CN101594068B - 高效、多源光电逆变器 - Google Patents

高效、多源光电逆变器 Download PDF

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Abstract

光电(PV)逆变器系统(100)在降压转换器模式下持续工作，响应由多个降压转换器产生的多个全波整流正弦波电流(120)、(122)、(124)、(126)，在多个降压转换器共用的电流节点产生全波整流正弦波电流之和。当相应的DC电源电压(104)、(106)、(108)、(110)低于与PV逆变器系统(100)相连的公用电网的瞬时电压时，PV逆变器系统(100)增加提供给每个降压转换器的电压电平。

Description

高效、多源光电逆变器
技术领域
本发明通常涉及电子电源转换，尤其涉及非常高的转换效率、连接电网的、单相、多源光电(PV)逆变器。
背景技术
光电(PV)电池产生直流(DC)电源，其DC电流电平取决于太阳辐照并且其DC电压电平取决于温度。当需要交变电流(AC)电源时，使用逆变器将DC能源转换为AC能源。典型的PV逆变器使用两级电源处理：第一级配置成提供恒定DC电压并且第二级配置成将恒定DC电压转换成AC电压。第一级常包括升压转换器，第二级包括单相或者三相逆变器系统。两级逆变器的效率是影响PV系统性能的重要参数并且是单级效率的倍数，每级一般造成一半的系统损耗。
单相光电逆变器通常需要两级转换电源电路，以将PV阵列的变化的DC电压转换为电网的固定频率的AC电压。传统的PV逆变器使用DC链路作为中间能量存储步骤(intermediate energy storage step)，这意味着转换器首先将不稳定的PV阵列电压转换为稳定的DC电压，接着将稳定的电压转换为可以注入到电网的电流。
传统的单相PV逆变器的不受欢迎之处是利用多个开关装置(例如5个)，以固定的开关频率来控制电源电路，这些开关装置对总体开关损耗是有贡献的。当使用传统的PV逆变器时，一般通过将开关频率保持为低，使开关损耗保持尽可能的低。
既有利又有益的是提供一种住宅用的光电逆变器，比起传统的PV逆变器，它使用较少的高频开关装置。更加有利的是如果PV逆变器能够采用自适应数字控制技术以确保其即使在从多个输入源抽取电力时也一直工作在峰值效率，这里的输入源包括但不限于PV阵列、电池和燃料电池。
发明内容
简而言之，根据一个实施例，光电(PV)逆变器包括：
降压转换器，被配置成响应可用的PV阵列电源和公用电网的瞬时电压，在多个降压转换器共用的电流汇集节点产生全波整流正弦波电流；
升压电路，被配置为当PV阵列输出电压低于公用电网的瞬时电压时增加提供给降压转换器的电压电平；以及
电流扩展电路，包括开关装置，被配置为响应全波整流正弦波电流以与公用电网同步地开关从而构造AC电流。
根据另一个实施例，光电(PV)逆变器系统包括：
多个降压电路，每个降压电路与相应的DC电源相关连；以及
单个全桥电流扩展电路，
其中，每个降压电路被配置为持续地工作于降压模式下以产生相应的全波整流正弦波电流，多个降压电路被一起配置为通过汇集多个降压电路所产生的多个全波整流正弦波电流，在单个共用电流节点处产生合成的全波整流正弦波，以及该单个全桥电流扩展电路响应合成的全波整流正弦波电流，产生期望的公用电网AC电流。
根据本发明的另一个实施例，光电(PV)逆变器系统被配置为持续地工作于降压转换器模式下，从而响应多个降压转换器所产生的多个全波整流正弦波电流，在多个降压转换器共用的电流节点处产生全波整流正弦波电流之和，并且进一步地被配置为当相应的DC电源电压低于连接到PV逆变器系统的公用电网的瞬时电压时，借助相应的升压转换器增加提供给每个降压转换器的电压电平。
根据本发明的另一个实施例，光电(PV)逆变器系统包括：
多个软开关(soft switching)降压电路，每个软开关降压电路与相应的DC电源相关连并且被配置为实质上消除与相应的波形成形感应器相关的波纹电流；
与每个软开关降压电路对应的升压转换器，每个升压转换器被配置为，不在整个PV逆变器开关周期内持续地升压，从而使得因为不得不升压相应的DC电源电压而对PV逆变器系统效率产生的影响最小；以及
被配置为在其开关周期内工作于零电流和电压电平附近的单个全桥电流扩展电路，
其中每个软开关降压电路被配置为持续工作于降压模式下从而产生相应的全波整流正弦波电流，多个软开关降压电路一起被配置为通过汇集多个软开关降压电路产生的多个全波整流正弦波电流，在单个共用电流节点处产生合成的全波整流正弦波，以及单个全桥电流扩展电路产生期望的公用电网AC电流。
附图说明
参考附图阅读下面详细的说明将会更好的理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在附图中相同的符号表示相同的部分，其中：
图1示出了现有技术中公知的光电逆变器拓扑形态；
图2示出了根据本发明一个实施例的光电逆变器拓扑形态；
图3是表示根据本发明一个实施例的降压-升压开关方案的图；
图4示出了根据本发明另一个实施例的光电逆变器拓扑形态，其包括波纹电流消除电路；
图5示出了根据本发明一个实施例的多源输入光电逆变器拓扑形态。
虽然上述附图阐述了可选实施例，但是如在讨论中所指明的，本发明的其它实施例也是可预期的。在所有情况下，本公开内容通过说明的形式而非以限制的形式描述本发明的实施例。本领域的技术人员在本发明的范围和原理的精神内可以做出多种其它的修改和实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术中公知的光电逆变器10的拓扑形态。光电逆变器10使用两级电源电路将PV阵列12的变化的DC电压转换为用于电网14的固定频率的AC电流。光电逆变器10使用DC链路电容器16来实现中间能量存储步骤。这意味着PV逆变器首先通过升压转换器将不稳定的PV DC电压18转换为大于电网电压的稳定的DC电压20，然后通过PWM电路24将稳定的DC电压20转换成可以注入到电网14的电流22。光电逆变器10的拓扑形态采用5个开关装置44、46、48、50、52，它们都在高频下开关并且对两级转换器的总体开关损耗作出了的贡献，而这种贡献并非期望的。
图2示出了根据本发明的一个实施例的光电逆变器30硬开关(hardswitching)拓扑形态。由于PV逆变器30拓扑形态将PV阵列12电压直接转换成相当于整流电网电流的电流32，因此没有必要采用诸如图1所示的DC链路来实现中间能量存储步骤。该特征通过使用大电容器34强PV阵列12的每个引脚的稳定性来加以实现，因为大电容器使DC链路有效地偏转到PV阵列12上，从而在整流电网电流的产生期间稳定了PV阵列的输出电压。
随后的逆变器级36只需要将电流32扩展(unfold)到电网14，并且由于逆变器级开关装置54、56、58、60仅在公用电网14的零电压电平开关且电流为零，因此这样做不会产生开关损耗。与诸如图1所示的具有均产生开关损耗的5个高频开关装置44、46、48、50、52的传统逆变器10相比，第一级40是唯一有开关损耗的一级，该损耗来自高频降压开关装置62和高频升压开关装置64。
继续参考图2，光电逆变器30包括与二极管66和波形成形感应器68一起工作的降压电路开关62。PV逆变器30还包括与二极管70和升压感应器72一起工作的升压电路开关64。
包括开关62、二极管66和感应器68的降压电路始终处于工作状态；然而包括开关64、二极管70和感应器72的升压电路仅在PV阵列12的输出电压低于公用电网14的瞬时电压时工作。然后每当PV阵列12的输出电压低于公用电网的瞬时电压时，升压电路将来自PV阵列12的存储在升压感应器72的额外电流抽取至存储电容器74。跨越电容器34和电容器74的总的合成电压提供了使降压电路在升压工作模式期间保持工作状态所需的电压。
如图3中的实施例所示，上述降压和升压功能是动态起作用的。现在参考图3，无论何时只要公用电网的瞬时电压76超过期望的220伏特的PV阵列12输出电压，升压功能就起作用。当公用电网的瞬时电压76超过220伏特时，升压电容器74所提供的电压80被加至降压电压78从而允许有适当的降压。这有利于使升压转换器不在整个周期内持续升压，从而将不得不升压PV阵列电压而对效率的影响降低到最低程度。
诸如上面图1所示的传统逆变器以固定的开关频率来控制电源电路。本发明人认识到，当转换效率非常高时，可以利用自适应数字控制技术来获得改进。因此可以采用自适应数字控制器调整开关频率以补偿在各种工作条件和温度下半导体装置62、64和感应器68、72性能的变化，从而获得尽可能高的转换效率。
自适应数字控制技术可包括连接到降压电路开关62的升压电路开关64的控制信号，从而在某些情况下可以延迟开启升压开关64，并且升压开关64的关断可以相对于降压开关62的关断延迟进行，因此使得只有一个开关承载所有的损耗而其它的开关则不承载损耗。
总而言之，光电逆变器30拓扑形态的优点是在工作时明显减少了任一时点处作高频开关的电源电子装置的数量。该特征提供的其它益处是较低的传导损耗与采用较慢速的装置有关，而这些较慢速的装置可被选用构建完整的逆变器系统。
通过诸如上述的大电容器34来加强光电阵列源12的稳定性，从而保证向降压电路提供稳定的供电电压源。有利的是，因为PV源12是电流受限的，所以大电容器34不会危及系统的安全。
与电容器34相连的第一级降压转换器40在主感应器68中产生全波整流正弦电流。该电流然后通过连接到PV逆变器30输出的全桥逆变器36扩展到电网14。
已经发现只要PV源电压高于瞬时电网电压，PV逆变器30拓扑形态就可提供适当的工作结果。在PV源12电压低于瞬时电网14电压的情况下，PV逆变器的操作被配置为确保降压感应器68中的电流总是从PV源12流向电网14。为此，开启升压电路将降压电路的输入电压增加到一个大于瞬时电网电压的值。
因为仅在必要的时候提升电流(即，当PV阵列12电压低于瞬时电网14电压时)，所以逆变器开关效率提升到高于诸如上面参考图1所述的传统PV逆变器拓扑可以达到的水平。
根据本发明的另一个实施例，光电逆变器30利用软开关拓扑形态即可以容易地实现。利用软开关拓扑形态使得可以在PV逆变器的降压转换器中选用较低传导损耗的较慢速装置。PV逆变器30使用非常适于采用如上所述的自适应数字控制方法的拓扑形态，以根据诸如但不限于温度、输入电压和负载电源电平的工作条件来寻找系统的最有效工作点。
现在参考图4，PV逆变器80包括波纹电流消除电路82，波纹电路消除电路82提供了一种手段，可在减小主感应器68尺寸的同时无需折衷考虑系统的输出波纹电流要求。波纹电流消除电路82使得可以采用比较大感应器损耗更小的较小感应器68，并使得可以使用准谐振开关(quasiresonant switching)，从而显著减少开关损耗。
图5示出了根据本发明一个实施例的多源输入光电逆变器拓扑形态100。PV逆变器拓扑形态100包括输出扩展电路102，该输出扩展电路102的作用仅限于通过汇集由多个电源所产生的整流电源所产生的整流电路波形来进行扩展，其中该多个电源包括第一PV阵列104、第二PV阵列106、电池组108和燃料电池110。这样，由于扩展电路开关装置112、114、116、118只以两倍于公用电网频率的频率开关，所以扩展电路102绝不会以高频开关。所有的电源电流120、122、124、126参考一个公共电压以便达到期望的电流汇集功能。
波形成形感应器128、130、132、134的每一个只完成电流波形成形功能，不完成诸如已知的降压/升压转换器设计中所见的任何类型的电流提升功能。但是本发明并没有被限制于此，而是可以类似的方式，采用任意数量的多种不同类型的电源来实现根据本文所描述的原理的多源输入PV逆变器拓扑形态。
PV逆变器拓扑30、100所提供的优点包括但不限于，采用双电容器组而非通常的降压/升压拓扑形态，在一个DC-AC转换器纳入降压和升压功能。其它优点包括但不限于：通过使电源和负载之间切换的功率半导体装置的数量最少来使效率最高；在单个PV逆变器内使用多种技术来提高拓扑形态的效率，该多种技术例如为参考图4所示的波纹电流消除能力；软开关技术的采用；使用根据工作条件寻找系统最有效工作点的自适应数字控制方法，其中所述工作条件例如为但不限于温度、输入电压和负载电压电平；以及可选的激活AC接触器的步骤，其中接触器/继电器被赋能之后，将保持电压减少到仅足以维持保持状态。
与已知的PV逆变器相比进一步的优点是，通过使在电源和负载之间切换的功率半导体的数量最少可使效率最高，并且通过功率半导体的选用来实现最大的效率。
总而言之，上述实施例提供了可以和多个PV和/或可选能量源一起使用的极高转换效率的连接电网的住宅光电逆变器。该逆变器产生了与电网电压成正比且具有高功率因数的正弦电流。高效率通过以下方式获得：仅使一个功率半导体装置以高频开关而其它所有的装置以电网频率切换。降压转换器的主开关装置产生扩展到电网电源的全波整流正弦波电流。因为在开关周期期间装置两端的电流和电压都接近零点，因此该扩展电路避免了开关损耗。对于大于电网电压的PV阵列电压，该电路的作用仅作为降压转换器。对于低于电网电压的PV阵列电压，升压电路和降压转换器同步工作。这种配置保证了降压转换器电压总是大于电网电压。输出逆变器全桥从不以高频开关。还可以通过以下方式实现效率进一步的提高：开关装置的特定选择；通过借助数字控制调节(诸如调整开关频率来补偿输入电压、负载电流和系统温度的变化)来确保逆变器总是工作在峰值效率；实现波纹电流消除电路使得主电路可以选择小的较低损耗的感应器；以及在如上所述的横跨主开关装置上增加准谐振电路从而保证软开关。
虽然本文仅显示和描述了本发明的某些特征，对于本领域的技术人员来说会发生多种修改和变化。因此应当理解为所附的权利要求书目的在于覆盖落入本发明真正精神内的所有这些修改和变化。
元件列表
(10)  现有技术的光电(PV)逆变器
(12)  PV阵列
(14)  电网
(16)  DC链路电容器
(18)  不稳定的DC电压
(20)  稳定的DC电压
(22)  电流
(24)  PWM电路
(44)  开关装置
(46)  开关装置
(48)  开关装置
(50)  开关装置
(52)  开关装置
(30)  PV逆变器
(32)  电流
(34)  电容器
(36)  逆变器级
(40)  第一级
(54)  开关装置
(56)  开关装置
(58)  开关装置
(60)  开关装置
(62)  降压开关装置
(64)  高频升压开关装置
(68)  主(降压)感应器
(70)  二极管
(72)  升压感应器
(74)  存储电容器
(76)  公用电网瞬时电压
(78)  降压
(80)  PV逆变器
(82)   波纹消除电路
(100)  PV逆变器
(102)  输出扩展电路
(104)  第一PV阵列
(106)  第二PV阵列
(108)  电池组
(110)  燃料电池
(112)  扩展电路开关装置
(114)  扩展电路开关装置
(116)  扩展电路开关装置
(118)  扩展电路开关装置
(120)  电源电流
(122)  电源电流
(124)  电源电流
(126)  电源电流
(128)  波形成形感应器
(130)  波形成形感应器
(132)  波形成形感应器
(134)  波形成形感应器

Claims (16)

1.一种光电逆变器系统，包含：
多个降压电路，每个降压电路与相应的DC电源相关联；以及
单个全桥电流扩展电路，
其中每个降压电路被配置为在降压模式下持续地工作以产生相应的全波整流正弦波电流，多个降压电路被共同配置为通过将所述多个降压电路产生的多个全波整流正弦波电流相加以在单个共用电流节点处产生合成的全波整流正弦波电流，
并且所述单个全桥电流扩展电路响应于所述合成的全波整流正弦波电流，产生期望的公用电网AC电流。
2.如权利要求1所述的光电逆变器系统，其中每个降压电路被配置为响应于来自于其相应的DC电源的可用功率和所述公用电网瞬时电压，借助各自的降压电路波形成形感应器来产生全波整流正弦波电流。
3.如权利要求2所述的光电逆变器系统，其中每个DC电源与相应的升压电路相关联，该升压电路被配置为当相应的DC电源输出电压小于公用电网的瞬时电压时，借助升压电路感应器提高提供给所述降压电路的电压电平。
4.如权利要求3所述的光电逆变器系统，其中每个升压电路包含唯一的一个升压电路开关，并且每个降压电路包含唯一的一个降压电路开关，其中所述升压电路开关被配置为在期望的工作条件期间具有延迟的开启，并且所述升压电路开关的关闭相对于所述降压电路开关的关闭是延迟的，从而使得只有一个开关实质上承载所有的损耗而其它的开关实质上不承载损耗。
5.如权利要求1所述的光电逆变器系统，其中每个降压电路包含唯一的一个开关装置，其中所述唯一的一个开关装置为高频开关装置，并且所述扩展电路只包含公用电网低频开关装置。
6.一种光电逆变器系统，其特征在于，包括：
全桥扩展电路，其被配置为响应全波整流正弦波电流之和以产生公用电网电流，所述光电逆变器系统被配置为在降压转换器模式下持续地工作，从而在多个降压转换器共用的电流节点处，响应由所述多个降压转换器产生的多个全波整流正弦波电流以产生所述全波整流正弦波电流之和，还被配置为当相应的DC电源电压低于连接到所述光电逆变器系统的公用电网的瞬时电压时，通过相应的升压转换器增加提供给每个降压转换器的电压电平。
7.如权利要求6所述的光电逆变器系统，其中所述全桥扩展电路包括多个开关装置，并且其中所有的全桥扩展电路开关装置仅以两倍于公用电网低频的频率开关。
8.如权利要求7所述的光电逆变器系统，其中每个全桥扩展电路开关装置被配置为在其开关周期内，工作于零电流和零电压电平附近。
9.如权利要求6所述的光电逆变器系统，其中每个降压转换器包括唯一的一个开关装置，其中所述唯一的一个开关装置为高频开关装置。
10.如权利要求6所述的光电逆变器系统，其中经相应的升压电路产生提供给每个降压转换器的所述增加的电压电平，每个升压电路包括唯一一个开关装置，其中所述的唯一一个升压电路开关装置为高频开关装置。
11.如权利要求10所述的光电逆变器系统，其中每个降压转换器及其相应的升压电路被一起配置为响应期望的工作特性，自适应调整所述降压转换器开关频率及其相应的升压电路开关频率，从而获得比使用固定开关频率光电逆变器技术所达到的效率更高的光电逆变器系统效率。
12.如权利要求11所述的光电逆变器系统，其中所述期望的工作特性选自光电阵列电压电平、光电逆变器环境工作温度、光电逆变器开关装置温度和电网功率水平。
13.如权利要求10所述的光电逆变器系统，其中每个升压电路包括唯一一个升压电路开关和每个降压转换器包括唯一一个降压转换器开关，其中每个升压电路开关被配置为在期望的工作条件下具有延迟的开启时间，和其中每个唯一一个升压电路开关及其相应的唯一一个降压转换器开关被配置为同时地关闭，使得所述降压转换器或者相应的升压电路开关中只有一个实质上承载所有的开关损耗而其他所述的降压转换器或者相应的升压电路开关实质上不承载开关损耗。
14.如权利要求6所述的光电逆变器系统，其中进一步被配置为减少至少一个降压转换器波形成形感应器的尺寸而无需考虑所述光电逆变器系统对输出波纹电流的要求。
15.如权利要求14所述的光电逆变器系统，其中进一步配置为实质上消除了与至少一个降压转换器波形成形感应器对应的波纹电流。
16.如权利要求6所述的光电逆变器系统，其中进一步配置为借助软开关技术以允许选择具有较低传导损耗的较慢装置在至少一个降压转换器中使用。
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