一種采用混合型功率器件的光伏逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光伏并網(wǎng)逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】。包括由功率電路組成的功率逆變單元和逆變控制單元兩部分，功率逆變單元主要包括輸入EMI濾波電路、交錯并聯(lián)Boost升壓電路、采用混合器件的全橋逆變電路、輸出并網(wǎng)濾波電路，逆變控制單元主要包括電網(wǎng)相位檢測電路、采樣電路、及控制器。本發(fā)明采用雙級結(jié)構(gòu)，前級采用交錯并聯(lián)Boost升壓，減小了電流的波動，降低了輸出電壓紋波；后級逆變單元采用混合功率器件，有效減小了逆變損耗，提高系統(tǒng)效率。具有結(jié)構(gòu)簡單、電路容易控制、方便擴(kuò)容的特點(diǎn)。
【專利說明】一種采用混合型功率器件的光伏逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光伏并網(wǎng)逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種采用混合功率器件的光伏并網(wǎng)逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光伏硅材料提煉技術(shù)的進(jìn)步和成本的不斷下降，太陽能并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，作為電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電力電子變換器對于光伏系統(tǒng)整體性能與可靠性占有舉足輕重的地位。在太陽能光伏逆變器的設(shè)計(jì)中系統(tǒng)效率是重點(diǎn)考慮的因素之一，盡可能小的功率損耗不僅節(jié)省能量，還可以降低溫升，提高系統(tǒng)可靠性，并使系統(tǒng)更緊湊，從而降低了成本。常規(guī)的雙級式并網(wǎng)逆變器前級通常采用Boost升壓電路，后級采用相同規(guī)格功率管的全橋逆變，中間并聯(lián)大量電解電容進(jìn)行濾波和儲能。但是常規(guī)的Boost升壓電路輸出電流紋波較大，極大地影響了中間電解電容的使用壽命，并且前級電路擴(kuò)容困難，當(dāng)通過并聯(lián)多個功率管進(jìn)行擴(kuò)容時容易造成電流波動，降低了系統(tǒng)的可靠性。同時常規(guī)的全橋逆變電路四個功率管通常全部采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。當(dāng)四個功率管通常全部采用IGBT時，由于IGBT開關(guān)頻率相對于MOSFET低一些，開關(guān)速度較慢，諧波較大，并網(wǎng)電流波形較差。而當(dāng)四個功率管通常全部采用MOSFET時，MOSFET導(dǎo)通損耗大，降低了系統(tǒng)效率，較大功率時系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為避免上述技術(shù)存在的不足之處，提供一種采用混合型功率器件的光伏逆變器，為實(shí)現(xiàn)高可靠、高效率、低成本的中小功率光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制提供解決方案，其優(yōu)化的架構(gòu)和控制方法，可以方便的提高系統(tǒng)可靠性和效率，并提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0005]系統(tǒng)主要由輸入EMI濾波電路①、交錯并聯(lián)Boost升壓電路②、采用混合器件的全橋逆變電路③、輸出并網(wǎng)濾波電路④、電網(wǎng)相位檢測電路⑤、采樣電路⑥、控制器⑦等部分組成。其連接關(guān)系是:光伏電池板組連接經(jīng)過輸入EMI濾波電路①輸入到交錯并聯(lián)Boost升壓電路②，交錯并聯(lián)Boost升壓電路②通過直流母線與采用混合器件的全橋逆變電路③相連，全橋逆變電路③經(jīng)過輸出并網(wǎng)濾波電路④與外部電網(wǎng)相連?？刂破鳍咄ㄟ^采樣電路
⑥和電網(wǎng)相位檢測電路⑤分別與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③相連同時控制器通過輸出PWM和SPWM與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③的功率管相連。
[0006]進(jìn)一步的，交錯并聯(lián)Boost升壓電路②是由兩路Boost升壓電路并聯(lián)，每路輸出端分別串聯(lián)一個碳化硅(SIC) 二極管(Dl和D2)，兩個MOSFET功率管SI和S2以高頻交錯導(dǎo)通，通過控制SI和S2的占空比實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
[0007]進(jìn)一步的，全橋逆變電路③四個功率管采用混合型功率器件，上部兩個功率管S3和S5為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，并且分別反并聯(lián)一個碳化硅二極管，下部兩個功率管S4和S6為場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0008]進(jìn)一步的，全橋逆變電路③為單極性正弦波脈寬調(diào)制，功率管S3和S5以工頻速率互補(bǔ)導(dǎo)通，此工頻控制波與外部電網(wǎng)同步，功率管S4和S6受正弦脈寬調(diào)制波控制，且調(diào)制波與電網(wǎng)同步。
[0009]進(jìn)一步的，所述控制器⑦通過采樣直流母線電壓、電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流、電網(wǎng)頻率，及過零檢測電路，通過電流環(huán)反饋PI控制算法實(shí)現(xiàn)以光伏最大功率并網(wǎng)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著效益體現(xiàn)在:
[0011]1.前級核心拓?fù)錇閮蓚€Boost電路交錯并聯(lián)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)較高功率容量輸出，避免了開關(guān)管直接并聯(lián)引起的電流波動，降低了開關(guān)管的容量要求，提高了輸入電流紋波頻率，減小了紋波幅值，有利于濾波電路的設(shè)計(jì)和減小開關(guān)損耗。
[0012]2.全橋逆變電路的四個功率管采用混合型功率器件，通過上部采用兩個IGBT的工頻導(dǎo)通有效降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，發(fā)熱較小，提高了系統(tǒng)效率。而下部的兩個MOSFET以高頻正弦脈寬調(diào)制工作，諧波小，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量好。
[0013]3.交錯并聯(lián)Boost升壓電路輸出串聯(lián)二極管和全橋逆變的IGBT反并聯(lián)二極管均為碳化硅二極管，利用碳化硅二極管的零反向恢復(fù)時間，有效的提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)EMI。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中:
[0015]圖1為本發(fā)明光伏逆變器原理示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明光伏逆變器主電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明光伏逆變器交錯并聯(lián)Boost升壓電路控制波形示意圖；
[0018]圖4a為本發(fā)明光伏逆變器交錯并聯(lián)Boost升壓電路開關(guān)管SI導(dǎo)通、開關(guān)管S2關(guān)斷工作示意圖；
[0019]圖4b為本發(fā)明光伏逆變器交錯并聯(lián)Boost升壓電路開關(guān)管SI關(guān)斷、開關(guān)管S2關(guān)斷工作示意圖；
[0020]圖4c為本發(fā)明光伏逆變器交錯并聯(lián)Boost升壓電路開關(guān)管SI關(guān)斷、開關(guān)管S2導(dǎo)通工作示意圖；
[0021]圖5為本發(fā)明光伏逆變器采用混合功率器件的逆變電路控制波形示意圖；
[0022]圖6a為本發(fā)明光伏逆變器的逆變電路開關(guān)管S3和開關(guān)管S6關(guān)斷，開關(guān)管S4和開關(guān)管S5導(dǎo)通時逆變電路示意圖；
[0023]圖6b為本發(fā)明光伏逆變器的逆變電路開關(guān)管S3、開關(guān)管S4和開關(guān)管S6關(guān)斷，開關(guān)管S5導(dǎo)通時逆變電路示意圖；
[0024]圖6c為本發(fā)明光伏逆變器的逆變電路開關(guān)管S3和開關(guān)管S6導(dǎo)通，開關(guān)管S4和開關(guān)管S5關(guān)斷時逆變電路不意圖；
[0025]圖6d為本發(fā)明光伏逆變器的逆變電路開關(guān)管S3導(dǎo)通，開關(guān)管S4、開關(guān)管S5和開關(guān)管S6關(guān)斷時逆變電路不意圖。【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0027]圖1所示實(shí)施例提供一種采用混合型功率器件的光伏逆變器主要包括:輸入EMI濾波電路①、交錯并聯(lián)Boost升壓電路②、采用混合器件的全橋逆變電路③、輸出并網(wǎng)濾波電路④、電網(wǎng)相位檢測電路⑤、采樣電路⑥、控制器⑦等部分組成。其連接關(guān)系是:光伏電池板組連接經(jīng)過輸入EMI濾波電路①輸入到交錯并聯(lián)Boost升壓電路②，交錯并聯(lián)Boost升壓電路②通過直流母線與采用混合器件的全橋逆變電路③相連，全橋逆變電路③經(jīng)過輸出并網(wǎng)濾波電路④與外部電網(wǎng)相連。控制器⑦通過采樣電路⑥和電網(wǎng)相位檢測電路⑤分別與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③相連，同時控制器通過輸出PWM和SPWM與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③的功率管相連。
[0028]圖2所示實(shí)施例表明本發(fā)明一種采用混合型功率器件的光伏逆變器主電路的具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和連接:光伏陣列經(jīng)過輸入EMI濾波電路①，將功率輸入到交錯并聯(lián)Boost升壓電路②，經(jīng)過交錯并聯(lián)Boost升壓電路②升壓后產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓直流母線，接著輸入到采用混合功率器件的全橋逆變電路③，全橋逆變電路③輸出經(jīng)過LC濾波器和EMI濾波電路④與外部電網(wǎng)相連。
[0029]圖3所示實(shí)施例表明本發(fā)明一種采用混合型功率器件的光伏逆變器的交錯并聯(lián)Boost升壓電路的開關(guān)序列:在電感LI和L2電流連續(xù)模式下，假設(shè)開關(guān)管SI和開關(guān)管S2占空比小于0.5，在h?h階段，開關(guān)管SI導(dǎo)通，開關(guān)管S2關(guān)斷，在h?t2階段，開關(guān)管SI和開關(guān)管S2關(guān)斷，在t2?t3階段，開關(guān)管SI關(guān)斷，開關(guān)管S2導(dǎo)通，在t3?t4階段，開關(guān)管SI和開關(guān)管S2關(guān)斷。
[0030]圖4a所示實(shí)施例表明交錯并聯(lián)Boost升壓電路工作在h?I1階段，開關(guān)管SI導(dǎo)通，開關(guān)管S2關(guān)斷，電感LI中的電流開始上升，電感L2中的電流通過續(xù)流二極管D2給電容Co充電，并不斷減小。
[0031]圖4b所示實(shí)施例表明交錯并聯(lián)Boost升壓電路工作在h?t2階段和t3?t4階段，開關(guān)管SI和開關(guān)管S2都關(guān)斷，電感LI中的電流通過續(xù)流二極管Dl及電感L2中的電流通過續(xù)流二極管D2給電容Co充電，并都在不斷減小。
[0032]圖4c所示實(shí)施例表明交錯并聯(lián)Boost升壓電路工作在t2?t3階段，開關(guān)管SI關(guān)斷，開關(guān)管S2導(dǎo)通，電感LI中的電流通過續(xù)流二極管Dl給電容Co充電并不斷下降，電感L2中的電流開始上升。
[0033]圖4a、圖4b和圖4c所示交錯并聯(lián)Boost升壓電路工作穩(wěn)定后，電容Co的電壓基本保持穩(wěn)定，電容Co的作用主要是高頻紋波電壓進(jìn)行濾波。
[0034]圖5所示實(shí)施例表明本發(fā)明一種采用混合型功率器件的光伏逆變器的全橋逆變電路的開關(guān)序列以及與電網(wǎng)電壓電流的關(guān)系是:在電網(wǎng)電壓的正半周期，絕緣柵雙極型晶體管S3和場效應(yīng)晶體管S6保持關(guān)斷狀態(tài)，絕緣柵雙極型晶體管S5保持導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)晶體管S4以正弦調(diào)制波SPWM交替開關(guān)，對輸入電壓進(jìn)行調(diào)制。在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周期，絕緣柵雙極型晶體管S5和場效應(yīng)晶體管S4保持關(guān)斷狀態(tài)，絕緣柵雙極型晶體管S3保持導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)晶體管S6以正弦調(diào)制波SPWM交替開關(guān)，對輸入電壓進(jìn)行調(diào)制。[0035]圖6a所示實(shí)施例表明全橋逆變電路在電網(wǎng)電壓的正半周期，開關(guān)管S3和開關(guān)管S6保持關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管S5和開關(guān)管S4導(dǎo)通，此時直流母線像電網(wǎng)注入電流。
[0036]圖6b所示實(shí)施例表明全橋逆變電路在電網(wǎng)電壓的正半周期，開關(guān)管S3和開關(guān)管S6保持關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管S5導(dǎo)通，開關(guān)管S4關(guān)斷，此時開關(guān)管S5和開關(guān)管S3的反并聯(lián)_.極管D3形成回路為電網(wǎng)續(xù)流。
[0037]圖6c所示實(shí)施例表明全橋逆變電路在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周期，開關(guān)管S4和開關(guān)管S5保持關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管S3和開關(guān)管S6導(dǎo)通，此時直流母線像電網(wǎng)注入電流。
[0038]圖6d所示實(shí)施例表明全橋逆變電路在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周期，開關(guān)管S4和開關(guān)管S5保持關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管S3導(dǎo)通，開關(guān)管S6關(guān)斷，此時開關(guān)管S3和開關(guān)管S5的反并聯(lián)_.極管D4形成回路為電網(wǎng)續(xù)流。
[0039]整個光伏并網(wǎng)微逆變器裝置詳細(xì)工作原理如下:
[0040]太陽能電池板組件經(jīng)過EMI濾波電路①輸入到交錯并聯(lián)Boost升壓電路②，通過交錯并聯(lián)Boost升壓電路②對從太陽能電池板組件輸入的大范圍變化的光伏電壓進(jìn)行Boost升壓，交錯并聯(lián)Boost升壓電路②的兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通，控制方式如圖3所示。控制器⑦利用采樣電路⑥采樣直流母線和光伏輸入電壓，以及逆變輸出電流，通過控制算法來改變圖3控制序列的占空比可以達(dá)到不同輸入輸出電壓匹配的目的，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。交錯并聯(lián)Boost升壓電路②通過兩個續(xù)流碳化硅二極管Dl和D2、以及儲能電容Co向全橋逆變電路③提供穩(wěn)定的直流母線電壓。采用混合功率器件的全橋逆變電路③共有四個開關(guān)管S 3、S4、S5和S6，其中上部兩個功率管S3和S5為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，并且分別反并聯(lián)一個碳化硅二極管，下部兩個功率管S4和S6為場效應(yīng)晶體管(MOSFET);此全橋逆變電路為單極性正弦波脈寬調(diào)制，采用混合功率器件的全橋逆變電路③的控制序列如圖5所示，功率管S3和S5以工頻速率互補(bǔ)導(dǎo)通，此工頻控制波是由控制器⑦通過電網(wǎng)相位檢測電路⑤和鎖相環(huán)控制方法達(dá)到與外部電網(wǎng)同步，開關(guān)管S4和S6受正弦脈寬調(diào)制波控制，并且調(diào)制波與電網(wǎng)同步。全橋逆變電路③的輸出經(jīng)過EMI濾波電路(LCL低通濾波)連接到電網(wǎng)。
[0041]控制器⑦通過擾動交錯并聯(lián)Boost升壓電路②的兩個開關(guān)管的控制序列占空比，達(dá)到擾動直流母線電壓的目的，控制器⑦通過采樣電路⑥檢測直流母線電壓、電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)電流，通過PI控制算法改變?nèi)珮蚰孀冸娐发壑虚_關(guān)管S4和開關(guān)管S6的正弦脈寬序列的調(diào)制比，同時通過電網(wǎng)相位檢測電路⑤和鎖相環(huán)控制方法，以及上述的調(diào)制比產(chǎn)生與電網(wǎng)同步的正弦脈寬控制序列，從而來改變電網(wǎng)注入電流，來穩(wěn)定直流母線電壓擾動。通過采樣此時的注入電網(wǎng)電流和太陽能電池組件的輸入電壓，計(jì)算出擾動后的并網(wǎng)功率，與前一次并網(wǎng)功率相比較，確定下一次的擾動方向，從而達(dá)到最大功率輸出的目的，即完成了太陽能電池組件的最大功率點(diǎn)的跟蹤。
[0042]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，整體結(jié)構(gòu)靈活緊湊、性能可靠、效率高，前級核心拓?fù)錇閮蓚€Boost電路交錯并聯(lián)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)較高功率容量輸出，避免了開關(guān)管直接并聯(lián)引起的電流波動，降低了開關(guān)管的容量要求，提高了輸入電流紋波頻率，減小了紋波幅值，有利于濾波電路的設(shè)計(jì)和減小開關(guān)損耗。
[0043]全橋逆變電路的四個功率管采用混合型功率器件，通過上部采用兩個IGBT的工頻導(dǎo)通有效降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，發(fā)熱較小，提高了系統(tǒng)效率。而下部的兩個MOSFET以高頻正弦脈寬調(diào)制工作，諧波小，并網(wǎng)電流波形質(zhì)量好。
[0044]交錯并聯(lián)Boost升壓電路輸出串聯(lián)二極管和全橋逆變的IGBT反并聯(lián)二極管均為碳化硅二極管，利用碳化硅二極管的零反向恢復(fù)時間，有效的提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)EMI。
[0045]以上已將本發(fā)明做一詳細(xì)說明，以上所述，僅為本發(fā)明之較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能限定本發(fā)明實(shí)施范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種采用混合型功率器件的光伏逆變器，其特征在于，包括:輸入EMI濾波電路①、交錯并聯(lián)Boost升壓電路②、全橋逆變電路③、輸出并網(wǎng)濾波電路④、電網(wǎng)相位檢測電路⑤、采樣電路⑥、控制器⑦等部分；其連接關(guān)系是:光伏電池板組連接經(jīng)過輸入EMI濾波電路①輸入到交錯并聯(lián)Boost升壓電路②，交錯并聯(lián)Boost升壓電路②通過直流母線與采用混合器件的全橋逆變電路③相連，全橋逆變電路③經(jīng)過輸出并網(wǎng)濾波電路④與外部電網(wǎng)相連，控制器⑦通過采樣電路⑥和電網(wǎng)相位檢測電路⑤分別與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③相連，同時控制器通過輸出PWM和SPWM與交錯并聯(lián)Boost升壓電路②和全橋逆變電路③的功率管相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用混合型功率器件的光伏逆變器，其特征在于:交錯并聯(lián)Boost升壓電路②是由兩路Boost升壓電路并聯(lián)，每路輸出端分別串聯(lián)一個碳化硅(SIC) 二極管(Dl和D2)，兩個MOSFET功率管SI和S2以高頻交錯導(dǎo)通，通過控制SI和S2的占空比實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用混合型功率器件的光伏逆變器，其特征在于:全橋逆變電路③四個功率管采用混合型功率器件，上部兩個功率管S3和S5為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，并且分別反并聯(lián)一個碳化硅二極管，下部兩個功率管S4和S6為場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全橋逆變電路③，其特征在于:為單極性正弦波脈寬調(diào)制，功率管S3和S5以工頻速率互補(bǔ)導(dǎo)通，此工頻控制波與外部電網(wǎng)同步，功率管S4和S6受正弦脈寬調(diào)制波控制，且調(diào)制波與電網(wǎng)同步。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用混合型功率器件的光伏逆變器，其特征在于:所述控制器⑦通過采樣直流母線電壓、電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流、電網(wǎng)頻率，及過零檢測電路，通過電流環(huán)反饋PI控制算法實(shí)現(xiàn)以光伏最大功率并網(wǎng)。
【文檔編號】H02M7/5387GK103683313SQ201210336793
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月13日
【發(fā)明者】彭剛 申請人:武漢金天新能源科技有限公司