CN114553043A - 一种微型逆变器 - Google Patents

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CN114553043A CN202210211767.3A CN202210211767A CN114553043A CN 114553043 A CN114553043 A CN 114553043A CN 202210211767 A CN202210211767 A CN 202210211767A CN 114553043 A CN114553043 A CN 114553043A
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Abstract

本发明提供一种微型逆变器,该微型逆变器的主电路中,N个变换支路级联后,共用同一个变压器来连接副边桥臂,避免了现有技术对N个变压器的需要;而且,N个变换支路通过级联可以实现控制上的解耦,避免了各支路需要额外配备的用于解耦的设备;进而降低了体积和成本。另外,各路直流源或负载,均只需要经过一级变换即可实现交流并网,相比现有技术中的两级变换结构,提升了转换效率。

Description

一种微型逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,特别涉及一种微型逆变器。
背景技术
微型逆变器因为其能够实现组件级的MPPT(Maximum Power Point Tracking,最大功率点跟踪),使得每块光伏组件之间的发电互不影响,且没有组件串联的短板效应,部分遮挡及朝向不一致不会影响到整串组件的发电量,而且能够实现组件级的运维,因此得到了广泛的关注。
实际应用中,若为单块组件配置一个逆变器,则系统单瓦成本会较高;因此,为了降低系统单瓦成本,现有技术中提供了一种1拖2的反激微型逆变器方案,其拓扑结构如图1所示,能够实现对于两路光伏组件PV1和PV2的逆变输出,提高了系统的功率密度。
但是图1所示的方案,需要用到多个高频变压器,导致整体体积大、成本高;而且该方案属于两级变换结构,其前级变换环节采用反激变换器、用于升压,后级变换环节采用H桥、用于逆变,这种两级变换结构的转换效率较低。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种微型逆变器,以减小体积、降低成本和提升转换效率。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明第一方面提供了一种微型逆变器,包括:控制单元、变压器、副边桥臂及N个变换支路;N为大于1的整数;其中,
各个所述变换支路的输入端,分别作为所述微型逆变器的各个输入端,连接相应的直流源或负载;
各个所述变换支路的输出端依次级联,级联后的两端通过所述变压器连接所述副边桥臂的输入端;
所述副边桥臂的输出端作为所述微型逆变器的输出端;
所述副边桥臂及各所述变换支路,均受控于所述控制单元。
可选的,所述变压器为高频双绕组变压器。
可选的,所述变压器的原边绕组,通过第一电感连接各个所述变换支路的输出端级联后的两端;和/或,
所述变压器的副边绕组,通过第二电感连接所述副边桥臂的输入端。
可选的,所述第一电感独立于所述原边绕组,或者,所述第一电感为集成于所述变压器中的原边漏感;
所述第二电感独立于所述副边绕组,或者,所述第二电感为集成于所述变压器中的副边漏感。
可选的,所述副边桥臂,包括:两个双向开关和两个输出侧电容;
两个所述双向开关串联连接,两个所述输出侧电容串联连接,且两个串联后的支路并联连接于所述副边桥臂的输出端两极之间;
两个所述双向开关之间的连接点,以及,两个所述输出侧电容之间的连接点,分别作为所述副边桥臂的输入端两极。
可选的,所述双向开关包括:两个反向串联的开关管。
可选的,所述变换支路,包括:H桥电路和输入侧电容;
所述输入侧电容的两端和所述H桥电路的直流侧两极,均与所述变换支路的输入端两极相连;
所述H桥电路的交流侧两端,作为所述变换支路的输出端两极。
可选的,所述控制单元对于各个所述H桥电路的控制相互独立。
可选的,当所述H桥电路与所述副边桥臂之间的移相角大于零时,所述H桥电路中的能量由直流侧流向交流侧;
当所述H桥电路与所述副边桥臂之间的移相角小于零时,所述H桥电路中的能量由交流侧流向直流侧。
可选的,若任一所述变换支路的输入端无接入,则所述控制单元控制相应所述变换支路的输出端两极短接。
可选的,所述控制单元用于控制所述变换支路的输出端两极短接时,具体用于控制其所述H桥电路内四个开关管中的至少两个直通。
可选的,所述微型逆变器的各个输入端,分别连接光伏组件或者储能设备。
可选的,还包括:设置于所述副边桥臂的输出端与所述微型逆变器的输出端之间的网侧滤波器。
本发明提供的微型逆变器,其主电路中的N个变换支路级联后,共用同一个变压器来连接副边桥臂,避免了现有技术中对N个变压器的需要;而且,N个变换支路通过级联可以实现控制上的解耦,避免了各支路需要额外配备的用于解耦的设备;进而降低了体积和成本。另外,各路直流源或负载,均只需要经过一级变换即可实现交流并网,相比现有技术中的两级变换结构,降低了转换过程中的损耗,提升了转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的微型逆变器的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的微型逆变器的结构示意图;
图3a、图3b及图3c分别为本发明实施例提供的微型逆变器中电感的三种设置位置示意图;
图4为本发明实施例提供的微型逆变器的另一结构示意图;
图5为本发明实施例提供的微型逆变器的电路图;
图6为本发明实施例提供的微型逆变器在N=2时的电路图;
图7为本发明实施例提供的微型逆变器的拓扑简化模型示意图;
图8为本发明实施例提供的微型逆变器的信号波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本申请中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种微型逆变器,以减小体积、降低成本和提升转换效率。
如图2所示,该微型逆变器包括:控制单元(图中未示出)、变压器102、副边桥臂103及N个变换支路101;N为大于1的整数;其中:
各个变换支路101的输入端,分别作为微型逆变器的各个输入端,连接相应的直流源或负载,具体可以连接光伏组件等直流源,也可以连接储能设备,比如电池等可以在直流源和负载之间切换角色的设备;以电池为例,若其处于放电状态,则相当于直流源,若其处于充电状态,则相当于负载。也即,该微型逆变器的输入端和输出端,只是以连接直流源的状态为例进行说明,并不对该微型逆变器的电流方向进行限制。
各个变换支路101的输出端依次级联,级联后的两端通过变压器102接副边桥臂103的输入端。实际应用中,该变压器102可以为高频双绕组变压器;此时,其具体包括:铁芯、原边绕组和副边绕组;而且,其原边绕组具体可以通过第一电感L1连接各个变换支路101的输出端级联后的两端(如图3a所示);或者,由其副边绕组通过第二电感L2连接副边桥臂103的输入端(如图2和图3b中所示);又或者,其原边绕组通过第一电感L1连接各个变换支路101的输出端级联后的两端,同时,由其副边绕组通过第二电感L2连接副边桥臂103的输入端(如图3c中所示)。而且,该第一电感L1和第二电感L2,可以是以独立电感的形式存在,即独立设置于该变压器102的一侧;或者,该第二电感L2也可以是集成在该变压器102中,以副边漏感的形式存在;而该第一电感L1可以是集成在该变压器102中,以原边漏感的形式存在;视其具体应用环境而定即可,均在本申请的保护范围内。
副边桥臂103的输出端作为微型逆变器的输出端。
值得说明的是,该微型逆变器的输出端可以通过外部的滤波器连接电网,或者,也可以在该微型逆变器内部设置有相应的网侧滤波器104,其设置于副边桥臂103的输出端与微型逆变器的输出端之间,具体可以为LC滤波器,但并不仅限于此;均在本申请的保护范围内。
以图2所示结构为例,具体的工作原理为:
各路直流源,分别通过相应的变换支路101实现直流到交流的单级变换;各变换支路101的输出端也即交流侧级联后,通过变压器102实现升压和隔离;然后由副边的第二电感L2将副边绕组上的电能改变相位并传输至副边桥臂103的输入端,再经过副边桥臂103调整为用于并网的交流电能。当各路输入端分别连接负载时,电流的传输方向相反,变压器102原边的电压由各变换支路101级联承担,各变换支路101分别进行功率变换后为相应的负载提供电能。
本实施例提供的该微型逆变器,各路直流源或负载,均只需要经过其变换支路101这一级变换即可实现交流并网,相比现有技术中的两级变换结构,降低了转换过程中的损耗,提升了转换效率。而且,其主电路中的N个变换支路101级联后,共用同一个变压器102进行交流输出,相比于现有技术需要采用N个变压器102的方案,降低了变压器数量,进而降低了微型逆变器的体积和系统成本;再者,各变换支路101共用变压器102、副边电感L2及副边桥臂103等结构件,提高了功率密度,降低了系统单瓦成本。
值得说明的是,在面对多路输入时的情况,现有技术中还有一种方案是采用多绕组变压器,通过这种多绕组变压器来进行能量耦合进而实现能量传输。因此,其每增加一个输入端口,就需要增加一个原边绕组来实现能量耦合,并且对于每个原边绕组均需要配置一个相应的电感以实现各路输入之间的控制解耦;进而,在多路输入场合时,其变压器依然存在体积较大的问题,仍旧不便于多路输入拓展。
而本实施例提供的该微型逆变器,通过多个变换支路101进行级联的方式进行能量耦合,在面对输入端口数量的增加时,并不会增加变压器102中的原边绕组;而且,该级联的形式还可用于实现各变换支路101间的直流侧功率的独立控制,即可以实现各变换支路101的功率大小和电流方向的独立控制,进而实现各路输入之间的控制解耦,避免了现有技术中对于各路电感的需要;因此,相比于多个原边绕组的上述方案,本实施例降低了绕组数量和电感数量,降低了变压器体积,从而可以降低系统成本。
在上一实施例的基础之上,图4给出了该微型逆变器的一种具体拓扑示例,其中:
副边桥臂103,包括:两个双向开关K1和K2,以及,两个输出侧电容C2和C3。
两个双向开关K1和K2串联连接,两个输出侧电容C2和C3串联连接,且两个串联后的支路并联连接于副边桥臂103的输出端两极之间。
两个双向开关K1和K2之间的连接点B,及,两个输出侧电容C2和C3之间的连接点B’,分别作为副边桥臂103的输入端两极;图4中以漏感为例,并未对独立于变压器102的电感进行展示。
可选的,该双向开关K1和K2可以分别包括:两个反向串联的开关管。如图5中所示,双向开关K1包括共源极的两个NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor,N型金属-氧化物-半导体)晶体管S5和S6,双向开关K2包括共源极的两个NMOS晶体管S7和S8。实际应用中,也可以用共发射极的两个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)来实现该双向开关,而且,各IGBT均带有相应的反并联二极管。实际应用中,也可以采用其他开关管来实现该双向开关,此处不做具体限定,视其应用环境而定即可,均在本申请的保护范围内。
如图5所示,该变换支路101,包括:H桥电路(包括图5中所示的S1_1、S2_1、S3_1及S4_1,或者,S1_2、S2_2、S3_2及S4_2,又或者,S1_N、S2_N、S3_N及S4_N)和输入侧电容(如图5中所示的C1_1、C1_2或C1_N)。其中:
输入侧电容的两端和H桥电路的直流侧两极,均与变换支路101的输入端两极相连。比如,第一个变换支路101中,输入侧电容C1_1的两端和H桥电路(包括S1_1、S2_1、S3_1及S4_1)的直流侧两极,均与第一个变换支路101的输入端两极相连;第二个变换支路101中,输入侧电容C1_2的两端和H桥电路(包括S1_2、S2_2、S3_2及S4_2)的直流侧两极,均与第二个变换支路101的输入端两极相连;第N个变换支路101中,输入侧电容C1_N的两端和H桥电路(包括S1_N、S2_N、S3_N及S4_N)的直流侧两极,均与第N个变换支路101的输入端两极相连。
H桥电路的交流侧两端(如图5中所示的A1和A1’,或者,A2和A2’,又或者,AN和AN’),作为变换支路101的输出端两极。
也即,变压器102的原边,通过N个H桥电路级联,实现了多路直流源或负载的接入;而其副边桥臂103采用双向开关,能够实现并网连接。
N=2时,即可实现1拖2的逆变方案,图6给出了单级双路输入的微型逆变器拓扑结构;其主电路采用DAB(DualActive Bridge,双有源桥)+双向开关的方案,通过单级变换实现了直流与交流之间的转换,提高了并网效率。具体的:
以光伏组件为例,其第一路光伏组件输入的直流电能,通过H桥电路的高频开关(包括S1_1、S2_1、S3_1及S4_1),将直流电压转换成脉动的电压,第二路光伏组件输入的直流电能也会经历相同的变换过程;之后,两路交流脉动电压级联,并与高频双绕组变压器102的原边绕组进行连接。
假设变压器102原边电压为vp,副边桥臂103的输入端两极B与B’之间的电压为vs,副边漏感L2上的电流为iL,变压器102原副边的电压变比为1:N,则原边电压折算到副边后为Nvp,其拓扑简化模型如图7所示,因此,利用副边漏感L2两端电压的相位差即可实现能量的传输。
在电网电压正半周,副边桥臂103中的开关管S5和S7高频斩波,S6和S8直通;而在电网电压负半周,副边桥臂103中的开关管S5和S7直通,S6和S8高频斩波,进而该副边桥臂103将输出电压转换成以电网电压为包络线的脉动电压以实现并网;信号波形如图8所示。
也即,N=2时,采用图6所示的单级结构,可以提高系统并网效率;而且,该1拖2方案,共用结构件,降低系统单瓦成本。
值得说明的是,由于级联的形式使得各变换支路101之间能够实现控制解耦,所以,当各路输入所接设备不同时:
若变换支路101的输入端接入的是直流源,包括工作在放电模式的储能设备,则控制单元会通过控制该路H桥电路与副边桥臂103的移相角大于零,即该路H桥电路超前于副边桥臂103,使能量由直流侧流向交流侧。
若变换支路101的输入端接入的是负载,包括工作在充电模式的设备,则控制单元会通过控制该路H桥电路与副边桥臂103的移相角小于零,即该路H桥电路滞后于副边桥臂103,使能量由交流侧流向直流侧。
各H桥电路可以独立控制,各H桥电路中的等效开关频率可以是倍频,可以实现多电平,各H桥电路的直流侧功率可以独立控制,包括对于功率大小及电流方向的独立控制。
更进一步的,若任一变换支路101的输入端无接入,则控制单元可以控制相应变换支路101的输出端两极短接。具体的,可以控制其H桥电路内四个开关管中的至少两个直通,比如,控制其上桥臂均导通、下桥臂均断开,或者,控制其下桥臂均导通、上桥臂均断开;当然,也可以控制其中任意三个开关管或者全部开关管均导通。
同样以图6所示的单级双路输入的微型逆变器为例,当接入的两路光伏组件中有一路被遮挡时,或者,有任一路没有接入任何设备时,为了能够使得另外一路正常工作,需要将未接入的那路的原边H桥电路的开关管进行相应的调整。例如,若第二路没有接入任何设备或者接入的光伏组件被完全遮挡,则需要将第二路H桥电路中的S1_2和S3_2闭合、S2_2和S4_2可以断开也可以闭合,或者,将S2_2和S4_2闭合、S1_2和S3_2可以断开也可以闭合,进而将第二路H桥电路的输出端两极短接。再通过控制原边第一路H桥电路中的H桥电路和副边桥臂103之间的移相角进而控制能量传输。
当N为其他值时,可以以此类推;进而,本实施例中,当单路无输入时,通过控制非接入输入侧H桥电路的开关管动作,能够实现其他路的正常运行,消除了非接入输入侧对系统的影响,提升了系统的可靠性。
另外,本实施例提供的该微型逆变器,其电压等级相对较低,如副边桥臂103的电压可为220V,原边各H桥电路的输入电压可为100V,而且,其功率等级也相对较低,适用于电压和功率等级较低的场合。
实际应用中,该微型逆变器中,除了主电路和控制单元以外,还应当设置有相应的采集模块,以采集得到电网电压、并网电流以及其各路变换支路的输入电压和输入电流等。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于系统或系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明,本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种微型逆变器,其特征在于,包括:控制单元、变压器、副边桥臂及N个变换支路;N为大于1的整数;其中,
各个所述变换支路的输入端,分别作为所述微型逆变器的各个输入端,连接相应的直流源或负载;
各个所述变换支路的输出端依次级联,级联后的两端通过所述变压器连接所述副边桥臂的输入端;
所述副边桥臂的输出端作为所述微型逆变器的输出端;
所述副边桥臂及各所述变换支路,均受控于所述控制单元。
2.根据权利要求1所述的微型逆变器,其特征在于,所述变压器为高频双绕组变压器。
3.根据权利要求2所述的微型逆变器,其特征在于,所述变压器的原边绕组,通过第一电感连接各个所述变换支路的输出端级联后的两端;和/或,
所述变压器的副边绕组,通过第二电感连接所述副边桥臂的输入端。
4.根据权利要求3所述的微型逆变器,其特征在于,所述第一电感独立于所述原边绕组,或者,所述第一电感为集成于所述变压器中的原边漏感;
所述第二电感独立于所述副边绕组,或者,所述第二电感为集成于所述变压器中的副边漏感。
5.根据权利要求1所述的微型逆变器,其特征在于,所述副边桥臂,包括:两个双向开关和两个输出侧电容;
两个所述双向开关串联连接,两个所述输出侧电容串联连接,且两个串联后的支路并联连接于所述副边桥臂的输出端两极之间;
两个所述双向开关之间的连接点,以及,两个所述输出侧电容之间的连接点,分别作为所述副边桥臂的输入端两极。
6.根据权利要求5所述的微型逆变器,其特征在于,所述双向开关包括:两个反向串联的开关管。
7.根据权利要求1至6任一项所述的微型逆变器,其特征在于,所述变换支路,包括:H桥电路和输入侧电容;
所述输入侧电容的两端和所述H桥电路的直流侧两极,均与所述变换支路的输入端两极相连;
所述H桥电路的交流侧两端,作为所述变换支路的输出端两极。
8.根据权利要求7所述的微型逆变器,其特征在于,所述控制单元对于各个所述H桥电路的控制相互独立。
9.根据权利要求8所述的微型逆变器,其特征在于,当所述H桥电路与所述副边桥臂之间的移相角大于零时,所述H桥电路中的能量由直流侧流向交流侧;
当所述H桥电路与所述副边桥臂之间的移相角小于零时,所述H桥电路中的能量由交流侧流向直流侧。
10.根据权利要求8所述的微型逆变器,其特征在于,若任一所述变换支路的输入端无接入,则所述控制单元控制相应所述变换支路的输出端两极短接。
11.根据权利要求10所述的微型逆变器,其特征在于,所述控制单元用于控制所述变换支路的输出端两极短接时,具体用于控制其所述H桥电路内四个开关管中的至少两个直通。
12.根据权利要求1至6任一项所述的微型逆变器,其特征在于,所述微型逆变器的各个输入端,分别连接光伏组件或者储能设备。
13.根据权利要求1至6任一项所述的微型逆变器,其特征在于,还包括:设置于所述副边桥臂的输出端与所述微型逆变器的输出端之间的网侧滤波器。
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