yōu)化以產(chǎn)生很低的導(dǎo)通損耗。
經(jīng)由諸如如上所述的大電容34而使光伏陣列源12增強(qiáng)穩(wěn)性。這個 大電容34有益地不損害系統(tǒng)的安全方面，因為PV源12是限流的。
第一級降壓變換器40被附接到電容器34，第一級降壓變換器40在 主電感器58內(nèi)產(chǎn)生全波整流的正弦波電流。這個電流然后通過連接到 PV逆變器30的輸出的全橋逆變器36被展開到電網(wǎng)14內(nèi)。
發(fā)現(xiàn)只要PV源電壓保持得比電網(wǎng)電壓高，PV逆變器30拓樸則 提供適合的工作結(jié)果。在PV源12電壓小于電網(wǎng)14電壓的情況下，則 PV逆變器30的運(yùn)行被配置來保證在主電感器58內(nèi)的電流總是從PV源 12流向電網(wǎng)14。其是通過持續(xù)地接通降壓開關(guān)42，并且使用傳統(tǒng)的脈 寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來高頻開關(guān)全橋逆變器36的兩個低側(cè)器件54、 56來 實現(xiàn)的。因此當(dāng)PV源12電壓小于電網(wǎng)14電壓時，PV逆變器30在升 壓模式下運(yùn)行。這個升壓模式有益地僅僅在大于PV源12電壓的正弦波 輸出電壓的部分期間是生效的。
根據(jù)一個實施例，在整流周期的正半周期間，左下的開關(guān)62總是 接通，右下的開關(guān)64總是斷開，上面兩個開關(guān)54、 56被調(diào)制以產(chǎn)生被 注入到電網(wǎng)14內(nèi)的升壓電流。
在整流周期的負(fù)部分期間，右下開關(guān)64總是接通，左下開關(guān)62總 是斷開，上面兩個開關(guān)54、 56被調(diào)制以成形(shape)升壓電流，并且 將升壓電流注入到電網(wǎng)14內(nèi)。
逆變器36可以容易地通過下述方式來產(chǎn)生必要的升壓電流通過 在整流周期的負(fù)部分期間接通右上開關(guān)56同時斷開左上開關(guān)54，然后 調(diào)制下面兩個開關(guān)62、 64以成形升壓電流，并且將升壓電流注入到電網(wǎng)14內(nèi)。當(dāng)下面兩個開關(guān)62、 64^^皮調(diào)制以產(chǎn)生升壓電流時，左上開關(guān) 54然后在整流周期的正部分期間被接通。
因為^U又當(dāng)必要時、即當(dāng)PV陣列12電壓小于電網(wǎng)14電壓時才4吏 用電流升壓(current boosting),因此，將逆變器開關(guān)效率提高到超過 當(dāng)與諸如參見圖i上述的傳統(tǒng)的PV逆變器拓樸相比較時可實現(xiàn)的逆變 器開關(guān)效率。
圖3是圖解根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、光伏逆變器硬開關(guān)拓樸的 仿真逆變器性能的圖。可以看到，當(dāng)使用在圖4內(nèi)描繪的降壓升壓工作 周期來產(chǎn)生在大約150瓦特和大約3000瓦特之間的輸出功率等級時， 逆變器效率在90%和接近98%之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，可以使用軟開關(guān)技術(shù)來容易地實現(xiàn)光 伏逆變器30以進(jìn)一步改善變換效率，該另一個實施例也使用同樣少數(shù) 量的、在高頻下開關(guān)的器件。軟開關(guān)拓樸的使用允許選擇具有較低的導(dǎo) 通損耗的較慢器件來用于各個PV逆變器的電流32展開部分內(nèi)。PV逆 變器30使用良好地適合于自適應(yīng)數(shù)字控制方法的使用的拓樸，以基于 諸如但不限于溫度、輸入電壓和負(fù)載功率等級的運(yùn)行條件來尋找系統(tǒng)的 最有效率的運(yùn)行點。
現(xiàn)在參見圖5, PV逆變器70拓樸包括波紋電流消除電路72,其提 供了用于減小主電感器58的尺寸而不損害系統(tǒng)的輸出波紋電流要求的 裝置。波紋電流消除電路72允許使用較小的電感器58,該電感器58具 有比使用較大電感器可實現(xiàn)的損耗更低的損耗，并且也允許使用準(zhǔn)諧振 開關(guān)，這大大地減少了主器件42的開關(guān)損耗。
由PV逆變器30、70拓樸提供的優(yōu)點包括但不限于降壓和升壓能力， 所迷能力被包含在單個DC向AC變換器內(nèi)，而不使用傳統(tǒng)的降壓/升壓 拓樸。其他優(yōu)點包括但不限于在單個PV逆變器內(nèi)使用多種技術(shù)來加 強(qiáng)高效率拓樸，諸如參考圖5上述的波紋電流消除能力；使用準(zhǔn)諧振開 關(guān)；良好地適合于自適應(yīng)數(shù)字控制方法的使用的拓樸，以基于但不限于 溫度、輸入電壓和負(fù)載功率等級的運(yùn)行條件來尋找系統(tǒng)的最有效率的運(yùn) 行點；以及，AC接觸器的選用級激活。
通過最小化在電源和負(fù)載之間開關(guān)的串聯(lián)功率半導(dǎo)體的數(shù)量來最 大化效率以及選擇功率半導(dǎo)體來實現(xiàn)最大效率相對于已知的PV逆變器 提供了進(jìn)一步的優(yōu)點。雖然已經(jīng)僅僅在此圖解和說明了本發(fā)明的特定特征，但是本領(lǐng)域內(nèi) 的技術(shù)人員可以進(jìn)行許多修改和改變。因此，應(yīng)當(dāng)明白，所附的權(quán)利要 求意欲涵蓋落入本發(fā)明的真實精神的所有這些修改和改變。元件列表
(IO)光伏逆變器 (12)PV陣列 (14)電網(wǎng)
(16)DC鏈路電容器
(18)不穩(wěn)定的PVDC電壓
(20)穩(wěn)定的DC電壓
(22)電流
(24)PWM電路
(30)光伏逆變器
(32)電流
(34)電容器
(36)逆變器級
(40)第一級
(42)開關(guān)器件
(44)開關(guān)器件
(46)開關(guān)器件
(48)開關(guān)器件
(50)開關(guān)器件
(52)開關(guān)器件
(54)開關(guān)器件
(56)開關(guān)器件
(58)電感器
(62)開關(guān)器件
(64)開關(guān)器件
(70)光伏逆變器
(72)波紋電流消除電路
權(quán)利要求
1.一種光伏(PV)逆變器(30)，包括降壓變換器(40)，該降壓變換器(40)被配置來響應(yīng)于可用的PV陣列(12)功率和公用電網(wǎng)(14)電壓，產(chǎn)生整流的正弦波電流(32)；以及電流展開電路(36)，該電流展開電路(36)被配置來每當(dāng)所述PV陣列(12)電壓加變換器(40)運(yùn)行裕量大于所述公用電網(wǎng)(14)電壓時，響應(yīng)于所述整流的正弦波電流(32)，控制被注入到公用電網(wǎng)(14)內(nèi)的電流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30),還包括在所述PV陣列(12) 和所述降壓變換器(40)之間的增強(qiáng)穩(wěn)性電容器(34 ) ( stiffening capacitor)，所述增強(qiáng)穩(wěn)性電容器(34)被配置來與所述降壓變換器(40) 一起在所述降壓變換器(40)和所述電流展開電路(36)之間沒有DC鏈路 的情況下，產(chǎn)生整流的正弦波電流(32)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30),其中，所述降壓變換器(40) 包括不超過一個高頻開關(guān)器件(42),并且所述電流展開電路(36)包括不超 過兩個高頻開關(guān)器件(54)、 (56)，并且進(jìn)一步其中，所述不超過兩個高頻 開關(guān)器件(54)、 (56)被配置來僅僅當(dāng)所述PV陣列(12)電壓加變換器(40) 運(yùn)行裕量小于所述瞬時的公用電網(wǎng)(14)電壓時來高頻開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30),其中，所述降壓變換器(40) 被保持接通以停止開關(guān)，并且所述電流展開電路(36)被配置來在PV陣 列(12)電壓加變換器(40)運(yùn)行裕量小于所述公用電網(wǎng)(14)電壓時在升壓 模式下工作，并且在PV陣列(12)電壓加變換器(40)運(yùn)行裕量大于所述公 用電網(wǎng)(14)電壓時使用輸出展開器(36) (unfolder)在降壓模式下工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30)，其中，所述降壓變換器(40) 包括不超過一個高頻開關(guān)器件(42),并且進(jìn)一步其中，所述不超過一個 高頻開關(guān)器件(42)是當(dāng)所述PV逆變器(30)在降壓模式下運(yùn)行時在高頻開 關(guān)模式下運(yùn)行的唯一的PV逆變器開關(guān)器件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30),還包括自適應(yīng)數(shù)字控制器， 該自適應(yīng)控制器被配置來響應(yīng)于期望的運(yùn)行特性而調(diào)節(jié)與所述降壓變 換器(40)和電流展開電路(36)相關(guān)聯(lián)的降壓升壓開關(guān)頻率，以實現(xiàn)比使用 固定開關(guān)頻率PV逆變器(30)技術(shù)可實現(xiàn)的效率更大的PV逆變器(30)效 率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的PV逆變器(30),其中，從PV陣列電壓等級、 PV逆變器環(huán)境運(yùn)行溫度、PV逆變器開關(guān)器件溫度和電網(wǎng)功率等級選擇 所述期望的運(yùn)行特性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的PV逆變器(30),其中，所述PV逆變器(30) 包括不超過一個高頻開關(guān)器件(42),以便所述PV逆變器(30)比包括多個 高頻開關(guān)器件的PV逆變器具有更少的固有EMI產(chǎn)生。
9. 一種光伏(PV)逆變器(30),該光伏(PV)逆變器(30)被配置來 每當(dāng)瞬時公用電網(wǎng)(14)電壓減去變換器(40)運(yùn)行裕量小于PV陣列(12)電 壓時，作為降壓變換器運(yùn)行，并且每當(dāng)所述瞬時公用電網(wǎng)(14)電壓減去 變換器(40)運(yùn)行裕量大于所述PV陣列電壓時，作為升壓變換器運(yùn)行。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的PV逆變器(30),還包括電流展開電路(36)， 該電流展開電路(36)被配置來最小化被注入到所述公用電網(wǎng)(14)內(nèi)的 DC電流量，而不論所述PV陣列(12)電壓加變換器(40)裕量是否大于或 者小于所述公用電網(wǎng)(14)電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高效率光伏逆變器。一種光伏(PV)逆變器(30)包括單個DC向AC變換器，其被配置來對于大于所連接的電網(wǎng)的瞬時電壓加變換器裕量的PV陣列電壓等級，僅僅在降壓模式下運(yùn)行，并且被進(jìn)一步配置來對于小于所述所連接的電網(wǎng)瞬時電壓的PV陣列電壓等級加裕量，僅僅在升壓模式下運(yùn)行，使得所述PV逆變器(30)響應(yīng)于所述可用的PV陣列(12)功率而產(chǎn)生整流的正弦波電流(32)，并且進(jìn)一步使得所述PV逆變器(30)響應(yīng)于所述整流的正弦波電流(32)而產(chǎn)生公用電網(wǎng)(14)電流。
文檔編號H02M7/48GK101615859SQ200910146279
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者J·S·格拉澤, 魯伊 M·A·德, R·L·施泰格瓦德 申請人:通用電氣公司