结构上改进的光伏功率转换器的制作方法

本发明涉及光伏发电，更具体地涉及光伏系统中的一种结构上改进的光伏功率转换器。

背景技术：

近年来，随着全世界范围和中国市场的光伏发电系统的大规模普及，光伏发电已经成为新能源领域内的佼佼者。

图1是光伏发电系统的示意图。如图1所示，典型的电站光伏发电系统主要分为两个部分：多条光伏组串和汇流逆变。汇流逆变的功能是把多条光伏组串中产生的电能进行汇集、逆变和并网输出。多条光伏组串形成的光伏组件阵列是接受阳光照射和发电的单元，其中光伏组件先串后并，连接到汇流箱内，进行电能的产生和发送。

光伏电站经常会采用最大功率点跟踪技术来提高电站的发电效率。最大功率点跟踪技术帮助光伏系统时时工作在最大输出功率点附近。这个功能通常有两种实现方法，一种是将最大功率点跟踪技术集成在汇流逆变部分，比如让逆变器工作在最大功率点上，从组串中抽取最大功率。另一种是将最大功率点跟踪技术分散到各组件，通过单个组件的光伏功率转换器完成最大功率点跟踪。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种技术来实现光伏功率转换器中的最大功率点跟踪技术。基于在光伏功率转换器中检测到的输出电流检测信号、输出电压检测信号以及输入电压检测信号，采用最大功率点跟踪方法对光伏功率转换器的开关组件进行开关切换的控制，从而实现最大功率点跟踪功能，完成光伏组件输出电流的匹配、最大功率点跟踪等特性的优化。

本发明所要保护的是一种光伏功率转换器，包括：输入端，其接收由电源组件提供的输入电力；开关组件，用于根据控制进行开关切换，将电力从输入端转移到输出端；输出端，用于输出电力至负载；输出电流检测电阻，连接在开关组件与输出端的各自的接地节点之间。其中，在所述输出电流检测电阻上并联接入输出电流检测和放大电路，以对光伏功率转换器的输出电流进行检测和放大，以得到输出电流检测信号；在所述开关组件和所述输出电流检测电阻之后并联接入输出电压比例缩小、滤波和采样电路，用于对输出电压进行比例缩小、滤波和采样，以得到输出电压检测信号；在输入端上并联接入输入电压比例缩小、滤波和采样电路，用于对输入电压进行比例缩小、滤波和采样，以得到输入电压检测信号。其中，所述光伏功率转换器进一步包括控制器，基于所述输出电流检测信号、所述输出电压检测信号以及所述输入电压检测信号，采用最大功率点跟踪方法对所述开关组件进行开关切换的控制。

优选地，所述开关组件包括：第一晶体管开关，串联在输入端和输出端的各自的电压节点之间；第二晶体管开关，并联在第一晶体管开关与输出端相连接的节点和输入端的接地节点之间。

优选地，所述输出电流检测和放大电路包括：运算放大器，其正相输入端连接至所述输出电流检测电阻与输出端相连接的节点，其接地端连接到所述开关组件的接地节点；第一电阻，其连接在运算放大器的反相输入端和所述输出电流检测电阻与开关组件相连接的节点之间；第二电阻，其连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间。其中，从所述运算放大器的输出端向所述控制器发送所述输出电流检测信号。

优选地，所述输出电压比例缩小、滤波和采样电路包括：第一电阻；第二电阻，所述第一电阻和第二电阻依次串联在开关组件的电压节点和接地节点之间；第一电容，并联在第二电阻上。其中，从第一电阻和第二电阻相连接的节点向所述控制器发送所述输出电压检测信号。优选地，所述输出电压比例缩小、滤波和采样电路进一步包括：第三电阻；第二电容。其中，所述第三电阻一端连接到第一电阻和第二电阻相连接的节点，第二电容连接在第三电阻的另一端与开关组件的接地节点之间，从第三电阻的另一端向所述控制器发送所述输出电压检测信号。

优选地，所述输入电压比例缩小、滤波和采样电路包括：第一电阻；第二电阻，所述第一电阻和第二电阻依次串联在输入端的电压节点和接地节点之间；第一电容，并联在第二电阻上。其中，从第一电阻和第二电阻相连接的节点向所述控制器发送所述输入电压检测信号。

优选地，所述光伏功率转换器进一步包括LC滤波电路，置于开关组件和输出端之间，其中，所述LC滤波电路的电感采用所述光伏功率转换器所在的光伏系统中的寄生电感，而所述LC滤波电路的电容采用所述光伏系统中的逆变器输入电容和寄生电容。

根据本发明的技术，可以实现最大功率点跟踪功能，完成光伏组件输出电流的匹配、最大功率点跟踪等特性的优化。

附图说明

下面参考附图结合实施例说明本发明。在附图中：

图1是光伏发电系统的示意图。

图2图示说明了光伏功率转换器的原理。

图3图示说明了现有技术的Buck降压型转换器拓扑。

图4是根据本发明的光伏功率转换器。

图5是示例的输出电流检测和放大电路。

图6是示例的输出电压比例缩小、滤波和采样电路。

图7是示例的输入电压比例缩小、滤波和采样电路。

图8是示例的最大功率点跟踪算法实现的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图来详细解释本发明的具体实施例。

光伏功率转换器的基本原理是通过一定方式的转换，使得原来电流不完全匹配的组件，实现实时电流匹配，从而消除了组串中各组件的发电能力不匹配现象，提高了系统的整体发电量。这种发电量的提升时时刻刻都存在，在光伏电站20-30年的寿命中产生的经济效益和回报非常可观。

图2图示说明了光伏功率转换器的原理。

功率转换器也可能做成二合一，四合一等多种组合，也就是说，基于减低成本等原因，将两个、三个、四个等光伏组件各自的功率转换器经过串联、并联等组合整合在一起用于节省壳体、线缆等。或者也可能是将两个、三个、四个等光伏组件先进行串联或并联等组合，再用一个功率转换器进行转换。这样的组合方式可能有多种，也不一定会限于数目二、三、四等，但是其组合的个体或整体仍旧采用本专利的功率转换器方案。以上应用场景都属于本发明的范畴。

光伏功率转换器的本质，是通过改变光伏组件的电压电流出口特性，实现特定的功能，如输出电流匹配，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)等。光伏功率转换器的有升压型，降压型和升降压型等。本发明讨论的是一种降压型的架构。

图3图示说明了现有技术的Buck降压型转换器拓扑。

图3中Vin是输入端电压(输入端一般接有输入电容C_in，如图4所示，但图3中省略了)，Q₁和Q₂是开关，电感L_O和电容C_O构成滤波电路，Vout是输出端电压，接入负载。

当该架构用于光伏功率转换器时，重新做了重大调整，适用于光伏应用环境。

图4是根据本发明的光伏功率转换器。也就是说，图4是图3针对光伏应用环境改进后的架构。

首先，图3中的电感L_O和电容C_O在图4的架构中不再使用元件。其中L_O采用光伏系统中接线和回路等产生的寄生电感等代替，C_O采用逆变器输入电容和光伏系统中其他寄生电容等代替。因为不再使用元件，且出于简化的需要，图4中没有示出电感L_O和电容C_O。但本领域技术人员应该理解，这样的LC滤波电路是实际存在的，如果一定要在电路图中示出，其置于开关组件Q₁和Q₂和输出端之间，如图3中所示。

如图4所示，根据本发明的光伏功率转换器400包括：输入端，其接收由电源组件(例如光伏组件、子串或电池片)提供的输入电力；开关组件401，在图4中示出为Q₁和Q₂两个晶体管开关，用于根据控制进行开关切换，将电力从输入端转移到输出端；输出端，用于输出电力至负载(未示出)。

所述开关组件401在图4中示出为包括：第一晶体管开关Q₁，串联在输入端和输出端的各自的电压节点之间；第二晶体管开关Q₂，并联在第一晶体管开关Q₁与输出端相连接的节点和输入端的接地节点之间。本领域技术人员应当理解，这里的开关组件401也可以采用其他的形式或其他的电子元器件甚至逻辑编程来实现。

根据本发明的光伏功率转换器400进一步包括输出电流检测电阻R_out，连接在开关组件401与输出端的各自的接地节点之间。在所述输出电流检测电阻R_out上并联接入输出电流检测和放大电路500(参见图5)，以对光伏功率转换器的输出电流进行检测和放大，以得到输出电流检测信号402。

在本发明的架构中，在图4的下方回路中增加输出电流检测电阻R_out，用于对输出电流I_out进行采样。该采样电阻的优势在于，当输出电流为正时(如图4中所示的输出电流I_out方向)，形成压降为对接地端为正的采样信号，从而将共模信号减至最低，方便采样信号放大和检测。

图5是示例的输出电流检测和放大电路500。本领域技术人员应该理解，输出电流检测和放大电路500的实现电路不限于图5中所示，只要是基于输出电流检测电阻R_out进行采样放大的电路就可以。

图5中，R_out是图4中的输出电流检测电阻，当输出电流I_out从输出端的电压节点流出，流经负载或光伏系统后，流回接地节点GND1后，将从图5中从右到左流经电阻R_out(光伏系统在正常运行中一般为抽电流，即输出电流I_out从输出端输出，如图5中的标示方向)并回到开关组件401及输入端的接地节点GND2，从而产生对于GND2为正的采样信号V_R。图4中控制器800与图5中运算放大器501的接地节点都是接在GND2。由于电阻R_out的接法，采样信号V_R对于GND2为正，这就方便了控制器800和运算放大器501对采样信号V_R进行处理。

如图5中所示，电阻R₅₀₁和R₅₀₂以及运算放大器501构成采样信号V_R的放大电路，产生输出电流检测信号402，输入控制器800进行处理。具体地说，所述输出电流检测和放大电路500包括：运算放大器501，其正相输入端连接至所述输出电流检测电阻R_out与输出端相连接的节点(即接地节点GND1)，其接地端连接到所述开关组件的接地节点GND2；第一电阻R₅₀₁，其连接在运算放大器501的反相输入端和所述输出电流检测电阻R_out与开关组件401相连接的节点(即接地节点GND2)之间；第二电阻R₅₀₂，其连接在运算放大器501的反相输入端和输出端之间。从所述运算放大器501的输出端向所述控制器800发送所述输出电流检测信号402。

可以在图5所示的电路中增加一些并联电容之类的元器件，以便进行滤波等辅助功能，但是这并不会改变输出电流检测放大的功能。本领域技术人员应当理解，这里所述的电路变化也都在本发明要求保护的范围之内。

再来看对输出电压V_out的检测。在所述开关组件401和所述输出电流检测电阻R_out之后并联接入输出电压比例缩小、滤波和采样电路600(参见图6)，用于对输出电压V_out进行比例缩小、滤波和采样，以得到输出电压检测信号403。

在本发明中，在开关组件401和所述输出电流检测电阻R_out之后直接接入输出电压比例缩小、滤波和采样电路600，进行信号采样。该信号采样和传统Buck电路在滤波电路的电感L_O之后的电容C_O处进行输出电压V_out信号采样产生类似的效果。

图6是示例的输出电压比例缩小、滤波和采样电路600。本领域技术人员应该理解，输出电压比例缩小、滤波和采样电路600的实现电路不限于图6中所示，只要是基于输出电压进行比例缩小、滤波和采样的电路就可以。

在传统的Buck转换器中，开关组件输出的PWM(脉宽调制)波形，经过输出端之前的滤波电路的电感L_O和电容C_O进行滤波，然后由电阻网络进行分压，从而达到比例缩小和采样，并把处理后的信号送入控制器进行处理。

在本发明中，开关组件401输出的PWM波形，直接接电阻网络进行比例缩小，然后接电容进行滤波，也可以接多级的电阻/电容网络进行进一步滤波等。

按照以上的配置，可以得到与传统Buck转换器的输出电压比例缩小、滤波和采样电路的结果相类似的比例缩小、滤波和采样的输出电压。本发明中省去了电感L_O和电容C_O，可以用单级或多级电阻/电容网络。

具体地说，所述输出电压比例缩小、滤波和采样电路600包括：第一电阻R₆₀₁；第二电阻R₆₀₂，所述第一电阻R₆₀₁和第二电阻R₆₀₂依次串联在开关组件401的电压节点和接地节点之间；第一电容C₆₀₁，并联在第二电阻R₆₀₂上。从第一电阻R₆₀₁和第二电阻R₆₀₂相连接的节点向所述控制器800发送所述输出电压检测信号403。

可以以上所述的电路中再增加一些并联电容之类的元器件，以便进行滤波等辅助功能，但是这并不会改变输出电压采样的功能。本领域技术人员应当理解，这里所述的电路变化也都在本发明要求保护的范围之内。

作为多级电阻/电容网络的示例，所述输出电压比例缩小、滤波和采样电路600可以进一步包括：第三电阻R₆₀₃；第二电容C₆₀₂。其中，所述第三电阻R₆₀₃一端连接到第一电阻R₆₀₁和第二电阻R₆₀₂相连接的节点，第二电容C₆₀₂连接在第三电阻R₆₀₃的另一端与开关组件401的接地节点之间，从第三电阻R₆₀₃的另一端向所述控制器800发送所述输出电压检测信号403。

同样地，可以继续在以上所述的电路中增加一些并联电容之类的元器件，以便进行滤波等辅助功能，但是这并不会改变输出电压采样的功能。本领域技术人员应当理解，这里所述的电路变化也都在本发明要求保护的范围之内。

再来看对输入电压V_in的检测。在输入端上并联接入输入电压比例缩小、滤波和采样电路700(参见图7)，用于对输入电压V_in进行比例缩小、滤波和采样，以得到输入电压检测信号404。

图7是示例的输入电压比例缩小、滤波和采样电路700。本领域技术人员应该理解，输入电压比例缩小、滤波和采样电路700的实现电路不限于图7中所示，只要是基于输入电压进行比例缩小、滤波和采样的电路就可以。

与输出电压比例缩小、滤波和采样电路600类似，在图7中，具体地，所述输入电压比例缩小、滤波和采样电路400包括：第一电阻R₇₀₁；第二电阻R₇₀₂，所述第一电阻R₇₀₁和第二电阻R₇₀₂依次串联在输入端的电压节点和接地节点之间；第一电容C₇₀₁，并联在第二电阻R₇₀₂上。其中，从第一电阻R₇₀₁和第二电阻R₇₀₂相连接的节点向所述控制器800发送所述输入电压检测信号404。

可以在图7所示的电路中增加一些并联电容之类的元器件，以便进行滤波等辅助功能，但是这并不会改变输入电压采样的功能。本领域技术人员应当理解，这里所述的电路变化也都在本发明要求保护的范围之内。

回到图4，根据本发明的光伏功率转换器400进一步包括控制器800，基于所述输出电流检测信号402、所述输出电压检测信号403以及所述输入电压检测信号404，采用最大功率点跟踪(MPPT)方法对所述开关组件401进行开关切换的控制。

具体地说，当输入电压、输出电压和输出电流的信息采样完成后，可以反馈给控制器800，用MPPT算法控制逻辑指挥开关组件401进行相应的开关动作，实现MPPT功能，完成光伏组件(或电池子串，或是电池片)输出电流的匹配，最大功率点跟踪等特性的优化。

图4中的开关组件401的Q1和Q2的开关状态其实是互补的，比如Q1开通，Q2则关断；Q2开通，Q1则关断。Q1和Q2开关状态互补时，会略有延迟，称为死区时间。在死区时间内，Q1和Q2同时关断，以保证Q1和Q2在互补交替的开通和关断时，不会同时开通。

架构图中的元件是示意，可能使用开关组合代替单个开关。此外，开关可能是外置，也可能是内置，输出电流检测电阻R_out用其他方式形成对地的低共模信号等，本专利申请都包括这些微小改动。

图8是示例的最大功率点跟踪算法(MPPT)实现的原理图。本发明关注的是光伏功率转换器的架构，而MPPT实现的流程可以有多种，这里只是举例说明控制器800的工作原理。

图8中PID控制算法(比例(P)、积分(I)和微分(D)控制)的输出是PWM(脉宽调制)信号，即开关Q1和Q2的交替开通和关断输出信号。

另外，本次架构调整中的每项技术组合用于光伏功率转换器时，帮助达到了在光伏应用中对较成熟架构进行修改，减少元件数目，方便信号采样等目的，这也属于本专利申请要求保护的范畴。

上面已经描述了本发明的各种实施例和实施情形。但是，本发明的精神和范围不限于此。本领域技术人员将能够根据本发明的教导而做出更多的应用，而这些应用都在本发明的范围之内。