专利名称：一种光伏发电系统的电路结构的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种光伏发电系统的电路结构。
背景技术：
随着全球气候变暖，以及自然能源的不断消耗，世界面临着前所未有的 能源危机与挑战，因此太阳能等可再生新能源日益受到人们的重视。对于大 规模光伏发电系统而言，考虑硬件成本的因素，集中式光伏发电系统占有非 常大的优势。但是，由于光伏阵列是直接进行串并联连接，云朵、高大建筑 物等引起的部分阴影问题，会导致光伏阵列的整体输出功率下降，同时受阴 影影响的光伏电池也会出现热斑问题，因此如何克服部分阴影问题成为人们 研究的热点之一。
文献[l]提出了直接由光伏电池板串联组成的支路式结构，文献[2]提出 多支路式结构，两者只能解决没有阴影影响支路的最大功率点跟踪问题，而 不能解决受阴影影响支路的最大功率点跟踪问题。文献[3]提出了 AC Module 的电路思想，可以从根本上解决阴影问题，但是由于每个光伏电池板都带有 一个独立的功率逆变装置，每个功率逆变装置必须实时工作，因此对于大功 率系统而言，不仅成本非常高，而且整体效率也不高。文献[4]提出DC Module 电路，每个光伏电池板拥有一个独立的DC/DC变换器，然后多个DC Module 电路串联，共用一个逆变装置。该电路也可以解决部分阴影问题，但是每个 DC Module电路也是实时工作的，电路自身必然存在功率损失，因此，降低了整个系统的效率，同时DC Module电路若出现故障，则该光伏电池板不能 正常工作，可能导致整个系统性能下降。文献[5]在支路式电路结构基础上， 提出了旁路DC/DC模块集成变换器结构，只有在出现阴影时对应的旁路 DC/DC变换电路才开始工作，这可以解决文献[4]中DC Module电路自身实 时工作引起的功率损失，但是由于旁路DC/DC变换电路之间互相影响，因 此，最大功率点跟踪速度较慢，控制算法也较复杂，该电路同样存在故障后 影响整个系统性能问题。
对于逆变电路装置而言，通常针对光伏阵列的最大功率进行设计。若光 伏阵列输出功率很大时，采用单个逆变电路装置实现，则主电路功率元件的 额定容量必然很大。但是，光照强度变弱时，光伏阵列本身输出功率不大， 这就引起整体效率低下。同时，从安全可靠性的角度考虑，单个逆变电路装 置一旦发生故障，整个光伏发电系统必须停止运行，这对重要场合是非常危 险的。文献[6]提出了基于逆变功率单元的主从式电路结构，由一个主逆变功 率单元根据实际功率大小控制其它从逆变功率单元是否投入工作，这可以解 决整体效率与安全可靠性的统一。但是由于主逆变功率单元总是投入工作， 因此存在主逆变功率单元寿命比其它从逆变功率单元短的问题。
文献[l]B. Verhoeven et al., Utility aspects of grid connected photovoltaic power systems (1998). /打fen a"o打a/ agewcy p/zofovo/faz.c power s;^sfe附s,
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发明内容
本发明的目的是提供一种光伏发电系统的电路结构，不仅解决了受阴影 影响的最大功率点跟踪问题，而且也解决了现有光伏发电系统在处理部分阴 影问题时而又引出的其他问题，降低了通常DC/DC变换电路一直工作而导 致的功率损失，使DC/DC变换电路之间互相无影响，提高了系统的性能以 及安全可靠性，降低了硬件的成本，并且提高了系统的效率。
本发明所采用的技术方案是， 一种光伏发电系统的电路结构，包括至少 两个相串联的直流功率单元和至少两个相并联的交流功率单元，所有的直流 功率单元通过公共的串行通信总线与串行通信网络相连接，所有的交流功率 单元通过公共的串行通信总线与串行通信网络相连接，第一个直流功率单元的负输出端与相邻直流功率单元的正输出端连接，第一个直流功率单元的正 输出端与交流功率单元公共直流母线的正输入电压端相连接，最后一个直流 功率单元的负输出端与交流功率单元公共直流母线的负输入电压端相连接， 所有并联的交流功率单元的负输出端与交流功率单元公共直流母线的负输 入电压端相连接，所有并联的交流功率单元的正输出端与交流功率单元公共 直流母线的正输入电压端相连接。 本发明的特征还在于
直流功率单元的结构为至少两个光伏电池板并联，再与一个DC/DC变
换电路并联，光伏电池板的正电压输出端与DC/DC变换电路的正电压输出
端之间连接有一个防止反向充电的功率二极管，光伏电池板的负电压输出端
与DC/DC变换电路的负电压输出端连接，光伏电池板的负电压输出端与 DC/DC变换电路的负电压输出端为相同电位。
交流功率单元由单相或三相逆变电路组成。
本发明的有益效果是，
将若干个光伏电池板并联，再与一个DC/DC变换电路并联，然后在光 伏电池板正电压输出端与DC/DC变换电路的正电压输出端之间连接一个防 止反向充电的功率二极管，构成了一个直流功率单元。然后将若干个直流功 率单元进行串联连接，再与若干个并联的交流功率单元连接。采用这样的结 构，解决了现有光伏发电系统在解决受阴影影响支路的最大功率点跟踪问题 的同时而带来的新的其他问题，降低了通常DC/DC变换电路一直工作而导 致的功率损失，使DC/DC变换电路之间互相无影响，提高了系统的性能以 及安全可靠性，降低了硬件的成本，并且提高了系统的效率。
图1是本发明电路结构示意图2是本发明电路结构中直流功率单元结构示意图3是本发明电路结构中交流功率单元结构示意图。
图中，l.功率二极管，2.光伏电池板，3.DC/DC变换电路，4.交流功率 单元，5.直流功率单元，6.串行通信网络。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
图1是本发明一种实施例的电路结构示意图， 一个直流功率单元5的负 输出端与相邻直流功率单元5的正输出端相连，依次类推，使A个直流功率 单元5串联。由第一个直流功率单元5的正输出端连接交流功率单元4的公 共直流母线的正输入电压端，第A个直流功率单元5的负输出端连接交流功 率单元4的公共直流母线的负输入电压端。m个交流功率单元4的负输出端 并联连接至公共直流母线的负输入电压端，m个交流功率单元4的正输出端 并联连接至公共直流母线的正输入电压端。
所有直流功率单元5和交流功率单元4都具有串行通信接口电路，利用 公共的串行通信总线把上述单元都连接起来，本发明的电路结构通过串行通 信网络6对所有直流功率单元5和交流功率单元4中的功率信息进行交换。
把A个直流功率单元5串联后的输出电压作为m个交流功率单元4的公 共直流母线电压，使A个直流功率单元5串联后的输出电压达到较高的直流 电压等级，以满足逆变电压要求。除一个交流功率单元4作为主控制单元外, 其余所有的直流功率单元5和交流功率单元4都作为从控制单元。由主控制 单元搜集输出功率等信息，指挥从控制单元是否投入工作。每个直流功率单 元5和交流功率单元4都具有最大功率点跟踪功能，可以解决部分阴影问题。所有的交流功率单元4作为交流逆变单元构成了逆变装置。根据所有直流功
率单元5的输出功率以及每个交流功率单元4的运行时间，通过串行网络控 制技术控制交流功率单元4运行与停止。串行网络控制技术可以解决所有的 交流功率单元4和直流功率单元5之间的协调工作问题，同时提高了交流逆 变单元的平均使用寿命。
直流功率单元5的结构如图2所示，将7V个光伏电池板2并联，再与一 个DC/DC变换电路3并联，光伏电池板2的正电压输出端与DC/DC变换 电路3的正电压输出端之间连接有一个防止反向充电的功率二极管1，光伏 电池板2的负电压输出端与DC/DC变换电路3的负电压输出端连接，光伏 电池板2的负电压输出端与DC/DC变换电路3的负电压输出端为相同电位。
在光照强度相同时，所有光伏电池板2通过防止反向充电的功率二极管 l输出相同的功率，此时因为所有DC/DC变换电路3不工作，所以所有直 流功率单元5没有功率损失。当部分阴影出现时，受到影响的光伏电池板2 对应的DC/DC变换电路3才工作，跟踪最大功率点，防止反向充电的功率 二极管1由于反压作用而自动停止电流流动。没有阴影影响的直流功率单元 5照常通过防止反向充电的功率二极管1输出功率。当部分阴影不存在时， 当初工作的DC/DC变换电路3停止工作，继续通过对应的防止反向充电的 功率二极管1输出功率。这样就可以解决通常DC/DC变换电路3 —直工作 而导致的自身电路损耗问题，同时也可以避免由于DC/DC变换电路出现故 障而导致的直流功率单元不能工作的问题，提高了系统的安全可靠性。
交流功率单元4由单相或三相逆变电路组成，如图3所示，交流功率单 元4输出端连接电网或交流负载，输入端分别接公共直流母线的正输入电压 端和公共直流母线的负输入电压端。既可以用于并网运行，也可以离网独立运行。
由于相同型号的光伏电池板2具有相同的伏安特性，同时光伏电池板2
并联时，即使其中部分电池板受到阴影影响，根据光伏电池板2端电压相同 时并联的总功率近似等于每个并联光伏电池板2最大功率之和的原理，只要 DC/DC变换电路3实现最大功率点跟踪，则所有并联连接的光伏电池板2 都近似处于最大功率点。因此，光伏电池板2的接法是先把iV个光伏电池板 2并联，然后再与一个DC/DC变换电路3并联，从而组成直流功率单元5。 A个直流功率单元5串联构成整个系统的输入直流母线。采用这样的连接方 法可以大大减少DC/DC变换电路3的数量，既可以解决硬件成本的问题， 也可以解决部分阴影的问题。
在启动阶段，所有直流功率单元5都不工作，所有交流功率单元4都投 入运行。等待几分钟后，系统进入正常工作阶段。此时主控制单元根据各个 直流功率单元5的输出功率判定阴影是否存在。判定依据是若少数直流功率 单元5的输出功率与大多数直流功率单元5的输出功率之差超出设定范围， 例如10W，则让对应的少数直流功率单元5投入运行，追踪最大功率点，而 其他直流功率单元5仍然不工作。同时，主控制单元根据总体输出功率大小 以及各个交流功率单元4的工作时间，指示部分交流功率单元4停止运行。 当判定没有阴影时，主控制单元指示正在工作的直流功率单元5停止工作， 以及指示各个交流功率单元4的运行与停止。当一段时间内光照强度很弱时， 主控制单元指示所有直流功率单元5和交流功率单元4停止工作，不再向电 网或负载输送能量。当一段时间内光照强度变强时，重新进入启动阶段。
本发明的电路结构既可以解决光伏阵列的部分阴影问题，也可以降低开 关电路本身工作带来的功率损失，提高系统效率，同时也提高了整个系统的可靠性。采用模块化设计，因此在安全冗余度方面，还是安装维护等方面， 与以往电路结构相比，都具有非常好的优点。本发明的电路结构可用于光伏 发电并网系统或离网系统，既适用于单相交流系统，也适用于三相交流系统， 在大中功率光伏发电领域具有非常好的实用价值。
权利要求
1.一种光伏发电系统的电路结构，其特征在于，包括至少两个相串联的直流功率单元(5)和至少两个相并联的交流功率单元(4)，上述所有的直流功率单元(5)通过公共的串行通信总线与串行通信网络(6)相连接，上述所有的交流功率单元(4)通过公共的串行通信总线与串行通信网络(6)相连接，第一个直流功率单元(5)的负输出端与相邻直流功率单元(5)的正输出端连接，第一个直流功率单元(5)的正输出端与交流功率单元(4)公共直流母线的正输入电压端相连接，最后一个直流功率单元(5)的负输出端与交流功率单元(4)公共直流母线的负输入电压端相连接，所有并联的交流功率单元(4)的负输出端与交流功率单元(4)公共直流母线的负输入电压端相连接，所有并联的交流功率单元(4)的正输出端与交流功率单元(4)公共直流母线的正输入电压端相连接。
2. 按照权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述的直流功率单 元(5)的结构为至少两个光伏电池板(2)并联，再与一个DC/DC变换 电路(3)并联，光伏电池板(2)的正电压输出端与DC/DC变换电路(3) 的正电压输出端之间连接有一个防止反向充电的功率二极管(1)，光伏电池 板(2)的负电压输出端与DC/DC变换电路(3)的负电压输出端连接，光 伏电池板(2)的负电压输出端与DC/DC变换电路(3)的负电压输出端为 相同电位。
3. 按照权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述的交流功率单 元(4)由单相或三相逆变电路组成。
全文摘要
本发明公开了一种光伏发电系统的电路结构，第一个直流功率单元的负输出端与相邻直流功率单元的正输出端连接，第一个直流功率单元的正输出端与交流功率单元公共直流母线的正输入电压端相连接，最后一个直流功率单元的负输出端与交流功率单元公共直流母线的负输入电压端相连接，所有并联的交流功率单元的负输出端与交流功率单元公共直流母线的负输入电压端相连接，所有并联的交流功率单元的正输出端与交流功率单元公共直流母线的正输入电压端相连接。采用这样的结构，解决了现有光伏发电系统在解决受阴影影响支路的最大功率点跟踪问题的同时而带来的新的其他问题。
文档编号H02J3/00GK101409449SQ20081023211
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者任碧莹, 孙向东, 钟彦儒 申请人:西安理工大学